基于無傘旋轉(zhuǎn)掃描的復(fù)合探測技術(shù)研究

楊慶國，肖貴林，陳 軍

(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

21世紀(jì)，信息技術(shù)飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、超高速集成電路以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在彈藥技術(shù)發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用，彈藥已今非昔比，一批機(jī)理獨(dú)特、威力強(qiáng)大、頗具靈性的智能化彈藥將脫穎而出[1-4]。從戰(zhàn)場及目標(biāo)變化、平臺(tái)的發(fā)展等多方面因素，迫使研制一種靈巧彈藥。傳統(tǒng)的彈藥已經(jīng)不滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭需求[5-6]，必須發(fā)展具有自主探測、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的靈巧彈藥，使打擊目標(biāo)由面到點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效毀傷[7]。而當(dāng)前的末敏彈藥都是帶有減速傘系統(tǒng)，不僅增加了系統(tǒng)的體積和重量，而且在攻擊目標(biāo)的時(shí)候也會(huì)受到外部因素的影響?；诤撩撞ê图t外的復(fù)合探測技術(shù)[8]是末敏彈藥的核心技術(shù)，接收目標(biāo)區(qū)域內(nèi)物體的輻射信息，通過信號(hào)處理電路對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、變頻、檢波等處理，轉(zhuǎn)化為時(shí)域波形信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行特征值提取，通過信息決策算法和特征值閾值判定[9]，最終判斷被探測到的物體是否滿足目標(biāo)特性的遙感和探測技術(shù)。

為了提高抗風(fēng)干擾能力，并縮短掃描間距，增大掃描面積，降低目標(biāo)被遺漏的概率，采用一種新的無傘化的旋轉(zhuǎn)掃描方法，以提高末端敏感探測系統(tǒng)的性能，通過仿真分析和旋轉(zhuǎn)掃描試驗(yàn)，完成復(fù)合探測技術(shù)的應(yīng)用研究和驗(yàn)證。

1 復(fù)合探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合探測系統(tǒng)作為靈巧彈藥的核心單元，主要采用毫米波和紅外的雙模探測模式，將毫米波和紅外分別設(shè)計(jì)為獨(dú)立的信號(hào)通道，目標(biāo)信號(hào)在進(jìn)入信號(hào)處理電路之前均已通過A/D采樣電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。信號(hào)處理電路主要完成對(duì)紅外和毫米波信息的融合處理，進(jìn)行目標(biāo)特征值測定，并與目標(biāo)模板庫進(jìn)行特征比較，當(dāng)目標(biāo)波形識(shí)別判定目標(biāo)為“真”時(shí)，進(jìn)行目標(biāo)中心識(shí)別，輸出目標(biāo)識(shí)別結(jié)果。復(fù)合探測系統(tǒng)的硬件電路原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

由毫米波和紅外探測器獲取的模擬信號(hào)，進(jìn)行A/D變換，將連續(xù)的模擬量變換為離散的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)分析目標(biāo)波形的寬度為5 ms～15 ms，為了在信號(hào)峰值后的2.5 ms內(nèi)起爆，采用一次掃描準(zhǔn)則，必須在信號(hào)的半個(gè)周期時(shí)間內(nèi)完成全部識(shí)別工作，若要采樣點(diǎn)數(shù)到達(dá)100點(diǎn)，則采樣頻率應(yīng)為0.05 ms～0.15 ms， 采用5點(diǎn)滑動(dòng)平均，則選取的采樣頻率大于100 kHz。對(duì)采樣后的信號(hào)采用信號(hào)剔點(diǎn)、平滑等技術(shù)作預(yù)處理，由軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)，軟件架構(gòu)如圖2所示。復(fù)合信號(hào)特征參數(shù)信息融合處理一般有數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合三個(gè)層面的處理方法。根據(jù)本系統(tǒng)信號(hào)處理特點(diǎn)，采用決策層融合處理方法。選取信號(hào)能量、峰值、脈沖寬度等參數(shù)作為目標(biāo)特征量，采用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法，預(yù)先在各個(gè)交匯條件下對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、綜合，選取輸出信號(hào)的波形能量、寬度、峰值作為特征值，建立在不同高度下真目標(biāo)機(jī)兩類與真目標(biāo)近似的假目標(biāo)的特征庫，識(shí)別真假目標(biāo)。同比于單模識(shí)別方法，該方法具有良好的識(shí)別能力。

