應(yīng)用于激光成像引信系統(tǒng)的仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘太玉， 張順法， 馬惠敏

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)471009）

0 引言

激光引信利用激光束探測(cè)目標(biāo)，具有對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行全向探測(cè)的能力，是一種先進(jìn)的主動(dòng)式近炸引信［1］。激光引信具有方向性強(qiáng)、距離分辨率高、對(duì)電磁干擾不敏感等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在空空導(dǎo)彈中。但現(xiàn)今的激光引信也存在一些不可忽視的問題，特別是空氣懸浮粒子后向散射、超低空地物背景雜波干擾對(duì)回波信號(hào)的不利影響，降低了激光引信的抗干擾能力［2］。這個(gè)問題的解決途徑之一就是通過(guò)引信對(duì)目標(biāo)形體進(jìn)行成像探測(cè)。國(guó)內(nèi)在空空導(dǎo)彈激光引信的研制過(guò)程中，已經(jīng)采用分光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了引信周向分辨率的提高，但是距實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形體成像探測(cè)仍有較大的差距，難以達(dá)到通過(guò)圖像識(shí)別來(lái)區(qū)分目標(biāo)與干擾的目的。

本文介紹了一種能夠提升激光引信抗干擾能力的激光成像引信技術(shù)，并概述了激光成像引信的基本工作原理，詳細(xì)闡述了一種適用于激光成像引信系統(tǒng)的成像仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。

1 激光成像引信技術(shù)

成像已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外引信探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向［3］。它能使引信獲得目標(biāo)的二維圖像并進(jìn)行處理與識(shí)別，因而與現(xiàn)有激光引信相比，它具有更好的抗干擾能力，可滿足引信對(duì)成像實(shí)時(shí)性與識(shí)別精確性的要求，有利于改善引戰(zhàn)配合性能，提高對(duì)目標(biāo)的毀傷效果。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開展激光成像探測(cè)技術(shù)的研究工作，如瑞典國(guó)家防衛(wèi)研究所已經(jīng)完成直接探測(cè)三維距離激光成像仿真，正在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和工程研究［4］。

要實(shí)現(xiàn)激光引信的成像，探測(cè)方式大致可有以下幾種：

a）高密度多元環(huán)視探測(cè)；

b）光機(jī)掃描探測(cè)；

c）電光掃描探測(cè)；

d）多象限陣列探測(cè)等。

由于多象限陣列探測(cè)成像方式具有高周向分辨率、高掃描頻率、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，本文中介紹的激光成像引信采用該種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)形體的圖像探測(cè)，實(shí)現(xiàn)周向不低于96元分辨率的激光引信成像探測(cè)。

系統(tǒng)功能原理圖如圖1所示。其工作原理：發(fā)射采用分時(shí)掃描方式，6象限激光光源按照60 k Hz的重復(fù)頻率輪流發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)整形為視野角為60°的薄扇形光束，經(jīng)發(fā)射窗口發(fā)射出去，遇到目標(biāo)后，來(lái)自目標(biāo)不同部位的后向散射信號(hào)經(jīng)引信的成像光學(xué)系統(tǒng)匯聚到APD的對(duì)應(yīng)單元上，完成一次掃描后，各個(gè)象限的對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)組合成一行圖像，隨著彈目交會(huì)的進(jìn)行，得到的圖像行數(shù)不斷增多。接收到的目標(biāo)多元回波脈沖信號(hào)由小型高速信號(hào)處理識(shí)別器處理，輸出引炸信號(hào)。

激光成像引信技術(shù)，利用激光束掃描目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射形成激光回波二維圖像，通過(guò)圖像處理算法來(lái)區(qū)分目標(biāo)與干擾，可以有效提高激光引信的抗干擾能力，尤其是抗懸浮粒子后向散射干擾的能力。通過(guò)建立激光成像引信系統(tǒng)的仿真軟件平臺(tái)可以獲得豐富的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)于目標(biāo)識(shí)別算法和激光成像引信技術(shù)的研究都具有重要意義。

