一種導(dǎo)引頭性能可視化評估方法

胡小麗，張偉光，張思琪，張三喜，張玉倫，王曉華

(1.中國華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西 華陰 714200；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

引言

導(dǎo)引頭的性能對制導(dǎo)武器來說至關(guān)重要，在研制過程中需要對其性能進(jìn)行考核和評估。目前，常見的有激光制導(dǎo)、圖像制導(dǎo)、微波制導(dǎo)等。激光制導(dǎo)、微波制導(dǎo)的導(dǎo)引頭由于不具備可視化功能，在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行性能考核時(shí)，導(dǎo)引頭是否成功截獲指定目標(biāo)、截獲目標(biāo)后的穩(wěn)定跟蹤過程是否正常以及在穩(wěn)定跟蹤過程中出現(xiàn)的問題都不易得到及時(shí)、準(zhǔn)確的定位和分析。室內(nèi)仿真性能評估方法[1-2]與真實(shí)環(huán)境差異較大，室外掛飛方法[3]代價(jià)大，且不能提供姿態(tài)運(yùn)動；文獻(xiàn)[4-8]所述方法不普適于激光、微波制導(dǎo)等導(dǎo)引頭，在跟蹤異常時(shí)難以得到及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋。

文中設(shè)計(jì)的可視化隨動導(dǎo)引頭運(yùn)動方法可有效解決上述問題，利用可視化系統(tǒng)可將導(dǎo)引頭搜索、跟蹤目標(biāo)的過程清晰成像，直觀顯示導(dǎo)引頭的整個工作過程，同時(shí)利用圖像跟蹤系統(tǒng)和圖像存儲系統(tǒng)保存關(guān)鍵性能參數(shù)，試驗(yàn)完成后對導(dǎo)引頭的跟蹤性能進(jìn)行處理，對導(dǎo)引頭的性能參數(shù)進(jìn)行分析和評估。

1 可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要用于伴隨導(dǎo)引頭運(yùn)動，獲取可視化圖像和目標(biāo)實(shí)時(shí)脫靶量，用于開展對導(dǎo)引頭跟蹤性能、抗干擾性能的評估。

系統(tǒng)主要由導(dǎo)引頭、電視成像分系統(tǒng)、伺服轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、圖像存儲器、圖像跟蹤器、顯示控制分系統(tǒng)及輔助設(shè)備等部分組成。其中電視成像分系統(tǒng)、圖像跟蹤器、圖像存儲器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)組成在一起，使用時(shí)固定在轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)的俯仰軸上，作為轉(zhuǎn)臺的負(fù)載，可完成方位和俯仰兩個方向的運(yùn)動。

轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)和導(dǎo)引頭通過固定裝置固定在系統(tǒng)的安裝裝置上，它們與顯示控制分系統(tǒng)通過電纜連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig.1 System structure layout

2 試驗(yàn)場景設(shè)置

以搭載可見光系統(tǒng)的二維跟蹤轉(zhuǎn)臺的光電回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)O建立三維坐標(biāo)系,設(shè)定轉(zhuǎn)臺初始裝訂有效時(shí)刻為零時(shí)刻,此時(shí)所在的可見光光軸指向?yàn)閄軸方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸方向,按照右手系確定Z軸方向。靶標(biāo)可按照靜態(tài)或動態(tài)狀態(tài)設(shè)定，靶車形心為(X0,Y0,Z0)。為后續(xù)評估時(shí)間的同步性，在靶標(biāo)及二維跟蹤轉(zhuǎn)臺上均加裝GPS信號以實(shí)現(xiàn)定位定時(shí)功能。為實(shí)現(xiàn)有效評估，可見光視場須與導(dǎo)引頭視場實(shí)現(xiàn)有效匹配，初始跟蹤轉(zhuǎn)臺在最遠(yuǎn)作用距離以外，以一定速度在軌道上相對于靶車由遠(yuǎn)及近行進(jìn)，在行進(jìn)過程中對目標(biāo)施加遮蔽或干擾項(xiàng)，根據(jù)可視化圖像及脫靶量、轉(zhuǎn)臺輸出伺服數(shù)據(jù)以及導(dǎo)引頭輸出數(shù)據(jù)，對導(dǎo)引頭性能進(jìn)行定量觀察及定性分析。

圖2 試驗(yàn)場景設(shè)置Fig.2 Test scenario setting

3 可視化評估方法

無干擾狀態(tài)下通過有限的幾個特征點(diǎn)，通過可視化系統(tǒng)分析導(dǎo)引頭輸出數(shù)據(jù)正確性；同步分析導(dǎo)引頭與可視化圖像光軸的狀態(tài)關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)GPS輸出的轉(zhuǎn)臺及靶車位置，判斷導(dǎo)引頭輸出數(shù)據(jù)是否正常;另外為后續(xù)可見光與導(dǎo)引頭運(yùn)動狀況關(guān)聯(lián)奠定基礎(chǔ)。導(dǎo)引頭輸出數(shù)據(jù)驗(yàn)證主要包括框架角/視線角/視線角速度。

已知條件:可見光鏡頭回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)(Xc,Yc,Zc) 、由GPS位置推斷出導(dǎo)引頭的實(shí)時(shí)位置(XS,YS,ZS) 、機(jī)械軸中心坐標(biāo)(Xd,Yd,Zd),可見光光軸指向角(A,E)、可見光圖像及脫靶量(Δx, Δy)、導(dǎo)引頭視線角 (qA,qE)、視線角速度(wA,wE)以及框架角(AS,ES)。