圖2 軟件架構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)拋射出去，在空中旋轉(zhuǎn)掃描，探測系統(tǒng)開始工作，探測器進(jìn)入既定距離，開始搜索目標(biāo)，信號(hào)處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，根據(jù)背景信號(hào)的變化，連續(xù)滑動(dòng)求取背景信號(hào)的平均電平，計(jì)算動(dòng)態(tài)門閾值，并不斷搜索目標(biāo)。當(dāng)信號(hào)處理器發(fā)現(xiàn)平滑處理后的采樣數(shù)據(jù)連續(xù)三個(gè)或五個(gè)點(diǎn)超過動(dòng)態(tài)門閾值，則進(jìn)行目標(biāo)特征值測定，并與目標(biāo)特征庫進(jìn)行比較，當(dāng)目標(biāo)波形識(shí)別判斷目標(biāo)為真時(shí)，進(jìn)行目標(biāo)中心識(shí)別。經(jīng)中心識(shí)別后，并根據(jù)延遲效應(yīng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)間補(bǔ)償，輸出發(fā)火信號(hào)。

2 無傘旋轉(zhuǎn)掃描特性分析

本文以70 m攻擊距離作為目標(biāo)識(shí)別最大距離，以30°作為掃描天頂角，以30 r/s作為彈藥穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出彈藥在1 s內(nèi)掃描的最大路徑為6 597 m；以主戰(zhàn)坦克作為典型目標(biāo)，其等效外形尺寸為3×6 m2金屬板，以短邊3 m作為最小目標(biāo)敏感路徑，可計(jì)算出探測器掃描該目標(biāo)的最短時(shí)間為0.455 ms?？紤]數(shù)字信號(hào)處理的需要，目標(biāo)信號(hào)采用的數(shù)據(jù)樣本不小于60個(gè)，每個(gè)樣本采用5點(diǎn)滑動(dòng)平均，則探測器采樣時(shí)間小于1.52 ns，即探測器采樣頻率大于660 kHz。在確保探測器采樣頻率的前提下，用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別等算法進(jìn)行分析比對(duì)。

目標(biāo)切向中心主要由毫米波確定，其判別方法采用最大幅度法，其判定誤差與掃描天線波速寬度有關(guān)。理論上，當(dāng)目標(biāo)投影面積與天線波束面積的占空比在0.2～1范圍內(nèi)，天線波速中心誤差為天線波束寬度的5～15%，以10%為例，目標(biāo)切向中心定位誤差為0.05，可知目標(biāo)切向中心定位誤差如表1所示。

表1 目標(biāo)切向中心定位誤差

由表1可見，隨著距離的增加，目標(biāo)切向中心定位誤差將增大，在距離150 m處，中心定位誤差可達(dá)到±0.55 m；在距離70 m處，中心定位誤差不大于±0.29 m。

復(fù)合探測系統(tǒng)吸引利用光軸掃描目標(biāo)時(shí)獲得的目標(biāo)信號(hào)波形的脈沖頂點(diǎn)，來判別目標(biāo)中心。下面分別從毫米波和紅外的掃描視場面積進(jìn)行分析。

以毫米波天線半功率波束寬度為4.2°時(shí)，在不同斜距上毫米波探測器視場面積如表2所示。

表2 毫米波探測器視場面積

以紅外探測器視場角為0.64°、以60°下視角掃描地面目標(biāo)時(shí)，在不同斜距上探測器視場面積如表3所示。

表3 紅外探測器視場面積

探測器視場直徑小，直接提高了徑向定位精度，可以認(rèn)為探測器有脈沖輸出時(shí)，波束中心己經(jīng)在目標(biāo)上。由于復(fù)合探測系統(tǒng)是由空中向地面進(jìn)行無傘旋轉(zhuǎn)掃描，其在地面的掃描路徑為其速度方向上平移的螺線，其掃描螺距與系統(tǒng)拋撒時(shí)的天向速度、水平速度以及拋撒點(diǎn)高度有關(guān)。

當(dāng)掃描線與目標(biāo)交匯時(shí)，在掃描線切線方向上，目標(biāo)處于掃描區(qū)域中心點(diǎn)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。因此對(duì)于目標(biāo)的切向中心點(diǎn)可以采用最大幅度法判定，其掃描過程圖如圖3所示。

