高炮電視跟蹤系統(tǒng)對(duì)超低空目標(biāo)截獲概率仿真實(shí)驗(yàn)研究

史海龍，廖旭博，王晶晶，吳彥林

（1.中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì)，吉林 白城 137001；2.中國(guó)人民解放軍32200部隊(duì)，遼寧 錦州 121000）

引言

隨著防空武器技術(shù)的快速發(fā)展，高炮武器的作戰(zhàn)對(duì)象逐漸專注于低空、超低空目標(biāo)，如考核某型履帶式自行高炮和某型輪式自行高炮毀殲概率時(shí)，要求目標(biāo)高度為200 m，考核某型彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)對(duì)巡航導(dǎo)彈毀殲概率時(shí)，要求目標(biāo)高度50 m，因此對(duì)低空超低空目標(biāo)要重點(diǎn)考核。超低空目標(biāo)的特性影響高炮武器的多項(xiàng)性能，本文重點(diǎn)研究超低空目標(biāo)對(duì)電視跟蹤系統(tǒng)截獲概率[1-6]的影響。

電視跟蹤系統(tǒng)截獲概率通常通過(guò)實(shí)飛試驗(yàn)的方式考核。出于安全性考慮，目前高度800 m 以下目標(biāo)多采用靶機(jī)代替飛機(jī)，國(guó)內(nèi)的靶機(jī)以S-300 靶機(jī)低空性能最好，在海平面上低空飛行高度可以低至50 m，但在起伏地面上最低飛行高度為100 m～200 m，100 m 以下無(wú)法保證安全性，因此無(wú)法通過(guò)實(shí)飛試驗(yàn)的方法考核100 m 以下超低空飛行目標(biāo)的截獲概率。對(duì)高空目標(biāo)考核方法不可能代替對(duì)超低空目標(biāo)的考核，因?yàn)閷?duì)于超低空目標(biāo)考核時(shí)地面的影響不可忽略，比如地雜波對(duì)雷達(dá)的影響，地面圖像和目標(biāo)同時(shí)處于光電系統(tǒng)視場(chǎng)中對(duì)光電系統(tǒng)圖像處理的影響。

本文通過(guò)分析影響截獲概率的因素，搭建了軟件、硬件環(huán)境，建立了一種基于三維虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的高炮電視系統(tǒng)對(duì)超低空目標(biāo)截獲概率的試驗(yàn)方法。

1 仿真方法

1.1 試驗(yàn)方案

高炮武器系統(tǒng)首先通過(guò)搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后導(dǎo)引光電系統(tǒng)指向目標(biāo)，使目標(biāo)進(jìn)入光電系統(tǒng)視場(chǎng)，光電系統(tǒng)的視頻跟蹤器對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行圖像處理，如果可以穩(wěn)定地識(shí)別出目標(biāo)，則可認(rèn)為截獲成功。

從上述過(guò)程可以看出，光電系統(tǒng)的截獲概率主要取決于2個(gè)方面：一是雷達(dá)導(dǎo)引時(shí)，光電系統(tǒng)能否指向目標(biāo)，這取決于武器系統(tǒng)隨動(dòng)性能及光電系統(tǒng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)性能；二是目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)后，能否通過(guò)視頻跟蹤器的圖像處理算法識(shí)別出目標(biāo)。對(duì)于第一部分，本文通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方法可以解決；對(duì)于第二部分，由于激光測(cè)距機(jī)并不參與截獲過(guò)程，因此不需要實(shí)際目標(biāo)的回波，采用仿真方法向視頻跟蹤器輸入圖像進(jìn)行解決。

1.2 截獲死界計(jì)算

如果目標(biāo)的位置或運(yùn)動(dòng)速度超出了系統(tǒng)的跟蹤能力，則稱目標(biāo)進(jìn)入了系統(tǒng)的截獲死界[7-8]。設(shè)目標(biāo)做水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為v，航路捷徑為j，高度為h，目標(biāo)距航路捷徑點(diǎn)距離為d，可計(jì)算目標(biāo)斜距離為

目標(biāo)方位角為

目標(biāo)俯仰角為

目標(biāo)方位向角速度為

式中：rcosε為水平距離；vcosβ為垂直于水平距離的速度。截獲死界計(jì)算幾何原理圖如圖1所示。

圖1 幾何原理圖Fig.1 Geometric schematic

目標(biāo)俯仰向角速度為

設(shè)隨動(dòng)系統(tǒng)方位向最大角速度為ωβmax，俯仰向最大角速度為ωεmax；隨動(dòng)系統(tǒng)方位向可以360°無(wú)限制旋轉(zhuǎn)，俯仰向光電轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰范圍為el～eu。則ε、ωβ與ωε滿足下式時(shí)認(rèn)為目標(biāo)不在跟蹤死界內(nèi)，光電系統(tǒng)可以指向目標(biāo)，即：