圖1 多象限陣列探測(cè)成像激光引信電原理圖

2 仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

激光引信通過(guò)接收自身發(fā)出的激光束經(jīng)目標(biāo)表面產(chǎn)生的反射回波信號(hào)形成目標(biāo)圖像［5］。成像機(jī)理如圖2所示。激光發(fā)射與接收系統(tǒng)裝配于彈頭后部，具有360°視場(chǎng)，激光束垂直于彈體發(fā)射，vp和vm分別為飛機(jī)和導(dǎo)彈的飛行速度，Δa為接收元的視場(chǎng)角。

圖2 激光引信成像原理

假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)共有m個(gè)接收元，每個(gè)接收元Rx有n路輸出，一周可獲取的掃描點(diǎn)數(shù)為m×n，即圖像列數(shù)。

彈目交會(huì)過(guò)程中，假設(shè)t1時(shí)刻導(dǎo)彈處于空間位置d1，此時(shí)機(jī)身A部分進(jìn)入引信視場(chǎng)，回波信號(hào)被接收元R1接收。經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后，導(dǎo)彈處于空間位置d2，此時(shí)機(jī)身A部分退出引信視場(chǎng)，機(jī)身B1、B2、B3部分進(jìn)入引信視場(chǎng)，相應(yīng)的回波信號(hào)分別被接收元R2、R1、Rn接收，以此類推，直至目標(biāo)完全退出引信視場(chǎng)。這樣，在彈目交會(huì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)目標(biāo)的掃描即可獲得目標(biāo)的二維形體圖像。

2．1 成像探測(cè)系統(tǒng)仿真模型

激光發(fā)射器安裝在彈體中部，圍繞彈體一周，有多個(gè)等效的激光發(fā)射器，如圖3所示。經(jīng)由光學(xué)鏡頭展寬后，每一個(gè)激光發(fā)射器發(fā)出的激光將形成一定角度的薄扇面。據(jù)此，根據(jù)導(dǎo)彈模型參數(shù)，計(jì)算安裝部彈體的半徑，忽略發(fā)射器本身尺寸，將其簡(jiǎn)化成為一個(gè)圓環(huán)。將發(fā)射曲面離散為一系列的發(fā)射線，即把激光發(fā)射器認(rèn)為是一系列的點(diǎn)發(fā)射器，然后計(jì)算發(fā)射線與目標(biāo)模型曲面的交線。

圖3 激光發(fā)射器示意圖

飛機(jī)圖像的獲取，主要是根據(jù)線列探測(cè)器的物理特性，在反射能量和二值圖像之間建立一個(gè)模擬接收器響應(yīng)的閾值函數(shù)。

在彈體一周，同樣有數(shù)目與發(fā)射器相同的等效線列接收器，每個(gè)線列接收器有32路信號(hào)輸出，如圖4所示，每一路輸出只對(duì)以某一特定角度范圍入射的激光有效。由此，將線性陣列探測(cè)器等效為一系列的點(diǎn)接收器，位置可認(rèn)為與點(diǎn)發(fā)射器重疊。

圖4 單一線列接收器示意圖

2．2 目標(biāo)圖像的生成

為得到更為真實(shí)的目標(biāo)表面特性，本文采用目標(biāo)飛機(jī)的真三維網(wǎng)格模型，該模型由1 173個(gè)三角面片、2 500多個(gè)頂點(diǎn)組成的，可以較好地反映目標(biāo)表面的反射特性。在VC環(huán)境下對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)處理后，利用OpenGL接口函數(shù)可以得到如圖5所示的可視化三維網(wǎng)格模型。

圖5 目標(biāo)三維網(wǎng)格模型

2．2．1 彈目交會(huì)建模

彈目交會(huì)模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真前必須建立彈目交會(huì)的數(shù)學(xué)模型。綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度和仿真效率等因素，對(duì)彈目交會(huì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程作如下假設(shè)：

a）忽略導(dǎo)彈彈體、目標(biāo)機(jī)體上存在的震動(dòng)力、大氣中的風(fēng)力和地球引力等因素對(duì)導(dǎo)彈和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響；

b）導(dǎo)彈彈體和目標(biāo)機(jī)體上各質(zhì)點(diǎn)的速度矢量均等同于各自整體運(yùn)動(dòng)的速度矢量；

c）彈目距離較近，可認(rèn)為目標(biāo)和導(dǎo)彈各自獨(dú)立地作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

以上三項(xiàng)假設(shè)在工程計(jì)算中是合理的，基本不影響仿真結(jié)果。在此前提下，按下述方法建立了彈目交會(huì)的數(shù)學(xué)模型。

（1）建立SKS交會(huì)模型

設(shè)目標(biāo)速度矢量為vM，導(dǎo)彈速度矢量為vD，分別過(guò)目標(biāo)速度矢量vM、導(dǎo)彈速度矢量vD作一對(duì)互相平行的平面U和V，目標(biāo)上某一反射面的中心位于空間一點(diǎn)F，激光引信回波接收窗口中心位于空間一點(diǎn)D，當(dāng)視線DF與導(dǎo)彈軸線夾角為某規(guī)定值β時(shí)，則將此時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻規(guī)定為彈目交會(huì)時(shí)間坐標(biāo)的原點(diǎn)T1。T1時(shí)刻過(guò)F作一平面P與導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)直線垂直，垂足O定為空間直角坐標(biāo)原點(diǎn)。導(dǎo)彈速度矢量方向與Z軸正向一致，Y軸在P面內(nèi)與U垂直，正方向指向U平面，X軸正向由右手定則來(lái)判定。時(shí)間坐標(biāo)軸T與空間坐標(biāo)軸Z軸重合且方向一致。這就建立起了以導(dǎo)彈和目標(biāo)兩個(gè)速度矢量（S）為參照物的空間（K）、時(shí)間（S）彈目交會(huì)模型，簡(jiǎn)稱SKS模型，如圖6所示。

圖6 SKS交會(huì)模型

（2）坐標(biāo)變換

一般情況下，模型數(shù)據(jù)及彈目交會(huì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都是在世界坐標(biāo)系下給出的，各自獨(dú)立，仿真時(shí)，需要將模型數(shù)據(jù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)統(tǒng)一變換到SKS模型中，并選擇導(dǎo)彈坐標(biāo)系作為參照坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換。

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系中，導(dǎo)彈本身位于坐標(biāo)系原點(diǎn)并且靜止不動(dòng)，直接讀入模型參數(shù)即可獲取其頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而目標(biāo)的模型頂點(diǎn)坐標(biāo)位置則需要通過(guò)給定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這一過(guò)程即為坐標(biāo)變換過(guò)程。坐標(biāo)變換的主要任務(wù)就是計(jì)算目標(biāo)模型在新坐標(biāo)系中的頂點(diǎn)坐標(biāo)以及速度矢量。

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)頂點(diǎn)坐標(biāo)變換流程如圖7所示。

圖7 目標(biāo)模型坐標(biāo)變換流程

設(shè)初始給定的目標(biāo)模型參數(shù)中某一頂點(diǎn)坐標(biāo)為P＝［x0y0z0］，新頂點(diǎn)坐標(biāo)求解方法如下。

首先對(duì)目標(biāo)模型按目標(biāo)姿態(tài)角參數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。注意，旋轉(zhuǎn)計(jì)算必須按照滾動(dòng)角、俯仰角、偏向角的順序依次進(jìn)行，否則無(wú)法得到正確的結(jié)果。各旋轉(zhuǎn)矩陣分別為

滾動(dòng)角旋轉(zhuǎn)矩陣（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

俯仰角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

偏向角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

旋轉(zhuǎn)后的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

然后對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行平移，平移后的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

其中：

最后，對(duì)平移后的目標(biāo)模型按導(dǎo)彈姿態(tài)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，各旋轉(zhuǎn)矩陣分別為

偏向角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

俯仰角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

滾動(dòng)角旋轉(zhuǎn)矩陣（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

最終得到的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

根據(jù)上面的方法即可完成目標(biāo)模型其它頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換。