圖3 掃描過程圖

目標(biāo)徑向中心可由掃描區(qū)域較小的探測器判定，當(dāng)掃描區(qū)域較小的探測器信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到既定閾值時(shí)，即可判定目標(biāo)在掃描區(qū)域靠近中心位置；如信號(hào)強(qiáng)度的峰值都不能達(dá)到閾值，說明目標(biāo)偏離徑向中心較遠(yuǎn)，不在掃描區(qū)域中心位置。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

本文利用高臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描試驗(yàn)，獲取在實(shí)際距離上對(duì)真實(shí)目標(biāo)探測的信號(hào)波形和識(shí)別信息。試驗(yàn)場地和布置如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)掃描試驗(yàn)構(gòu)圖

通過復(fù)合探測系統(tǒng)天線波束和光斑對(duì)地面金屬目標(biāo)的掃描探測，金屬目標(biāo)與地面產(chǎn)生的毫米波和紅外輻射溫度差由復(fù)合探測器接收，獲得目標(biāo)信號(hào)波形，經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，給出識(shí)別信號(hào)；掃描轉(zhuǎn)速、天線光軸與地面探測夾角等末敏探測可通過轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速及夾具調(diào)整。試驗(yàn)采用復(fù)合探測系統(tǒng)測試樣機(jī)裝于轉(zhuǎn)速可控的專用轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)速度實(shí)現(xiàn)模擬復(fù)合探測系統(tǒng)在空中的掃描搜索，并采用采集卡對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于仿真分析。本試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為4 r/s，天線主波束光軸與地面探測夾角為30°。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本文通過采集無傘旋轉(zhuǎn)掃描下的復(fù)合探測數(shù)據(jù)特征，分別從目標(biāo)探測試驗(yàn)、響應(yīng)能力試驗(yàn)、探測性能試驗(yàn)和信號(hào)判決試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

3.2.1 目標(biāo)探測試驗(yàn)

本試驗(yàn)可以通過有無目標(biāo)來對(duì)比分析探測性能。

無目標(biāo)信號(hào)試驗(yàn)是為了獲得無目標(biāo)狀態(tài)下探測系統(tǒng)底噪實(shí)測值。經(jīng)過試驗(yàn)，獲取的純背景下的信號(hào)特征如圖5(a)所示，圖中橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)(105)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)電壓值，從圖中可以分析出，對(duì)于無目標(biāo)純背景下的探測，信號(hào)基本呈現(xiàn)無規(guī)則性，探測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的峰值基本低于0.4 V，最大峰值在0.7 V左右。

圖5 信號(hào)特征對(duì)比圖

理想目標(biāo)信號(hào)試驗(yàn)是驗(yàn)證信號(hào)對(duì)目標(biāo)的存在性，經(jīng)過試驗(yàn)，獲取的理想目標(biāo)下的信號(hào)特征如圖5(b)所示，圖中橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)(105)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)電壓值，從圖中可以分析出，對(duì)于理想目標(biāo)下的探測，信號(hào)呈現(xiàn)出規(guī)則性，探測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的峰值基本在3.3 V左右。

可以看出，在無目標(biāo)的純背景狀態(tài)下，探測輸出信號(hào)基本呈現(xiàn)出無規(guī)則性，輸出數(shù)據(jù)基本在0.4 V～0.5 V之間；而在理想目標(biāo)信號(hào)狀態(tài)下，輸出信號(hào)已經(jīng)飽和(大于3.3 V)。由此可見，紅外敏感器擁有較大的目標(biāo)信號(hào)探測空間2.8 V。

3.2.2 響應(yīng)能力試驗(yàn)

本試驗(yàn)是為了分析驗(yàn)證探測系統(tǒng)的響應(yīng)頻率。獲取的毫米波輸出信號(hào)、紅外輸出信號(hào)和目標(biāo)識(shí)別輸出信號(hào)數(shù)據(jù)如圖6所示，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)(105)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)電壓值(V)。

圖6 信號(hào)特征圖

可以看出，在復(fù)合探測系統(tǒng)工作過程中，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于16×105。以轉(zhuǎn)臺(tái)4 r/s的轉(zhuǎn)速，每秒掃描4次目標(biāo)，即采集4個(gè)尖峰波形的時(shí)間為1 s。從圖中看出，4個(gè)尖峰完整波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)為10 000個(gè)， 即可得知探測系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)輸出頻率為10 kHz。