在（6）式中僅考慮穩(wěn)定跟蹤情況以及隨動(dòng)系統(tǒng)方位向跟蹤角速度，不考慮加速度情況和光電轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤角速度，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)臺(tái)在方位向旋轉(zhuǎn)范圍有限，因此隨動(dòng)系統(tǒng)速度與光電轉(zhuǎn)臺(tái)速度不可疊加，否則不能在360°范圍跟蹤[9]。

1.3 目標(biāo)識(shí)別能力考核

目標(biāo)識(shí)別能力考核主要針對(duì)系統(tǒng)圖像處理能力進(jìn)行考核。本文采用半實(shí)物仿真方法進(jìn)行考核，主要包括以下3個(gè)部分：圖像生成器對(duì)圖像環(huán)境的構(gòu)建，視頻跟蹤器對(duì)圖像進(jìn)行處理，像素坐標(biāo)對(duì)角跟蹤精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

1.3.1 圖像環(huán)境構(gòu)建

圖像環(huán)境的構(gòu)建是通過(guò)建立三維虛擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的[10-13]。

首先對(duì)視場(chǎng)、倍率、視距進(jìn)行仿真，確定投影變換四棱錐，如圖3所示。

圖3 投影變換四棱錐Fig.3 Projection transformation for quadrangular pyramid

圖3中，O-ABCD為投影變換四棱錐，位于四棱錐之內(nèi)的目標(biāo)投影到面A′B′C′D′上。OI為四棱錐縱軸，長(zhǎng)度為視距，∠EOG為俯仰向視場(chǎng)角，∠FOH為方位向視場(chǎng)角。調(diào)節(jié)面A′B′C′D′的分辨率與視頻跟蹤器處理圖像的分辨率一致。

通過(guò)航路數(shù)據(jù)確定目標(biāo)坐標(biāo)，控制虛擬目標(biāo)在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中飛行。

最后控制四棱錐的縱軸指向搜索雷達(dá)測(cè)得的目標(biāo)坐標(biāo)。在光電系統(tǒng)未跟蹤到目標(biāo)時(shí)，高炮系統(tǒng)通過(guò)搜索雷達(dá)導(dǎo)引光電系統(tǒng)指向目標(biāo)，即通過(guò)搜索雷達(dá)確定目標(biāo)坐標(biāo)，控制光軸指向此坐標(biāo)。雷達(dá)與目標(biāo)的誤差可以通過(guò)誤差數(shù)學(xué)模型生成，或者通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定誤差。

1.3.2 視頻跟蹤器對(duì)圖像的處理

面A′B′C′D′上的圖像生成視頻后，可以通過(guò)圖4方法進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。

正常跟蹤過(guò)程中，電視跟蹤系統(tǒng)的白光跟蹤鏡指向目標(biāo)生成圖像，輸入視頻跟蹤器產(chǎn)生目標(biāo)的方位角和俯仰角。在本文方法中，為了使圖像被視頻跟蹤器處理，需要圖像注入設(shè)備。圖像注入設(shè)備取代白光跟蹤鏡向視頻跟蹤器輸入圖像，將虛擬試驗(yàn)場(chǎng)產(chǎn)生的視頻圖像輸入圖像注入設(shè)備，圖像注入設(shè)備根據(jù)白光跟蹤鏡和視頻跟蹤器之間的協(xié)議對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，按協(xié)議要求輸出圖像到視頻跟蹤器，圖像注入設(shè)備與視頻跟蹤器之間協(xié)議與實(shí)裝系統(tǒng)一致。視頻跟蹤器輸出目標(biāo)中心點(diǎn)像素坐標(biāo)或疊加了處理信息的視頻圖像。

圖4 仿真過(guò)程Fig.4 Simulation processing

1.3.3 截獲判定

得到疊加信息的視頻或像素坐標(biāo)后，可以從定性和定量?jī)煞矫娼y(tǒng)計(jì)[14-15]。觀看視頻可判定系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)跟蹤是否穩(wěn)定，可得到定性結(jié)果。像素坐標(biāo)可以對(duì)角跟蹤精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到定量結(jié)果，步驟如下：

