光電測量系統(tǒng)在高速運(yùn)動目標(biāo)落點(diǎn)測量中的應(yīng)用研究

孫貴新

中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023

0 引言

擬建設(shè)的落區(qū)測量系統(tǒng)主要用于完成高速運(yùn)動目標(biāo)低高度段彈道、彈頭落水點(diǎn)位置的測量，具備獲取落區(qū)實(shí)況景象能力。

系統(tǒng)的主要功能如下：（1）系統(tǒng)具有外彈道測量、彈著點(diǎn)位置測量、實(shí)況觀測、數(shù)據(jù)綜合處理等基本功能；（2）系統(tǒng)能夠完成再入彈道10 km高度以下至彈著點(diǎn)的彈道測量任務(wù)，實(shí)時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)和事后生成高速運(yùn)動目標(biāo)外測量彈道；（3）系統(tǒng)能夠完成彈頭落水時(shí)刻和彈著點(diǎn)位置的測量任務(wù)，實(shí)時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)實(shí)時(shí)和事后生成彈頭落水時(shí)刻和彈著點(diǎn)位置參數(shù)；（4）系統(tǒng)能夠完成高速運(yùn)動目標(biāo)落區(qū)景象觀測；（5）系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理各測量手段的測量信息，生成基于各測量手段的彈道、落點(diǎn)參數(shù)；（6）系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y量手段測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，生成統(tǒng)一、完整、較精確的高速運(yùn)動目標(biāo)彈道和彈著點(diǎn)（預(yù)報(bào)）參數(shù)。

1 被測目標(biāo)的光學(xué)特性

1.1 結(jié)構(gòu)特性

測量對象為高速運(yùn)動目標(biāo)，因此長度、直徑、射程、飛行速度，以及末端彈頭長度、彈徑、型體、末速等特點(diǎn)都是可見光測量要重點(diǎn)考慮的問題。

1.2 紅外特性

高速運(yùn)動目標(biāo)在大氣層內(nèi)高速飛行，與大氣摩擦產(chǎn)生氣動熱，彈頭溫度相比背景溫度較高，彈頭溫度T的計(jì)算式如下[1]：

式中：T0為大氣溫度，K，同溫層大氣溫度為216 K（約為-57.15 ℃）；M為目標(biāo)速度，馬赫。

根據(jù)式（ 1），計(jì)算得到駐點(diǎn)溫度為1 951～2 483 K，隨著彈道高度進(jìn)一步降低，駐點(diǎn)溫度會繼續(xù)升高。一般試驗(yàn)實(shí)測高速運(yùn)動目標(biāo)的溫度在2 000 K左右，與公式計(jì)算值基本相符。

為了保留設(shè)計(jì)裕度，高速運(yùn)動目標(biāo)的表面溫度按1 000 K計(jì)算，紅外熱像儀實(shí)際工作波段按3.7～4.8 μm開展技術(shù)核算，目標(biāo)截面積取0.5 m×0.5 m，高速運(yùn)動目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度J的計(jì)算式如下[2]：

式中：J為紅外輻射強(qiáng)度；M為目標(biāo)速度；ds為目標(biāo)截面積；λ為紅外熱像儀實(shí)際工作波段；T為彈頭溫度。

分析高速運(yùn)動目標(biāo)紅外輻射特性，在彈頭末端飛行過程中，表面溫度應(yīng)不小于1 000 K，中波紅外輻射強(qiáng)度不小于800 W/sr。

1.3 運(yùn)動特性

高速運(yùn)動的彈頭從外太空再進(jìn)入大氣層后，由于大氣層空氣比較稠密，目標(biāo)頭部會形成激波，激波與頭部間的空氣溫度高達(dá)幾千攝氏度，致使彈頭防護(hù)層材料及周圍空氣電離，形成等離子鞘套和尾流。等離子鞘套又稱“黑障”，可以阻斷無線電通信[3]。目標(biāo)從高層大氣到低層大氣的飛行過程中，目標(biāo)散射面起伏變化，進(jìn)入黑障的高度與再入角、通信頻段等有關(guān)。頻段越高，進(jìn)入黑障的高度越低，出黑障的時(shí)間越早。在L-X波段的微波頻段，進(jìn)入黑障的高度是60～30 km，出黑障的高度為20～10 km。

為了提升落區(qū)測量設(shè)備對低高度段彈道和落點(diǎn)位置的測量精準(zhǔn)度，深入研究彈道末端彈道，完成高速運(yùn)動目標(biāo)末端三維軌跡和落點(diǎn)可達(dá)域?qū)崟r(shí)外推和更新，用于預(yù)報(bào)落點(diǎn)和引導(dǎo)落區(qū)設(shè)備完成落點(diǎn)測量。

2 光電測量系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

落區(qū)景象實(shí)況觀測主要依靠無人機(jī)機(jī)載光電載荷和無人水面平臺艇載光電載荷完成。無人機(jī)機(jī)載光電載荷分系統(tǒng)由無人直升機(jī)子系統(tǒng)、紅外/可見光跟蹤拍攝子系統(tǒng)、遙測引導(dