艦載光電跟蹤儀對低空掠海目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法?

陽平 張輝

（92941部隊 葫蘆島 125001）

艦載光電跟蹤儀對低空掠海目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法?

陽平 張輝

（92941部隊 葫蘆島 125001）

論文提出了一種艦載光電跟蹤儀跟蹤低空掠海目標(biāo)邊緣前點(diǎn)的方法。該方法通過在現(xiàn)有艦載光電跟蹤儀操控程序中增加一段子程序，利用武器系統(tǒng)提供的目指距離量，艦艇航向、縱、橫搖角和光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)獲得的目標(biāo)的方位、俯仰角和距離，計算目標(biāo)相對光電跟蹤儀光軸的水平旋轉(zhuǎn)方向，使光電跟蹤儀能夠根據(jù)該值自動確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實現(xiàn)對目標(biāo)頭部的跟蹤，避免質(zhì)心跟蹤方式有時會跟蹤到目標(biāo)尾焰的弊端。

艦載光電跟蹤儀；低空掠海目標(biāo)；跟蹤

1 引言

艦載光電跟蹤儀是艦炮武器系統(tǒng)的重要探測設(shè)備［1～2］，其主工作通道為紅外通道。在海上跟蹤來襲低空掠海導(dǎo)彈類目標(biāo)［3］時，在目標(biāo)捷徑不為零的條件下，會出現(xiàn)以下情況，即目標(biāo)的紅外圖像由目標(biāo)及其發(fā)動機(jī)尾焰組成［4～5］，當(dāng)目標(biāo)以固體或液體火箭為動力進(jìn)行超音速飛行時發(fā)動機(jī)尾焰長度可以達(dá)到幾十米［6］，會超過目標(biāo)長度的幾倍［7］。當(dāng)前，艦載光電跟蹤儀對空中目標(biāo)主要采用對比度［8］、質(zhì)心方式［9］對此類目標(biāo)進(jìn)行圖像跟蹤，但是當(dāng)尾焰長度占紅外圖像長度的一半以上時，就會出現(xiàn)所提取的目標(biāo)質(zhì)心在尾焰不在目標(biāo)上的現(xiàn)象，使得激光測距機(jī)沒有回波，火控?zé)o法解算［10］，不能構(gòu)成開火條件，造成近程防御系統(tǒng)失效，如圖1所示。

國內(nèi)學(xué)者針對該問題提出過目標(biāo)紅外圖像序列雙閾值分割方法［11］。由于該方法需要對目標(biāo)的實測紅外圖像序列進(jìn)行統(tǒng)計，找出其特性，以及目標(biāo)在上一幀圖像中所占比例，以此確定當(dāng)前幀圖像中兩個閾值的取值范圍，所以此方法只適用于特定條件下的已知目標(biāo)，對于擔(dān)負(fù)防空反導(dǎo)任務(wù)的艦載光電跟蹤儀顯然不適合。

當(dāng)前艦載光電跟蹤儀在解決該問題時采用在控制面板增加控制按鍵的方法，即通過人工判斷目標(biāo)相對于光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向，然后采用邊緣跟蹤方式跟蹤目標(biāo)的邊緣前點(diǎn)，或以邊緣前點(diǎn)為基準(zhǔn)，跟蹤目標(biāo)頭部。但是，人工判斷目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向有一定的缺陷，一是對于未知目標(biāo)的航跡判斷容易出現(xiàn)誤判；二是從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后進(jìn)行判斷到最后按鍵確認(rèn)這一過程用時較長，對于超音速目標(biāo)將造成其穩(wěn)定跟蹤距離短，影響系統(tǒng)正常工作。

本文將綜合利用武器系統(tǒng)提供的目指距離量，艦艇航向、縱、橫搖角和光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)獲得的目標(biāo)的方位、俯仰角和距離等信息，通過計算目標(biāo)邊緣，實現(xiàn)對目標(biāo)邊緣前點(diǎn)的跟蹤。

圖1 跟蹤目標(biāo)尾焰

2 目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法原理

該方法原理如圖2所示。利用火控系統(tǒng)與光電跟蹤儀的通訊報文中提供的目指數(shù)據(jù)中的距離量，艦艇航向角、縱、橫搖角和光電跟蹤儀使用質(zhì)心跟蹤方式獲取的目標(biāo)的方位角、俯仰角及激光測距值，計算目標(biāo)相對光電跟蹤儀光軸的水平旋轉(zhuǎn)方向，從而使光電跟蹤儀能夠根據(jù)該值自動確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)。該方法是通過在現(xiàn)有艦載光電跟蹤儀操控程序中增加一段子程序來實現(xiàn)的。

圖2 目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法原理

3 實現(xiàn)步驟

方法實現(xiàn)步驟如下：

1）搜索雷達(dá)開機(jī)搜索目標(biāo)，情報臺對雷達(dá)點(diǎn)跡建航后經(jīng)火控臺向光電跟蹤儀發(fā)送目標(biāo)方位角、距離數(shù)據(jù)，導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作向武器系統(tǒng)提供本艦航向、航速和縱橫搖數(shù)據(jù)，光電跟蹤儀接收目指搜索、跟蹤目標(biāo)；

2）當(dāng)光電跟蹤儀對目標(biāo)角跟蹤好但激光無回波數(shù)據(jù)時，將每周期火控臺向光電跟蹤儀報文中的目標(biāo)距離與光電跟蹤儀所測的方位、俯仰組成本周期內(nèi)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)；

3）利用本周期內(nèi)火控臺至光電跟蹤儀報文中的已艦航向角、橫搖角和縱搖角進(jìn)行坐標(biāo)變換，將不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的極坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下（大地坐標(biāo)系下）的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)；

4）以下每一工作周期均進(jìn)行上述步驟1）、2）的內(nèi)容；

5）在每一周期內(nèi)求取大地坐標(biāo)系下目標(biāo)相對光電跟蹤儀的方位角；

6）求取方位角旋轉(zhuǎn)方向；

7）利用方位角旋轉(zhuǎn)方向確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實現(xiàn)前邊緣跟蹤。

方法實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 實現(xiàn)流程

4 具體實施方式

4.1 采集每跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息

當(dāng)光電跟蹤儀對目標(biāo)角跟蹤好但激光測距無回波數(shù)據(jù)時，采集每跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息（不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系）：方位角A、俯仰角E、距離D。其中方位角A和俯仰角E為光電跟蹤儀所測的目標(biāo)方位和俯仰，距離D為每周期火控臺向光電跟蹤儀報文中的目標(biāo)距離。

此時采集到的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息（A，E，D）均為不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為該坐標(biāo)系下直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)為（X，Y，Z），轉(zhuǎn)換方程如下［12］：

4.2 艦艇穩(wěn)定坐標(biāo)系下目標(biāo)數(shù)據(jù)信息

利用本周期內(nèi)火控臺至光電跟蹤儀報文中的已艦航向角H、橫搖角R和縱搖角P進(jìn)行坐標(biāo)變換，將不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的直角坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW），轉(zhuǎn)換公式為

利用式（2）將4.1中求取的不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的直角坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW）：

4.3 求取穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下目標(biāo)的實時方位角

4.2中求出的本跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW），根據(jù)公式：

可求取本跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下相對于光電跟蹤儀的方位角 AW（數(shù)值范圍是-180°～180°）。光電跟蹤儀的數(shù)據(jù)處理周期記為T，則根據(jù)式（3）和 XW，YW的正負(fù)即可求出在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下 t0，t0+T，t0+2T，···，t0+（n-1）T時刻目標(biāo)的實時方位角為Aw1，Aw2，···，Aw（n-1）。

根據(jù)式（3）求取t1～t6時間內(nèi)的每時刻目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下相對于光電跟蹤儀的方位角AW1～AW6。本文采用某航次數(shù)據(jù)，計算得到：

4.4 數(shù)據(jù)平滑處理

采用五點(diǎn)三次平滑公式對等間隔時刻的方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，具體方法為：在每個數(shù)據(jù)點(diǎn)AWi的前后各取兩個相鄰點(diǎn) AW(i-2)，AW(i-1)和AW(i+1)，AW(i+2)，用三次多項式 AW=a0+a1t+a2t2+a3t3進(jìn)行逼近。

根據(jù)最小二乘原理確定出系數(shù)a0，a1，a2，a3，得到五點(diǎn)三次平滑公式：

利用五點(diǎn)三次平滑式（4）對方位角數(shù)據(jù)AW1～AW6五個一組依次進(jìn)行平滑處理。對第一組AW1，AW2，AW3，AW4，AW5進(jìn)行平滑：

通過判斷Δi的正負(fù)來判斷ti時刻光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向：如果Δi的符號為正，則可判斷出ti時刻光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)順時針旋轉(zhuǎn)，反之旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。

利用式（5）計算ti時刻方位角差Δi：

通過判斷Δi的正負(fù)來判斷ti時刻光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向：由于Δ1～Δ5均為正，所以可以判斷出在t0～t5時間段內(nèi)，光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)順時針旋轉(zhuǎn)。

4.6 確定邊緣跟蹤前點(diǎn)

根據(jù)方位角旋轉(zhuǎn)方向確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實現(xiàn)目標(biāo)前部跟蹤。本實例中t0～t5時間內(nèi)目標(biāo)相對于光電跟蹤儀順時針旋轉(zhuǎn)，由此可以判斷出跟蹤目標(biāo)圖像的右邊緣即可完成目標(biāo)的頭部跟蹤。

5 結(jié)語

將本文方法編寫成一段子程序添加于光電跟蹤儀操控程序中，能夠?qū)崿F(xiàn)對低空海飛行目標(biāo)相對光電跟蹤儀旋轉(zhuǎn)方向的自動判別，縮短反應(yīng)時間，并能夠避免人工干預(yù)所帶來的誤判等問題，從而對來襲的低空掠海導(dǎo)彈類目標(biāo)進(jìn)行有效地前邊緣跟蹤。對于提高近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)反超音速目標(biāo)效能有著重要意義。

［1］羅兵，馮瑜，金曉宇.艦載光電跟蹤儀應(yīng)用及發(fā)展［J］.激光與紅外，2015，10（45）：1171-1174.

［2］陸培國，壽少峻.艦載光電系統(tǒng)高精度跟蹤控制技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006，27（11）：476-483.

［3］趙曉.掠海導(dǎo)彈紅外輻射特性研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］張發(fā)強(qiáng)，樊祥，曹翠嬌，等.巡航導(dǎo)彈紅外輻射特性研究［J］.激光與紅外，2013，43（11）：1229-1233.

［5］韓海玉，楊紹清.反艦導(dǎo)彈紅外輻射特性研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36（1）：41-44.

［6］陳錢，錢惟賢，張聞文.紅外目標(biāo)探測［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2016：63.

［7］徐吉輝，孫媛，于飛.海戰(zhàn)場環(huán)境下超音速反艦導(dǎo)彈紅外輻射特性研究［J］.紅外與激光工程，2014，46（6）：1761-1766.

［8］呂相銀，黃超超，凌永順.紅外成像跟蹤算法性能及應(yīng)用分析［J］.紅外技術(shù)，2004，26（4）：11-16.

［9］劉士建，吳瀅躍.具有記憶跟蹤功能的質(zhì)心跟蹤算法［J］.紅外技術(shù)，2012，34（11）：636-639.

［10］黃守訓(xùn).艦炮武器系統(tǒng)試驗與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：84.

［11］涂建平，彭應(yīng)寧.飛機(jī)目標(biāo)紅外圖像序列雙閾值分割方法［J］.兵工學(xué)報，2004，25（1）：37-40.

［12］舒長勝，孟慶德.艦炮武器應(yīng)用工程基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014：242.

A Method for Shipborne Opto-electronic Tracker Tracking Forward Edge of Low Attitude Near-Sea Target

YANG PingZHANG Hui
（No.92941 Troops of PLA，Huludao 125001）

A method for shipborne opto-electronic tracker tracing forward edge of low attitude near-sea target is proposed in this paper.The method is realized via adding a subprogram to the manipulation program of shipborne Opto-electronic Tracker.Using target distance provided by weapon system，course，rolling and pitching angle of ship，azimuth，pithing angle and distance of targets obtained by opto-electronic tracker，horizontal rotation direction was calculated.Then，opto-electronic tracker determined the forward edge of target automatically，and realized tracking the forward edge of target，therefore，avoided the error of tracking the wake flame of target.

shipborne opto-electronic tracker，low attitude near-sea target，track

TN949

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.033

Class Number TN949

2017年5月10日，

2017年6月11日

陽平，男，博士，工程師，研究方向：艦炮光電試驗。張輝，男，高級工程師，研究方向：艦炮光電試驗。