艦載光電跟蹤設備目標捕獲方法研究

顧吉堂　閆曉珂

（91404部隊　秦皇島　066000）

1　引言

艦載光電設備集光機電為一體，具有實時性好、跟蹤精度高、清晰的圖像顯示和抗干擾性強等功能，在海上準確測量、火控武器的精準打擊、海上激光武器對抗、導彈和飛行器預警及軌跡預測、艦載機的起飛與降落等領域起著至關重要的作用［1］。隨著飛行器、導彈等的飛行速度、機動性和目標打擊的精準性不斷提高，對艦載光電設備的性能提出了更高的要求。但光電跟蹤設備光學視場小，自主捕獲能力較弱、并且受到云層遮擋后，目標在成像視場內(nèi)易丟失［2～3］，在靶場試驗和實戰(zhàn)中快速、準確地搜索捕獲目標對裝備操作手來說難度較大。當前，目標遮擋丟失后普遍采用速度保持搜索方法，即按照目標先前的速度維持跟蹤直到再次捕獲目標，這種方法所能取得的效果非常有限。因為目標運動速度只能在短時間內(nèi)認為恒定，隨著遮擋時間的增大，目標將越來越偏離其恒速軌跡，再次發(fā)現(xiàn)捕獲目標的概率也就越來越低。另一種搜索方法是在目標長時間丟失后，在目標要飛過的預定區(qū)域設置攔截點凝視等待捕獲目標。這種方法在目標探測區(qū)間較小或攔截點誤差較大時，目標發(fā)現(xiàn)捕獲概率將變低［4～5］。鑒于這些不足，本文基于外引導數(shù)據(jù)提出了一種空間目標的快速捕獲方法，消除了船體位置移動和姿態(tài)搖晃所帶來的誤差，通過剔除野值、延時外推、坐標轉換實現(xiàn)了目標的快速捕獲；通過分析攔截點警戒線搜索方法的原理，給出目標長時間丟失且缺乏引導信息時的警戒線搜索流程；最后通過試驗結果的對比分析驗證方法的有效性。

2　外引導數(shù)據(jù)實時處理方法

通過外引導信息輔助進行目標捕獲是艦載光電跟蹤設備捕獲目標的主要手段［6］。由于艦載平臺本身的位置移動、姿態(tài)晃動以及跟蹤設備實時性需求，在坐標變換過程中要求消除船體位置移動和姿態(tài)搖晃所帶來的誤差，并進行真值外推和剔野處理。

2.1　剔除野值

根據(jù)萊特準則［7］，當測量值服從正態(tài)分布時，殘差落在3倍方差 [-3σ，3σ]區(qū)間，即||xi-xˉ＞3σ ，xi為野值的概率超過99.7%，落在此區(qū)間外的概率只有不到0.3%，可以認為殘差落于該區(qū)間之外的數(shù)據(jù)為野值。由于野值會對數(shù)據(jù)標準差求取精度產(chǎn)生影響［8］，因此，萊特準則一般需要循環(huán)進行，即在一次野值剔除后的引導數(shù)據(jù)基礎上，重新計算均值，并重新求取標準差σ，再次進行野值剔除，直到得到滿意的結果為止。

2.2　軌跡預測

考慮到擬合的實效性和準確性，采用在直角坐標系下利用有效目標點進行最小二乘曲線擬合的方式。

求一簡單擬合曲線y=φ(t)使之在整體上盡可能與原始數(shù)據(jù)曲線近似，則

式中 yi為觀測值，δi成為擬合曲線φ(ti)在t時刻與觀測值 yi的偏差，最小二乘原則選擇在節(jié)點ti處與觀測目標位置偏差的平方和最小的擬合曲線φ(ti)為

將式（2）分別對 a、b、c求偏導，求得方程y=ati2+bti+C的系數(shù)a、b、c，從而可以通過該曲線方程外推目標ti時刻的位置。

2.3　引導數(shù)據(jù)的坐標變換

坐標系是空間數(shù)據(jù)的基準，坐標變化是使引導數(shù)據(jù)轉換成能夠驅動光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，不同的坐標系定義不同［9～10］，之間相互轉換的方法也不同，坐標轉換流程圖如圖1所示。由于文章篇幅有限，具體過程不再贅述。

3　攔截點運動目標搜索捕獲

攔截點目標搜索是指在目標要飛經(jīng)的區(qū)域通過設置攔截點搜索目標的過程。對于云層背景下目標跟蹤，當目標被云層遮擋后長時間丟失且又缺乏引導信息時，采用攔截點目標搜索是重新捕獲目標的一種方法［11］。本文提出攔截點精度不高時目標搜索方法。

