單信息條件引導(dǎo)下的光學(xué)設(shè)備搜索策略研究與實(shí)現(xiàn)

孟凡勝 周 磊 黃龍呈 徐慧娟

（中國(guó)人民解放軍63620部隊(duì)，酒泉735000）

1 前 言

所謂引導(dǎo)，就是以模擬量的方式為飛行器提供引導(dǎo)信息并進(jìn)行目標(biāo)捕獲的過程。對(duì)于飛行器的測(cè)量任務(wù)來說，測(cè)控設(shè)備的引導(dǎo)信息通常分為中心引導(dǎo)、程序引導(dǎo)和同站互引導(dǎo)等。這些引導(dǎo)信息中一般含有目標(biāo)的方位A、俯仰E及徑向距離R 等，能夠?qū)y(cè)控設(shè)備引導(dǎo)至某一明確的小型空域，以滿足引導(dǎo)測(cè)控設(shè)備快速搜索捕獲目標(biāo)的需求。

但在實(shí)際任務(wù)中，測(cè)控設(shè)備所獲取的引導(dǎo)信息并不完全包含以上信息，如只有方位A 和徑向距離R，目標(biāo)引導(dǎo)空域范圍較大，并不足以支持測(cè)控設(shè)備快速準(zhǔn)確搜索及捕獲目標(biāo)的需求。為區(qū)分不同類型的引導(dǎo)信息，通常將含有方位A 和俯仰E 的引導(dǎo)信息稱為完全信息條件引導(dǎo)；將只有方位A（含徑向距離R）或俯仰E（含徑向距離R）的引導(dǎo)信息稱為單信息條件引導(dǎo)。

在一次任務(wù)行動(dòng)中，某型光測(cè)設(shè)備就面臨了單信息條件引導(dǎo)的情況，即引導(dǎo)信息只有雷達(dá)的方位A 和徑向距離R 可以利用，難以對(duì)測(cè)控設(shè)備形成有效的引導(dǎo)信息，所以必須建立新的引導(dǎo)模型，才能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行有效的搜索和引導(dǎo)。

新的引導(dǎo)模型構(gòu)想是在收到單信息條件引導(dǎo)信息的方位A 和徑向距離R 后，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砬闆r和設(shè)備參數(shù)，給定預(yù)定目標(biāo)的初始俯仰E，并根據(jù)設(shè)備的精度設(shè)置搜索步長(zhǎng)；同時(shí)，設(shè)備保持隨方位A 轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定俯仰范圍內(nèi)進(jìn)行類似“之”字形掃描，掃描過程中一旦捕獲目標(biāo)，就可以開展正常跟蹤測(cè)量。

本文基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合單信息條件引導(dǎo)信息的方位A 和徑向距離R，開發(fā)了航跡預(yù)測(cè)軟件和搜索引導(dǎo)軟件，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了軟件的可靠性和實(shí)效性。隨著后續(xù)任務(wù)的多樣化發(fā)展趨勢(shì)，單臺(tái)設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的情況會(huì)逐年增多，及時(shí)研究各種情況下的引導(dǎo)搜索模式和方法，對(duì)于提高單臺(tái)設(shè)備的跟蹤能力，有著非常重要的實(shí)際意義。

2 目標(biāo)特性分析

在目標(biāo)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)中，目標(biāo)特性包括目標(biāo)回波信號(hào)特征、光譜成像特征、姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)特征、特征選擇與融合等，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的重要基礎(chǔ)。對(duì)于有引導(dǎo)信息條件下的光學(xué)設(shè)備搜索捕獲來說，目標(biāo)的成像大小和運(yùn)動(dòng)特征是與搜索捕獲密切相關(guān)的目標(biāo)特性。

2.1 成像大小

一般來說，根據(jù)目標(biāo)大小、目標(biāo)距離和設(shè)備參數(shù)，可以計(jì)算出目標(biāo)的成像大小。

2.1.1 識(shí)別條件

許多研究表明，在不考慮目標(biāo)本質(zhì)和圖像缺陷的情況下，用目標(biāo)等效條紋的分辨力來確定紅外熱像儀成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力，這就是約翰遜準(zhǔn)則。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，將視覺識(shí)別分為3 個(gè)層次：探測(cè)，識(shí)別和鑒別。當(dāng)判斷概率為50%時(shí)，目標(biāo)成像在探測(cè)器上所占探測(cè)器的像元數(shù)情況如表1 所示。