待求證:導(dǎo)引頭輸出信息包括:框架角/視線角及視線角速度是否正確可靠。

1) 視線角及視線角速度輸出驗(yàn)證

以GPS測得的靶車中心及機(jī)械軸支點(diǎn)坐標(biāo),即為彈目連線;而本設(shè)計(jì)方案中,如圖1所示，導(dǎo)引頭無支撐轉(zhuǎn)臺,故運(yùn)動過程中,彈軸不動而導(dǎo)引頭運(yùn)動,故彈軸軸線可以設(shè)置為初始零度,視線角即為彈目連線，結(jié)果如圖3所示。而視線角速度即為視線角對時(shí)間的差分。

圖3 視線角示意圖Fig.3 Diagram of line-of-sight

a) 由GPS測得坐標(biāo)推算彈目連線

由機(jī)械軸中心坐標(biāo)(Xd,Yd,Zd)和靶車形心位置(X0,Y0,Z0),可以計(jì)算出導(dǎo)引頭至目標(biāo)連線(方位tA(t)和俯仰角tE(t))的指向。

(1)

據(jù)上面分析，彈軸即為初始零度,故上一步的彈目連線即為導(dǎo)引頭輸出的視線角，因?qū)б^輸出數(shù)據(jù)精度約為0.1°～0.2°，則下面等式允許相應(yīng)程度的誤差存在。另外，考慮導(dǎo)引頭傳輸延遲約為50 ms，故導(dǎo)引頭當(dāng)前視線角 (qA,qE)對應(yīng)50 ms以前的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)

b)對第一步獲取的視線角進(jìn)行時(shí)間差分，與導(dǎo)引頭輸出的視線角速度(WA,WE)相等。

(3)

2) 導(dǎo)引頭輸出框架角驗(yàn)證

(4)

圖4 導(dǎo)引頭與電視A角對比圖Fig.4 A-angle contrast diagram between seeker and TV

圖4所示為某型毫米波導(dǎo)引頭從空閑轉(zhuǎn)搜索再轉(zhuǎn)跟蹤，后至結(jié)束的過程，從圖4所示，兩者運(yùn)動趨勢完全一致，除了過渡階段出現(xiàn)個別大值外，差值基本在0.5°以內(nèi)，折算傳輸延遲及導(dǎo)引頭自身輸出精度考慮，可見光光軸可以反映導(dǎo)引頭光軸的運(yùn)動狀態(tài)。干擾狀況下綜合導(dǎo)引頭自身輸出及可視化圖像同步分析,并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示。

圖5 可視系統(tǒng)記錄的激光導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)和干擾目標(biāo)的過程Fig.5 Tracking and jamming processof laser seeker recorded by visual system

用可視化系統(tǒng)對某型激光導(dǎo)引頭的抗干擾性能進(jìn)行測試，從導(dǎo)引頭輸出框架角圖6(a)可分析出，導(dǎo)引頭初始處于空閑狀態(tài)，后進(jìn)入搜索狀態(tài)，維持某一數(shù)值并基本維持該狀態(tài)，后又進(jìn)入搜索狀態(tài)，再次維持某一狀態(tài)，最后至結(jié)束。結(jié)合可視化電視圖像及脫靶量分析，明顯可以看出導(dǎo)引頭首先處于零時(shí)位置，后發(fā)現(xiàn)激光光斑目標(biāo)后，快速轉(zhuǎn)至目標(biāo)處，并維持狀態(tài)；后視場內(nèi)出現(xiàn)干擾激光光斑，圖像開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，先在圖像中心小幅震蕩，后迅速轉(zhuǎn)自干擾激光光斑處；從圖6(b)脫靶量分析同步印證前面分析結(jié)果，初始零時(shí)無脫靶量輸出，后在轉(zhuǎn)向目標(biāo)過程中，逐步鎖定目標(biāo)，脫靶量由大變小，后幾乎在零值附近震蕩，至基本趨向穩(wěn)定；之后干擾激光光斑出現(xiàn)，脫靶量由小幅震蕩變?yōu)榇蠓秳?，后進(jìn)入搜索狀態(tài)，無脫靶量輸出，最后轉(zhuǎn)自干擾目標(biāo)過程中，脫靶量又由大變小，最后趨向零值。

通過電視脫靶量分析，對導(dǎo)引頭跟蹤或抗干擾性能進(jìn)行客觀綜合評估。

通過上述分析可知,可見光能很好地反映導(dǎo)引頭的運(yùn)動狀況,故可見光視角能較好地匹配導(dǎo)引頭的視角,通過統(tǒng)計(jì)分析可見光圖像的脫靶量,即可反映出導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的穩(wěn)定性和可靠性。為達(dá)到客觀綜合評判跟蹤結(jié)果，可采用動態(tài)誤差譜[9]方法，廣泛融合調(diào)和平均、幾何平均、算術(shù)平均和廣泛使用的均方根誤差，達(dá)到評估結(jié)果既不受小誤差值主導(dǎo)，又不受大誤差值主導(dǎo)的平衡結(jié)果。該方法尤其適用于多導(dǎo)引頭競標(biāo)試驗(yàn)性能比對。

圖6 干擾過程導(dǎo)引頭輸出與可見光電視脫靶量輸出圖Fig.6 Seeker output and visible TV miss distance output charts

4 結(jié)論

通過可視系統(tǒng)同步隨動導(dǎo)引頭運(yùn)動的評估方法，克服了室內(nèi)仿真不真實(shí)及室外掛飛代價(jià)高，且不能提供姿態(tài)運(yùn)動的不足，將導(dǎo)引頭跟蹤，抗干擾等場景直觀可視，所得圖像及相關(guān)數(shù)據(jù)可用于導(dǎo)引頭性能定性及定量評估，為導(dǎo)引頭性能評估提供了一種比較有效的中間手段。