圖1　坐標轉換流程圖

在攔截點進行目標搜索時，假設攔截點的理論位置為Pc，由于目標飛行中各種誤差以及飛行環(huán)境因素的影響，雖然目標經(jīng)過時的實際位置Po無法確知，但是可以合理設定Po將落入以Pc為中心d×d小區(qū)域內(nèi)，并且服從均勻分布，如圖2所示。

圖2　目標經(jīng)過攔截點過程

假設成像視場大小為l×l，目標檢測概率為1，如果采用凝視等待捕獲方法，目標搜索成功概率為

顯然，如果目標攔截點的誤差區(qū)域增大或成像視場變小，目標搜索成功概率呈正比下降。為了進一步提高搜索成功概率，這里采用警戒線的搜索方法，該方法的基本思想是假定目標必然穿越經(jīng)過攔截點的警戒線，此時將搜索資源集中在警戒線上，而不在誤差區(qū)域內(nèi)搜索，由此提高搜索效率。警戒線搜索過程如圖3所示。

從圖中可以看出，警戒線搜索是沿“回”字形狀路線往復搜索的過程，假設目標以速度矢量v0勻速經(jīng)過警戒線（警戒線長度為D），方向與矢量v0方向垂直。搜索速度vd為矢量v0和vh的合成，其中vh為設定的沿警戒線搜索速度。如果以目標為參考點，搜索路線則是與目標運動方向正交的一連串平行航線，如圖3（b）所示。光電跟蹤設備進行一次搜索時，所需的時間t為

圖3　警戒線搜索過程

此時回轉路程R為：

由于目標在何處以及何時穿越警戒線未知，可以認為一次搜索過程中目標將均勻出現(xiàn)在R×D的區(qū)域內(nèi)，因此目標搜索成功概率為

比較式（3）和式（6）可以發(fā)現(xiàn)，在攔截點誤差較大或成像視場較小的情形下，如果警戒線長度設置成 D=2d，則當＞條件滿足時，警戒線搜索方法的目標搜索成功概率要高于凝視等待捕獲方法；特別是當＞時，警戒線搜索方法的目標搜索成功概率達到1，而這些條件在實際中容易得到滿足。因此，在攔截點處采用警戒線目標搜索可以取得很好的搜索效果。

4　應用分析

對上述外引導數(shù)據(jù)進行處理后，應用于某艦載光電跟蹤設備，光電跟蹤設備跟蹤視場1.8°×1.5°，因此控制中心引導數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后必須能夠將目標引入光電跟蹤設備跟蹤視場才能捕獲跟蹤目標。某艦載光電跟蹤設備采用本文提出的引導數(shù)據(jù)實時處理方法，能夠快速引導光電跟蹤設備捕獲并跟蹤目標。事后對光電設備跟蹤目標測量數(shù)據(jù)與中心引導數(shù)據(jù)進行精度對比分析，由于中高空目標與低空目標對于艦載光電跟蹤設備捕獲能力和跟蹤精度有一定的差別，分別對艦載光電跟蹤設備中高空目標和低空目標的數(shù)據(jù)進行對比分析。從引導數(shù)據(jù)與光電跟蹤測量數(shù)據(jù)比對分析，中心引導數(shù)據(jù)通過本文提出的方法進行處理后，實時方位角與俯仰角誤差均小于0.04°，小于艦載光電跟蹤設備紅外視場角，能夠滿足光電跟蹤設備捕獲條件。圖4為引導數(shù)據(jù)與跟蹤設備測量數(shù)據(jù)誤差對比曲線圖。從圖中可以看到，光電跟蹤設備在20km處成功截獲目標，并穩(wěn)定跟蹤，分別在9km、5km處由于云層遮檔等原因丟失目標后又成功截獲目標；另外，引導信息經(jīng)過處理后實時提供給艦載光電跟蹤設備作為目標指示，其精度完全滿足光電跟蹤設備的測量要求，進一步驗證了本文基于外引導數(shù)據(jù)提出的空間目標快速捕獲方法是有效可行的。

圖4　引導數(shù)據(jù)與跟蹤設備測量數(shù)據(jù)誤差對比曲線圖

5　結語

本文對外引導數(shù)據(jù)實時處理方法進行簡分析，以空間飛行目標丟失后需快速截獲目標為需求，提出了一空間目標的快速捕獲方法。通過分析攔截點警戒線搜索方法的原理，并給出目標長時間丟失且缺乏引導信息時的警戒線搜索流程；最后通過試驗結果的分析驗證方法的有效性。

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