末敏彈多元紅外探測與目標識別定位方法研究

王丹妮，李 野，蔡文澤，孫 策

(1 長春理工大學(xué)理學(xué)院，長春 130022；2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；3 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，西安 710119)

0 引言

末敏彈是現(xiàn)代戰(zhàn)場中一種靈巧作戰(zhàn)武器，它利用探測器對地面目標進行掃描、探測、識別、定位，最終起爆戰(zhàn)斗部，命中目標。當(dāng)末敏彈下落到距離地面滿足射程的一定高度時，開始勻速下落且以一定的轉(zhuǎn)速對地面目標掃描探測，進行目標識別和定位。目標的有效識別和精確定位是實現(xiàn)精確打擊的先決條件。

現(xiàn)有末敏彈的探測器基本上采用單元紅外輻射計，利用目標和背景熱特性的不同，實現(xiàn)對目標的探測與識別，但這種方式缺乏目標的尺寸信息，定位精度不高。因此目前通過對目標尺寸的獲取實現(xiàn)對目標的精確打擊已成為末敏彈探測技術(shù)發(fā)展的重要方向。在此背景下，多元紅外探測及識別定位方法研究成為末敏彈探測技術(shù)研究的熱點。

為研究多元紅外探測器的目標識別和定位過程，建立了線陣紅外穩(wěn)態(tài)掃描模型，提出了一種多元紅外掃描探測及目標識別定位方法。通過仿真分析，比較了單元和多元紅外探測器識別定位能力，為末敏彈多元紅外探測及目標識別定位提供了基礎(chǔ)和有價值的參考。

1 線陣紅外掃描探測模型

1.1 末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描工作原理

末敏彈經(jīng)火炮發(fā)射后，飛行到指定區(qū)域上空，母彈開艙拋出子彈，末敏子彈減速減旋穩(wěn)定后進入穩(wěn)態(tài)掃描階段，穩(wěn)態(tài)掃描原理如圖1所示。

圖1 末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描原理

末敏彈以掃描角、轉(zhuǎn)速，下落速度對地面掃描，穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)下，可近似認為,,為常數(shù)。掃描間距為Δ，初始掃描位置為，初始位置與軸成角度，經(jīng)時間后為掃描螺線上的點，其坐標可表示為:

(1)

相鄰螺線的距離Δ為：

(2)

1.2 線陣紅外掃描探測方式

與單元掃描不同的是，線陣紅外掃描利用線性排列的紅外探測器同時掃描探測地面目標，如圖2所示，為線陣紅外探測器掃描線速度。

圖2 紅外線性陣列探測

單元紅外掃描只含有一條掃描線，掃上目標時產(chǎn)生目標幅值響應(yīng)，起爆戰(zhàn)斗部攻擊目標。單元掃描無法獲取目標尺寸信息，只能通過對目標溫度的幅值響應(yīng)排除偽目標。另外，單元掃描獲取的是一維尺寸信息，無法獲取目標的二維尺寸信息，無法實現(xiàn)目標定位。而多元紅外掃描可以獲取目標尺寸和方位信息，利用對溫度的幅值響應(yīng)和尺寸信息共同識別目標，提高偽裝目標的識別能力。

2 目標識別與定位方法

與單元紅外掃描不同的是，多元紅外掃描探測時，實時處理多路信號，從多路信號可以識別和定位目標，目標識別和定位算法如圖3所示。

圖3 目標識別與定位算法

線陣紅外探測器掃描探測目標，獲取目標信息，該過程如圖4所示，信號幅值變化如圖5所示。

圖4 多元紅外掃描過程示意圖

圖5 掃描信號幅值變化

以圖4(a)為目標未進入掃描區(qū)域時，只有地面輻射響應(yīng)，如圖5的區(qū)域所示；圖4(b)為目標部分進入掃描區(qū)域，邊緣探測元響應(yīng)，產(chǎn)生目標幅值響應(yīng)；圖4(c)為目標完全進入掃描區(qū)域。這時利用設(shè)置的幅值閾值(和分別為低高幅值閾值)檢驗?zāi)繕说捻憫?yīng)幅值是否在高低閾值的限定范圍，如圖5的區(qū)域所示。利用式(3)判斷該幅值響應(yīng)是否為待攻擊目標發(fā)出的。

(3)

多元掃描探測利用不同探測單元的響應(yīng)和時序關(guān)系判斷目標位置，當(dāng)邊緣探測單元探測到目標，而中心探測元未探測到目標時，如圖4(b)所示，這時并不起爆戰(zhàn)斗部，而是讓末敏彈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)目標熱區(qū)完全進入掃描區(qū)域時，如圖4(c)所示，利用每條探測信號的上升沿和下降沿時刻和各掃描信號的時序關(guān)系可以計算出目標的尺寸信息。判斷目標尺寸是否為預(yù)攻擊的目標尺寸，判斷準則如式(4)所示。

(4)

式中:假設(shè)目標熱區(qū)為正方形，為掃描計算出的目標熱區(qū)邊長；′為實際的目標熱區(qū)邊長；為計算出的目標熱區(qū)面積；′為實際的目標熱區(qū)面積；Δ、Δ無限趨近于0。當(dāng)滿足式(4)時，掃描計算出的目標熱區(qū)尺寸為待攻擊的目標熱區(qū)尺寸。

3 仿真與結(jié)果分析

對末敏子彈目標識別和定位算法進行仿真實驗。仿真中，固定子彈位置為坐標原點，子彈從初始120 m開始進入識別與定位過程，低于20 m停止掃描;目標熱區(qū)尺寸為1.8 m×1.8 m，目標中心等概率落在坐標原點周圍120 m×120 m的區(qū)域，子彈轉(zhuǎn)速為5 rad/s，落速為10 m/s，掃描角為30°，地面溫度為10°～15°。

3.1 目標識別仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉(zhuǎn)下落過程，各掃描6次，每次地面上放有一個典型目標，驗證單元和多元探測器的目標識別能力。典型目標熱區(qū)參數(shù)如表1所示，單元和7元仿真過程如圖6所示。

表1 目標熱區(qū)參數(shù)表

圖6 單元和多元探測器目標識別

表2為單元和多元探測器目標識別結(jié)果，從該表可以看出，單元探測器識別只能利用溫度閾值判斷目標真假，不能識別不同尺寸的偽目標，而多元探測器可以利用尺寸和溫度共同識別目標。

表2 單元和多元探測器識別結(jié)果

3.2 目標定位仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉(zhuǎn)下落過程，各掃描6次，每次地面上放有一個目標，驗證單元和多元末敏彈的定位能力。目標熱區(qū)中心坐標如表3所示，單元仿真和多元仿真過程如圖7所示。

表3 目標熱區(qū)中心

圖7 單元和多元末敏彈目標定位

表4為單元和多元探測器目標熱區(qū)定位結(jié)果。

表4 單元和多元探測器目標熱區(qū)定位結(jié)果

從表4可以看出，單元探測器定位能力差，掃描線掃到目標什么位置則定位到目標什么位置，然后起爆戰(zhàn)斗部；而多元探測器不同，當(dāng)多元探測器邊緣探測元探測到目標時，并不起爆戰(zhàn)斗部，允許目標熱區(qū)進入到多元探測器掃描的中心區(qū)域后再起爆戰(zhàn)斗部，提高了定位精度。

4 結(jié)論

文中建立了末敏彈線陣紅外掃描探測模型，提出了多元紅外掃描探測目標識別與定位方法，并對所提方法進行了仿真驗證和分析。仿真結(jié)果表明與一元紅外掃描探測相比，采用線陣紅外掃描探測可以獲取目標熱區(qū)尺寸，提高目標識別能力和定位精度。