基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法

黨允沛，馬 君，張 珂，2

(1.機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065;2.復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

末敏彈是一種能夠有效打擊地面縱深集群裝甲目標(biāo)的末端敏感型彈藥，它能夠利用前端紅外探測器探測目標(biāo)，并在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后引爆戰(zhàn)斗部，朝著目標(biāo)方向爆炸，其具有高效費(fèi)比，高命中率、殺傷力強(qiáng)、覆蓋面積廣，以及作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。引信作為末敏彈的探測與控制組件，其探測體制決定了末敏彈實(shí)時(shí)打擊目標(biāo)的性能[2]。末敏彈引信多元紅外探測體制能夠解決單元紅外探測體制只能探測目標(biāo)的一維信息，不能探測目標(biāo)的二維信息而引起的檢測概率偏低的問題，因此采用多元紅外探測體制對于紅外目標(biāo)檢測具有體制上的優(yōu)勢[3]。

目前末敏彈引信多元紅外信號處理方法通常采用與已知模板進(jìn)行匹配的方式，如文獻(xiàn)[4]中采用直接分類法，該方法是將未知目標(biāo)特征向量(大小、形狀、長寬比、中心元波形梯度及寬度)與目標(biāo)庫內(nèi)已知的特征模板類別分別進(jìn)行相關(guān)匹配，取所有相關(guān)值中最小值對應(yīng)的類為目標(biāo)所屬類別。文獻(xiàn)[5]中采用統(tǒng)計(jì)分類檢測法，該方法首先對未知目標(biāo)的各個(gè)特征量(面積、周長，中心元寬度以及波形斜率)進(jìn)行提取，隨后再分別與已知特征模板上的特征量進(jìn)行匹配記分，并與各自權(quán)值作積，最后利用加權(quán)平均值作為判決條件來判斷是否為目標(biāo)。

末敏子彈的光軸與彈軸之間具有一定的夾角，當(dāng)末敏子彈掃描過目標(biāo)時(shí)，在信號處理期間，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的末敏子彈容易受到外界環(huán)境的干擾和由于末敏子彈在旋轉(zhuǎn)過程中帶來的不穩(wěn)定等因素，使得末敏子彈爆炸方向易偏離目標(biāo)。因此縮短信號處理時(shí)間，減小光軸與彈軸之間的夾角，進(jìn)而盡可能較少外界的干擾，確保末敏子彈對目標(biāo)有效作用。針對傳統(tǒng)模板匹配方法用時(shí)較長，在信號處理過程中末敏子彈易受到外界環(huán)境的干擾，從而容易引起末敏子彈對目標(biāo)失效的問題，提出了基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法。

1 末敏子彈引信紅外目標(biāo)檢測

1.1 末敏子彈旋轉(zhuǎn)掃描原理

末敏子彈在下降過程中，由于降落傘的作用，經(jīng)過穩(wěn)旋減速，最終以勻轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動且勻速下降。末敏彈引信紅外探測器方向與末敏子彈下落方向之間夾角為30°，其多個(gè)探測元排列方向與掃描方向相互垂直[6]。在探測器工作時(shí)，目標(biāo)與背景的熱輻射通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到多個(gè)探測單元上，各探測單元能夠探測到目標(biāo)的不同部位。末敏子彈的光軸與彈軸呈一定夾角，在掃描過目標(biāo)后，經(jīng)處理延時(shí)，適時(shí)發(fā)出起爆戰(zhàn)斗部信號。末敏子彈多元紅外探測器掃描如圖1所示。

1.2 末敏子彈引信傳統(tǒng)模板匹配算法

末敏子彈引信所采用的傳統(tǒng)模板匹配算法是：首先對待識別目標(biāo)的特征量(目標(biāo)的面積、中心元波形寬度、目標(biāo)的周長、中心元波形的斜率)進(jìn)行提??；然后將上述四種特征量與由大量先驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的多個(gè)模板庫特征邊界值逐一進(jìn)行匹配，匹配成功計(jì)為1，不成功則為0；最后賦予每個(gè)特征量一個(gè)對應(yīng)的權(quán)值，求出加權(quán)平均值，利用加權(quán)平均值來判斷是否為目標(biāo)。傳統(tǒng)模板匹配算法流程圖如圖2所示。

2 基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法

2.1 基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測的基本思路

本文所提目標(biāo)快速檢測的基本思路是：在經(jīng)過對實(shí)時(shí)檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，對多元紅外探測器探測到的多路波形信號進(jìn)行邊緣點(diǎn)快速提取，提取出各路探測元掃描過目標(biāo)的脈寬信息以及探測到目標(biāo)的元數(shù)。根據(jù)不同探測元探測到目標(biāo)的時(shí)序關(guān)系以及高度計(jì)提供的高度信息計(jì)算目標(biāo)所處紅外視場的角度，再利用上述所提取的脈寬信息、探測到目標(biāo)的元數(shù)、目標(biāo)所處紅外視場角度以及高度計(jì)提供的高度信息計(jì)算目標(biāo)平行掃描方向的尺寸，垂直于掃描方向的尺寸，目標(biāo)的兩個(gè)邊長，然后與目標(biāo)實(shí)際尺寸進(jìn)行對比，最終判斷是否為目標(biāo)。基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法流程圖如圖3所示。

2.2 基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測的步驟

2.2.1多路信號邊緣點(diǎn)提取

1) 單路波形信號邊緣點(diǎn)提取

當(dāng)紅外探測器掃描過目標(biāo)時(shí)，探測到目標(biāo)的探測單元所對應(yīng)的探測通道檢測到相應(yīng)的波形信號，波形信號的邊緣點(diǎn)對應(yīng)掃描過目標(biāo)的邊緣點(diǎn)。對各路波形信號進(jìn)行邊緣點(diǎn)提取，提取出波形信號的脈寬寬度τ。所提取的波形信號脈寬寬度包含了目標(biāo)平行于掃描方向的尺寸。

2) 多路間信號邊緣點(diǎn)提取

紅外探測器每個(gè)探測單元之間具有一定的視場角，當(dāng)掃描過目標(biāo)時(shí)，對多路間波形信號邊緣點(diǎn)進(jìn)行提取，即對探測到目標(biāo)的探測元數(shù)N進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。所提取到探測元數(shù)N包含了目標(biāo)垂直于掃描方向的尺寸。

2.2.2目標(biāo)尺寸解算方法

1) 目標(biāo)所處視場中的角度

在多元紅外探測器掃描過目標(biāo)時(shí)，探測到目標(biāo)的不同探測通道掃描過目標(biāo)起始點(diǎn)之間的時(shí)序差異代表了它們依次探測到目標(biāo)的次序，根據(jù)這個(gè)時(shí)序上的差異，結(jié)合高度信息計(jì)算目標(biāo)所處紅外視場中的角度。鄰近中心探測元與中心探測元之間的時(shí)間差為Δτ，由該時(shí)間差和探測元掃描過目標(biāo)的線速度以及高度信息得到目標(biāo)所處視場中的角度，角度計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示。角度計(jì)算示意圖如圖4所示。

L=H/cosα×sinβ

(1)

alpha=arctan(Δτ×v/L)

(2)

式(1)、式(2)中，L為兩個(gè)探測元視場間的距離，H為末敏子彈距離地面的高度，α為紅外探測器的傾斜角度，β為探測元之間的視場角，alpha為目標(biāo)所處紅外視場中的角度，Δτ為不同探測元掃描過目標(biāo)的時(shí)間差，v為中心波元掃描過目標(biāo)的線速度。

2)目標(biāo)尺寸的計(jì)算

利用中心波元探測到目標(biāo)的持續(xù)時(shí)間以及紅外探測元掃描過目標(biāo)的線速度依據(jù)公式(3)計(jì)算得到平行于掃描方向的目標(biāo)尺寸L1。利用探測到目標(biāo)的元數(shù)以及元與元之間的距離依據(jù)公式(4)計(jì)算得到目標(biāo)垂直于掃描方向的目標(biāo)尺寸L2。然后利用目標(biāo)所處紅外視場中的角度以及平行于掃描方向的尺寸L1、垂直于目標(biāo)掃描方向的尺寸L2，依據(jù)式(5)、式(6)分別求解目標(biāo)的邊長a1、a2。目標(biāo)邊長計(jì)算示意圖如圖5、圖6所示。

L1=H×tanα×n×2×π×τ

(3)

L2=L×N

(4)

a1=L2×sin(alpha)

(5)

a2=L1/cos(arctan(a/b)-alpha)×

sin(arctan(a/b))

(6)

式(3)—式(6)中，L1為平行于掃描方向的目標(biāo)尺寸，L2為垂直于掃描方向的目標(biāo)尺寸，H為末敏子彈所處的高度。α為紅外探測器的傾斜角度，即末敏子彈探測器方向與末敏子彈下落方向之間的角度，n為末敏子彈旋轉(zhuǎn)速度，τ為探測元掃描過目標(biāo)的時(shí)間，L2為垂直于掃描方向的目標(biāo)尺寸，N為末敏子彈探測到目標(biāo)的元數(shù)。L為兩個(gè)探測元視場間的距離，a1為計(jì)算所得尺寸1，a2計(jì)算所得尺寸2，alpha為目標(biāo)所處視場中的角度，a、b分別為目標(biāo)真實(shí)的兩個(gè)邊長。

2.2.3目標(biāo)決策融合判斷

決策級融合采用特征量加權(quán)方法。本文采用的特征量是由上述過程計(jì)算所得兩個(gè)邊長a1，a2和平行于掃描方向尺寸L1，以及垂直于掃描方向的尺寸L2組成的。參與融合的特征量L1、L2、a1、a2分別與目標(biāo)的實(shí)際尺寸進(jìn)行逐一匹配，最終判斷是否為目標(biāo)。

2.3 算法影響因素分析

根據(jù)算法設(shè)計(jì)原理，對本文所提算法影響因素進(jìn)行分析。影響本文所提算法的因素有：高度計(jì)提供的高度信息對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差、末敏子彈旋轉(zhuǎn)速度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差、末敏子彈在下降過程中紅外探測器傾斜角度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差以及末敏子彈在下降過程中落速對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的誤差。

1) 高度計(jì)提供的高度信息對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差

激光高度計(jì)的精度在150 m處可達(dá)0.2 m，相對誤差在0.2%以內(nèi)，其對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差也在0.2%以內(nèi)。如式(7)所示。

(7)

式(7)中，ΔH選取0.2 m，H選取100 m，ΔL為高度計(jì)對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差。

2) 末敏子彈在下降過程中旋轉(zhuǎn)速度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差

末敏子彈在下降過程中，以n=5 r/s的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然而末敏子彈在旋轉(zhuǎn)過程中，其旋轉(zhuǎn)速度存在的誤差為Δn=±0.3 r/s，其對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差在6%以內(nèi)。如式(8)所示。

(8)

式(8)中，ΔL1為旋轉(zhuǎn)速度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差。

3) 末敏子彈在下降過程中紅外探測器傾斜角度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差

末敏子彈在下降過程中，紅外探測器與末敏子彈下落方向成30°夾角，其夾角誤差在±2°以內(nèi)，對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差在2.08%之內(nèi)。如式(9)所示。

(9)

式(9)中，α理論取30°，α實(shí)際取30°±2°，ΔL2為紅外探測器傾斜角度對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的相對誤差。

4) 末敏子彈在下降過程中落速對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的誤差

末敏子彈以v降=10 m/s的速度勻速下降，在紅外探測器掃描目標(biāo)的過程中，其掃描的線速度隨著高度降低而逐漸減小，與此同時(shí)掃描過目標(biāo)所需時(shí)間會逐漸增長。速度與時(shí)間計(jì)算公式如式(10)、式(11)所示，目標(biāo)尺寸計(jì)算公式如式(12)所示。

v實(shí)際=(H-v降t)×tanα×2×π×n

(10)

(11)

a計(jì)算=v實(shí)際×t實(shí)際

(12)

式中，v實(shí)際是探測器掃描過目標(biāo)的實(shí)時(shí)速度，H為末敏子彈開始工作的起始高度，α為探測器傾斜角度，n為末敏子彈轉(zhuǎn)速，t實(shí)際為掃描過目標(biāo)的時(shí)間，a為目標(biāo)的實(shí)際尺寸。a計(jì)算為計(jì)算所得尺寸。依據(jù)式(10)、式(11)、式(12)可知，末敏子彈下降過程中的落速對目標(biāo)尺寸計(jì)算引入的誤差可忽略不計(jì)。

3 驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證本文所提方法的正確性，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)平臺上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)平臺參數(shù)如表1所示，多元紅外探測器參數(shù)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)平臺的參數(shù)

Tab.1 Parameters of laboratory platform

高度/m切斜角度/(°)轉(zhuǎn)速/(r/s)目標(biāo)尺寸/m21.73050.17×0.12

表2 多元紅外探測器參數(shù)