1） 求目標(biāo)中心點(diǎn)像素坐標(biāo)與視場(chǎng)中心點(diǎn)像素坐標(biāo)偏差，用像素個(gè)數(shù)表示。

2） 確定目標(biāo)與視場(chǎng)中心點(diǎn)角度偏差。根據(jù)視場(chǎng)大小、像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以確定每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度。根據(jù)像素偏差可以確定角度偏差。

3） 確定目標(biāo)角度。根據(jù)視場(chǎng)中心點(diǎn)（光軸）角度和加偏差角度可得目標(biāo)角度。

4） 統(tǒng)計(jì)精度。用一幀的測(cè)量角度減去實(shí)際角度得到一次差，按照我國(guó)軍標(biāo)[6]方法統(tǒng)計(jì)精度。

得到跟蹤的一次差和總體誤差后，若誤差小于規(guī)定值，可判斷電視跟蹤系統(tǒng)截獲目標(biāo)，否則未截獲目標(biāo)。

2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)主要由圖像生成器和視頻跟蹤器測(cè)試工裝這兩部分組成。

圖像生成器包括模型構(gòu)建和模型驅(qū)動(dòng)兩部分，模型采用OpenFlight格式，用C++編程對(duì)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖像生成器設(shè)定好背景環(huán)境后，通過(guò)讀取航路數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)虛擬靶機(jī)在虛擬場(chǎng)景中飛行。

視頻跟蹤器測(cè)試工裝由圖像輸入設(shè)備、視頻跟蹤器和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備組成。圖像輸入設(shè)備將圖像生成器生成的視頻轉(zhuǎn)換為視頻跟蹤器接收的格式，視頻跟蹤器與武器系統(tǒng)的視頻跟蹤器功能一致，數(shù)據(jù)輸出設(shè)備輸出疊加的跟蹤信息視頻。視頻跟蹤器測(cè)試工裝和武器系統(tǒng)密切相關(guān)，本文中建立了某型輪式彈炮結(jié)合防空武器視頻跟蹤器測(cè)試工裝。

2.2 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

建立圖像生成器可以生成待測(cè)試視頻，作為測(cè)試用例，按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜順序設(shè)置。主要關(guān)注云（空中環(huán)境）、地物（地面環(huán)境）、引導(dǎo)雷達(dá)誤差。

2.2.1 平坦草原環(huán)境

目標(biāo)為F16 飛機(jī)，飛機(jī)做水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，高度30 m，航路捷徑200 m，速度200 m/s，從10 km外臨近飛行。引導(dǎo)雷達(dá)無(wú)誤差，背景為藍(lán)天，無(wú)云，平坦路面，地面為草地。高炮武器系統(tǒng)視場(chǎng)方位角4°，俯仰角3°，視距15 km，回轉(zhuǎn)中心（即圖2中O點(diǎn)）距離地面2.8 m。跟蹤視頻效果如圖5所示。

圖5 平坦無(wú)云環(huán)境Fig.5 Flat cloudless environment

2.2.2 城鎮(zhèn)環(huán)境

目標(biāo)為F16 飛機(jī)，水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，高度30 m，航路捷徑200 m，速度200 m/s，從10 km 外臨近飛行；引導(dǎo)雷達(dá)無(wú)誤差；背景為藍(lán)天，無(wú)云，村鎮(zhèn)環(huán)境；高炮武器系統(tǒng)視場(chǎng)方位角4°，俯仰角3°，視距15 km，回轉(zhuǎn)中心距離地面2.8 m。跟蹤視頻效果如圖6所示。

圖6 村鎮(zhèn)無(wú)云環(huán)境Fig.6 Cloudless environment in village

從圖6中可以看出，對(duì)于超低空目標(biāo)，樹木、電線桿、房屋等都可能進(jìn)入視場(chǎng)，也可能遮擋目標(biāo)，增加了目標(biāo)背景的復(fù)雜性。

2.2.3 復(fù)雜背景環(huán)境對(duì)光電跟蹤設(shè)備的影響

設(shè)置云對(duì)視頻跟蹤器的影響。目標(biāo)為F16 飛機(jī)，水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，高度30 m，航路捷徑200 m，速度200 m/s，從10 km 外臨近飛行；引導(dǎo)雷達(dá)無(wú)誤差；背景為藍(lán)天，有云，平坦路面，地面為草地；高炮武器系統(tǒng)視場(chǎng)方位角4°，俯仰角3°，視距15 km，回轉(zhuǎn)中心距離地面2.8 m。跟蹤視頻效果如圖7所示。

目標(biāo)為F16 飛機(jī)，水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，高度30 m，航路捷徑200 m，速度200 m/s，從10 km 外臨近飛行；引導(dǎo)雷達(dá)無(wú)誤差；背景為藍(lán)天，有云，村鎮(zhèn)環(huán)境；高炮武器系統(tǒng)視場(chǎng)方位角4°，俯仰角3°，視距15 km，回轉(zhuǎn)中心距離地面2.8 m。跟蹤視頻效果如圖8所示。