表1 依據(jù)約翰遜準(zhǔn)則的識(shí)別層次與像元數(shù)關(guān)系表

因此，在實(shí)際跟蹤中一般認(rèn)為，大于1～2 個(gè)像元能夠成像，大于4 個(gè)像元能夠探測(cè)目標(biāo)。

2.1.2 成像大小估算方法

成像大小估算需要的設(shè)備參數(shù)包括焦距f、像元數(shù)N、像元尺寸d、視場(chǎng)角FOV；目標(biāo)的環(huán)境參數(shù)包括目標(biāo)的大小尺寸、作用距離范圍、目標(biāo)在空中的飛行速度等。

設(shè)備空間識(shí)別率可采用瞬時(shí)視場(chǎng)角（IFOV）表示，是指?jìng)鞲衅鲀?nèi)單個(gè)探測(cè)元件的受光角度或觀測(cè)視野的大小，又稱為傳感器的角分辨率。

對(duì)于探測(cè)設(shè)備來說，IFOV為設(shè)備視場(chǎng)角與其選用的電荷耦合器件（CCD）像元數(shù)的比值。例如，某設(shè)備選用CCD的像元數(shù)為1024×768、視場(chǎng)角為1.24°×0.93°時(shí)，其空間識(shí)別率，即IFOV為：

目標(biāo)成像大小與IFOV密切相關(guān)，像元數(shù)的個(gè)數(shù)為：

式中，[m，n]為像元數(shù)的個(gè)數(shù)；[L，W]為目標(biāo)的長(zhǎng)寬尺寸；d 為目標(biāo)距離。

假設(shè)目標(biāo)截面為約1m2的正方形，在15～100km的測(cè)量距離內(nèi)，像元數(shù)的個(gè)數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同距離上目標(biāo)的成像大小計(jì)算結(jié)果

綜合參考計(jì)算結(jié)果，以及可見光、紅外系統(tǒng)的實(shí)際成像能力，可見光系統(tǒng)在60km 處對(duì)目標(biāo)的成像大小為1.9mm×1.9mm，近似可探測(cè)，因此可認(rèn)為設(shè)備能夠?qū)s60km 范圍內(nèi)的此類目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

2.2 目標(biāo)穿過視場(chǎng)時(shí)間

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征對(duì)搜索捕獲最大的影響因素是目標(biāo)穿過視場(chǎng)時(shí)間，其與設(shè)備視場(chǎng)范圍、目標(biāo)橫向速度分量和目標(biāo)距離相關(guān)。

例如，當(dāng)可見光方位和高低視場(chǎng)范圍為20′×16′、紅外視場(chǎng)方位和高低視場(chǎng)范圍為40′×30′時(shí)，在下列不同目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)的空域范圍，飛行橫向速度按60km/h（目標(biāo)預(yù)計(jì)速度為16.67m/s）計(jì)算，可以根據(jù)目標(biāo)的速度制定搜索策略，確定目標(biāo)的可能運(yùn)動(dòng)范圍，有效搜索并鎖定目標(biāo)。搜索飛出視場(chǎng)的時(shí)間（全視場(chǎng)）如表3所示。

表3 不同距離上目標(biāo)穿越視場(chǎng)時(shí)間計(jì)算

3 引導(dǎo)掃描速度計(jì)算

紅外系統(tǒng)拍攝頻率不同，對(duì)應(yīng)不同的掃描時(shí)間。例如，50 幀/s、100 幀/s 兩種頻率對(duì)應(yīng)的每幀時(shí)間為20ms、10ms。一般來說，設(shè)備的高低方向像元數(shù)為256 個(gè)，按照至少4 個(gè)像素作為判斷目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，可按每幀移動(dòng)4 個(gè)像元的速度進(jìn)行搜索。此外，引導(dǎo)掃描速度還必須滿足完成一個(gè)搜索周期的時(shí)間不大于目標(biāo)飛出視場(chǎng)的時(shí)間要求。

假設(shè)跟蹤的目標(biāo)高度在3～6km范圍內(nèi)，考慮低仰角的地物遮擋，掃描高度范圍可選取2～10km，則對(duì)應(yīng)于不同的距離，視場(chǎng)大小如表3所示。按照以上原則進(jìn)行掃描搜索，采用50幀/s的幀頻進(jìn)行圖像記錄，按照30′/s的搜索速度，從低到高掃描8km的俯仰范圍需要的時(shí)間如表4所示。從計(jì)算結(jié)果看，設(shè)置合適的搜索步長(zhǎng)能夠滿足“一個(gè)搜索周期的時(shí)間不大于目標(biāo)飛出視場(chǎng)的時(shí)間”的要求。