Tab.2 Parameters of multiple infrared detector

靈敏元尺寸/mm2元間隔/mm焦距/mm元數(shù)0.34×0.340.083910

3.1 算法有效性驗(yàn)證

本文從3個(gè)具有代表性的角度對本文所提方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其波形信號分別如圖7所示。圖7(a)是在目標(biāo)處于紅外視場中0°時(shí)采集到的波形信號，其2～9路探測單元探測到目標(biāo)信號。圖7(b)是在目標(biāo)處于紅外視場中45°時(shí)采集到的波形信號，其1～9路探測單元探測到目標(biāo)信號。圖7(c)是在目標(biāo)處于紅外視場中90°時(shí)采集到的波形信號，其4～9路探測單元探測到目標(biāo)信號。

針對圖7所示的三種情況分別進(jìn)行目標(biāo)尺寸解算，其解算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，將各路波形信號提取出的邊緣點(diǎn)進(jìn)行尺寸解算，解算出各路平行于掃描方向的目標(biāo)尺寸L1，以及垂直于掃描方向的目標(biāo)尺寸L2，然后利用多路間波形信號的時(shí)序關(guān)系解算出目標(biāo)所處紅外視場中的角度alpha，最后根據(jù)角度并結(jié)合高度計(jì)提供的實(shí)時(shí)高度信息快速解算目標(biāo)尺寸(邊長1，邊長2)。經(jīng)驗(yàn)證，本文所提基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法能夠有效計(jì)算目標(biāo)的尺寸，且相對誤差在5%之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的合理性。

表3 目標(biāo)尺寸解算結(jié)果

Tab.3 Results of target size calculating

參量所處視場中角度0°情況下計(jì)算所得尺寸(m)/角度(°) 45°情況下計(jì)算所得尺寸 (m)/角度(°)90°情況下計(jì)算所得尺寸(m)/角度(°)第1路L1(1)00.099 70第2路L1(2)0.124 60.129 30第3路L1(3)0.129 60.142 60第4路L1(4)0.135 80.156 80.172 8第5路L1(5)0.132 50.177 90.178 0第6路L1(6)0.127 70.137 00.172 1第7路L1(7)0.128 80.127 30.179 3第8路L1(8)0.122 70.113 00.178 0第9路L1(9)0.115 60.0920.172 3第10路L1(10)000L20.172 30.193 50.129 0alpha 3.0243.8290邊長10.127 20.120 20.175 4邊長20.169 10.162 20.126 8

對本文所提方法進(jìn)行目標(biāo)檢測試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測結(jié)果如表4所示。

由表4可知，目標(biāo)處于0°或90°時(shí)，目標(biāo)檢測概率達(dá)到96%以上；當(dāng)目標(biāo)處于45°時(shí)，目標(biāo)檢測概率達(dá)到92%以上。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法的有效性。

表4 目標(biāo)檢測結(jié)果

Tab.4 Results of target detection

角度/(°)試驗(yàn)次數(shù)檢測成功次數(shù)05050455047905049

3.2 算法實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

本文采用TMS320C6455(時(shí)鐘頻率為1 GHz)為硬件平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)性驗(yàn)證，文中所提出的基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法所需時(shí)間與傳統(tǒng)模板匹配方法所需時(shí)間在使用相同數(shù)據(jù)情況下進(jìn)行對比，傳統(tǒng)模板匹配方法所需時(shí)間3.2 ms，而本文所提出的基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法所需時(shí)間為0.532 ms，信號處理時(shí)間減少了80%。因此本文所提算法與傳統(tǒng)模板匹配方法相比速度快，耗時(shí)少，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的快速檢測。

4 結(jié)論

本文提出了基于尺寸解算的紅外目標(biāo)快速檢測方法，該方法的核心是對多元線陣探測器采集到的多路波形信號進(jìn)行邊緣點(diǎn)快速提取，并聯(lián)合各路時(shí)序關(guān)系以及高度信息對目標(biāo)尺寸進(jìn)行求解，實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)尺寸信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對紅外目標(biāo)的快速檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明：較傳統(tǒng)模板匹配方法，在目標(biāo)檢測概率不低于90%，尺寸計(jì)算相對誤差在5%以內(nèi)的基礎(chǔ)上，信號處理時(shí)間縮短了80%。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

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