2.2.4 引導(dǎo)雷達(dá)與電視系統(tǒng)匹配性

引導(dǎo)雷達(dá)誤差決定了目標(biāo)是否在視場(chǎng)內(nèi)，通過(guò)本文方法可以考核引導(dǎo)雷達(dá)的指標(biāo)與電視跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)是否匹配。

設(shè)雷達(dá)誤差模型為平穩(wěn)時(shí)間序列模型。設(shè)系統(tǒng)距離誤差和隨機(jī)誤差為μr=0,σr=0，方位角系

圖7 平坦草原有云環(huán)境Fig.7 Flat environment with cloud

圖8 村鎮(zhèn)有云環(huán)境Fig.8 Cloud environment in village

統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差為μa=0,σa=0.4?，俯仰角系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差為μe=0,σe=0.4?，取樣間隔為10 ms時(shí)，距離、方位角、俯仰角誤差的相關(guān)系數(shù)相同，r=0.95。由于引導(dǎo)信息確定光軸指向，因此只需要角度誤差即可，距離誤差可取0。建立誤差序列如圖9所示。

圖9中橫軸表示共取2 000個(gè)點(diǎn)，縱軸表示距離、方位角和俯仰角單次標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為密位。以此誤差引導(dǎo)光電系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤。

圖9 雷達(dá)誤差Fig.9 Radar error

目標(biāo)為F16 飛機(jī)，水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，高度30 m，航路捷徑200 m，速度200 m/s，從10 km 外臨近飛行；背景為藍(lán)天，無(wú)云，平坦路面，地面為草地；高炮武器系統(tǒng)視場(chǎng)方位角4°，俯仰角3°，視距15 km，回轉(zhuǎn)中心距離地面2.8 m。跟蹤視頻效果如圖10所示。

圖10 引導(dǎo)雷達(dá)存在誤差環(huán)境Fig.10 Guided radar with error environment

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

建立測(cè)試用例后，本文方法在某型輪式彈炮結(jié)合防空武器試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

首先通過(guò)計(jì)算確定目標(biāo)不在跟蹤死界范圍內(nèi)，然后用圖像生成器生成三維仿真環(huán)境，用錄屏軟件采集下真彩視頻，視頻分辨率與武器系統(tǒng)中光電跟蹤系統(tǒng)采集的視頻一致，為256×256像素，視頻采用avi格式，avi 編碼為Microsoft Video 1。用視頻跟蹤器測(cè)試工裝的圖像注入設(shè)備，將真彩視頻轉(zhuǎn)換為視頻跟蹤器接收的格式，輸入到視頻跟蹤器中進(jìn)行處理，在處理過(guò)程中不發(fā)送截獲命令，最終得到疊加跟蹤信息的輸出視頻。

由于在彈炮結(jié)合武器的指標(biāo)中不包含對(duì)超低空目標(biāo)的考核，因此只采用圖5中定義的草原無(wú)云環(huán)境對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)在輸出視頻中觀察跟蹤狀態(tài)是否穩(wěn)定，定性確定是否可以截獲，視頻效果如圖11所示。從試驗(yàn)的輸出視頻可以看出，跟蹤框可以穩(wěn)定鎖定目標(biāo)。系統(tǒng)搜索目標(biāo)時(shí)，跟蹤框顯示為紅色，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時(shí)，跟蹤框顯示為綠色。因此定性認(rèn)為該武器光電跟蹤系統(tǒng)可以截獲圖5中定義的目標(biāo)。

圖11 目標(biāo)跟蹤效果示意圖Fig.11 Object tracking effect diagram

3 結(jié)論

本文針對(duì)高炮電視跟蹤系統(tǒng)目前無(wú)法通過(guò)實(shí)裝試驗(yàn)方式對(duì)超低空目標(biāo)截獲概率進(jìn)行考核的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)跟蹤死界模型，構(gòu)建仿真環(huán)境，生成圖像，將圖像輸入視頻跟蹤器，考核電視跟蹤系統(tǒng)的圖像處理能力，建立了一種考核電視跟蹤系統(tǒng)截獲概率的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于電視跟蹤系統(tǒng)的截獲概率只與圖像有關(guān)，因此可以通過(guò)仿真方法進(jìn)行考核。本文方法在某型輪式彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)試驗(yàn)中得到了應(yīng)用，驗(yàn)證了本文方法的有效性。