高度100 m時(shí)掃描目標(biāo)的時(shí)間為1.27 ms；高度50 m時(shí)掃描目標(biāo)的時(shí)間為2.22 ms；高度30 m時(shí)掃描目標(biāo)的時(shí)間為3.5 ms；高度20 m時(shí)掃描目標(biāo)的時(shí)間為5 ms。

取最大高度100 m下的掃描時(shí)間最短，即為1.27 ms。 在10 kHz的信號(hào)輸出頻率下，探測系統(tǒng)掃描目標(biāo)時(shí)，能產(chǎn)生12.7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取整后可得12個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠滿足目標(biāo)信號(hào)特征的判定要求。

3.2.3 探測性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)是為了驗(yàn)證探測系統(tǒng)在100 m距離上的探測能力，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)字仿真分析。

在高臺(tái)試驗(yàn)前驗(yàn)證紅外探測器探測距離是否能夠達(dá)到100 m，需要考慮等效后的紅外輻射能量是否能滿足最小可檢測能量。為了驗(yàn)證紅外探測器接收到的目標(biāo)信號(hào)能量與距離之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一系列室內(nèi)測試試驗(yàn)，主要針對(duì)14×10 cm2鐵板在1 m～5 m之間每隔0.5 m采用已調(diào)好的紅外探測器測試，得到如下結(jié)果：在距離小于1 m時(shí)，紅外探測器接收到的能量與距離大致成反比；在距離大于1 m時(shí)，紅外探測器接收到的能量與距離的平方大致成反比。從而得出探測角度與紅外輻射能量之間的關(guān)系，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，可以算出實(shí)際探測100 m高度，方向角27°條件下和現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)43 m探測距離，方向角53°條件下，接收能量之間的關(guān)系，見表4。

表4 探測距離和能量關(guān)系

理想情況下，兩種方向角探測，探測器接收到同一目標(biāo)輻射信號(hào)之比為2.69。探測距離112 m與43 m的能量比值為0.27。以本試驗(yàn)43 m的距離推算到112 m距離，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)減小到原來的0.27 倍。因此，在112 m斜距，27°方向角探測下，其獲取到的信號(hào)強(qiáng)度是43 m斜距，53°方向角探測獲取信號(hào)強(qiáng)度的倍數(shù)為0.73，將該值轉(zhuǎn)換成幅度倍率，其值為0.53倍。

本試驗(yàn)是為了輔助分析探測距離及接收能量強(qiáng)度，采用試驗(yàn)項(xiàng)3.2.2小節(jié)的數(shù)據(jù)分析可知：43 m探測距離上紅外敏感器回波基本大于1.1 V。

取最小值進(jìn)行縮比計(jì)算，可得112 m探測距離上回波強(qiáng)度為0.58 V。

通過上述可知在100 m高度，方向角27°，112 m斜距下，回波強(qiáng)度為0.58 V，考慮底噪在0.4 V左右，具有信號(hào)有效識(shí)別的幅值空間。

3.2.4 信號(hào)判決試驗(yàn)

本試驗(yàn)是為了驗(yàn)證復(fù)合探測系統(tǒng)對(duì)于信息融合判決的能力。經(jīng)過試驗(yàn)，獲取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)特征如圖7所示，圖中上部分為毫米波輸出信號(hào)，中間部分為紅外輸出信號(hào)，下部分為目標(biāo)識(shí)別輸出信號(hào)。橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)(105)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)電壓值(V)。

從圖7中可得出，探測系統(tǒng)在其工作期間，針對(duì)試驗(yàn)理想目標(biāo)，能在單位時(shí)間內(nèi)完成4次目標(biāo)判決，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4轉(zhuǎn)/s的條件，以此說明探測系統(tǒng)擁有能夠正常判別目標(biāo)的能力。

圖7 信號(hào)特征圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于無傘旋轉(zhuǎn)掃描的復(fù)合探測技術(shù)方法。該方法通過搭建系統(tǒng)高臺(tái)，采集無傘旋轉(zhuǎn)掃描下的復(fù)合探測數(shù)據(jù)特征，并通過對(duì)目標(biāo)探測、響應(yīng)能力、探測性能和信號(hào)判決進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法有效地提高了無傘靈巧彈藥的探測能力，為靈巧彈藥系統(tǒng)的自主探測、精確打擊提供了有力的支撐。