（3）運(yùn)動(dòng)模擬

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系中，導(dǎo)彈是相對(duì)靜止的，因此只需根據(jù)導(dǎo)彈坐標(biāo)系中目標(biāo)的速度矢量和激光器發(fā)射頻率來(lái)計(jì)算每次目標(biāo)移動(dòng)的距離，就可以仿真得到每次激光發(fā)射后線列接收器所能接收到的信號(hào)，從而生成激光線掃圖像。

假設(shè)給定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為vt、目標(biāo)中軸線中心位置O、中軸線上的點(diǎn)P1，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，O在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為O′，P1在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P′1，設(shè)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度為vm，則在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)的速度矢量為

假設(shè)在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)模型的某一頂點(diǎn)坐標(biāo)為Q，則每次激光發(fā)射后Q的坐標(biāo)為

式中：f為激光發(fā)射器的發(fā)射頻率。

2．2．2 激光回波功率的計(jì)算

在一個(gè)較窄的粗糙度范圍內(nèi)物體表面接近于理想朗伯體［6］。顯然，位于窄發(fā)射視場(chǎng)內(nèi)的飛機(jī)蒙皮可以看成是一個(gè)朗伯體，于是，激光引信所能接收到的激光回波功率可由下式求出：

式中：Pe為激光發(fā)射器功率；τ1為激光發(fā)射器的光學(xué)透過(guò)率；τ2為激光接收器的光學(xué)透過(guò)率；ρ為目標(biāo)表面的漫反射率；As為激光接收器的光敏面積；φ為光敏面中心O′與由激光照射形成的光斑中心O的連線與光敏面的法線n′的夾角；Rl為彈目距離。

計(jì)算回波功率時(shí)，需要計(jì)算出目標(biāo)表面由激光照射形成的光斑的中心點(diǎn)，由該中心點(diǎn)、接收面元中心點(diǎn)和面元的法向量即可求得角φ和Rl，代入公式可求出目標(biāo)表面某一處的漫反射回波功率Ps。圖8表示了某接收元與飛機(jī)蒙皮上照射光斑的位置關(guān)系。

圖8 接收元與光斑的相對(duì)位置

2．2．3 仿真圖像生成算法

圖9表示了激光引信仿真圖像生成的全過(guò)程。其中，消隱處理（即光線與面片相交情況的判斷）是圖像生成算法的關(guān)鍵部分，它在很大程度上決定了圖像生成算法的優(yōu)劣。

基本假設(shè)：

設(shè)彈目均處于導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，從點(diǎn)激光發(fā)射器中心O′到目標(biāo)模型上某三角面片ΔABC三個(gè)頂點(diǎn)的向量分別為a、b、c，某激光發(fā)射光線為Ri。

a）若條件（14）滿足邏輯表達(dá)式（13），則發(fā)射光束Bi與三角面片ΔABC相交，式中，θ為激光束張角；

圖9 激光近場(chǎng)探測(cè)仿真圖像生成流程圖

b）通過(guò)計(jì)算確定出與光束Bi相交的三角面片ΔABC；

c）將光束Bi在張角θ范圍內(nèi)等間隔地分為k個(gè)同心光環(huán)，再將每個(gè)光環(huán)等間隔分為k條光線，則光束Bi被等效為k2條光線；計(jì)算光束的等效光線Bij與三角面片ΔABC的交點(diǎn)pij，并由此求出每條等效光線的φj和Rlj；

d）按照式（15）計(jì)算出回波功率，并根據(jù)設(shè)定的閾值判定是否有像素輸出。

圖10是采用此算法仿真生成的飛機(jī)圖像。

圖10 飛機(jī)仿真圖像

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的激光成像引信技術(shù)，能夠有效提高激光引信的抗干擾能力。提出了一種適用于激光成像引信系統(tǒng)的成像仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。通過(guò)此仿真軟件，得到了豐富的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)與真實(shí)圖像的對(duì)比，驗(yàn)證了此仿真設(shè)計(jì)的正確性，利用這些圖像可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別算法的研究，對(duì)于成像激光引信技術(shù)的研究具有重要意義。

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