表4 8km掃描高度范圍對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角范圍和掃描時(shí)間

4 掃描方式描述

假設(shè)收到的雷達(dá)信息第一幀為A、R，則可以根據(jù)表4 數(shù)據(jù)選取參數(shù)，序列數(shù)據(jù)可以表述為（A，1°），（A，2°），…，（A，Emax）。

如果在這一周列中沒有捕獲到目標(biāo)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向和雷達(dá)的下一幀數(shù)據(jù)，將A1=A+δA，序列數(shù)據(jù)可以表述為（A+δA，Emax），…，（A+δA，2°），（A+δA，1°），δA 是下一個(gè)采樣點(diǎn)與上一個(gè)采樣點(diǎn)的差。

同理，也可以采取高低角不變，方位角變化的方式進(jìn)行搜索。按照方位角不變，俯仰角變化，設(shè)備掃描形成的軌跡如圖1 所示。

圖1 設(shè)備掃描形成的軌跡

5 效果分析

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，研究人員開發(fā)了航跡預(yù)測(cè)搜索軟件和程序搜索軟件，優(yōu)化引導(dǎo)儀搜索目標(biāo)策略，進(jìn)一步完善了搜索方案。通過實(shí)際驗(yàn)證，搜索方案科學(xué)合理，搜索自動(dòng)化程度大大提高。

5.1 目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)

根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)高度、速度和航向較穩(wěn)定的特征，研究人員研發(fā)了目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)搜索軟件，如圖2 所示。該軟件可以依據(jù)設(shè)備站址和目標(biāo)位置信息，預(yù)測(cè)生成目標(biāo)理論彈道。其中，目標(biāo)位置的經(jīng)緯度信息可以從指揮中心綜合態(tài)勢(shì)席位獲取，或者通過其它設(shè)備的方位信息和預(yù)估高度信息結(jié)合設(shè)備本身站址解算。

理論彈道的準(zhǔn)確性主要受目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和獲取目標(biāo)位置的準(zhǔn)確性影響，通過跟蹤多批次俯仰角為3°、飛行狀態(tài)較穩(wěn)定的民航飛機(jī)，充分驗(yàn)證了航跡預(yù)測(cè)搜索軟件的有效性和可靠性。

圖2 目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)軟件界面

5.2 程序引導(dǎo)搜索

基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方位角速度和俯仰角速度較小的條件，開發(fā)并優(yōu)化了搜索軟件，如圖3所示，該軟件具有按方位角搜索或按俯仰角搜索的2種搜索方式。方位角搜索范圍主要依據(jù)同站某雷達(dá)提供的方位信息，一般不超過5°；俯仰角搜索范圍主要參考某雷達(dá)提供的距離和高度估算，較準(zhǔn)確的俯仰值由目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)搜索軟件計(jì)算獲得，一般為1°～5°。搜索間距值的設(shè)置主要參考紅外相機(jī)視場(chǎng)、搜索路徑選擇和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。搜索速度的設(shè)置主要參考目標(biāo)方位角速度的變化情況，以及操作手發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后實(shí)施單桿引導(dǎo)跟蹤的熟練程度和反應(yīng)能力。

在測(cè)試跟蹤民航飛機(jī)過程中，光學(xué)設(shè)備均能準(zhǔn)確的根據(jù)同站某型雷達(dá)的指示信息捕獲目標(biāo)，充分驗(yàn)證了搜索掃描軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

圖3 搜索掃描軟件參數(shù)設(shè)置界面

5.3 典型跟蹤情況分析

根據(jù)同站某雷達(dá)通報(bào)的方位距離信息，光學(xué)設(shè)備迅速捕獲目標(biāo)，距離28km，保持穩(wěn)定跟蹤約35min，距離約60km。兩套設(shè)備跟蹤目標(biāo)的方位角度變化如圖4所示，最大方位角度差為3.8°，最小方位角度差為0.1°。通過對(duì)比，采用我們?cè)O(shè)計(jì)的搜索策略，光學(xué)設(shè)備可以快速鎖定并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，跟蹤精度得到有效提升。

圖4 光學(xué)設(shè)備跟蹤方位與某型雷達(dá)通報(bào)方位比較

6 結(jié)束語

本文通過預(yù)設(shè)的航跡預(yù)測(cè)和搜索軟件，實(shí)現(xiàn)了單信息條件引導(dǎo)下的目標(biāo)搜索引導(dǎo)功能，對(duì)于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和跟蹤記錄具有非常重要的意義。根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際情況和信息提供情況，能夠及時(shí)進(jìn)行模型修正，使探測(cè)設(shè)備更好地適應(yīng)單信息條件引導(dǎo)下的工作模式。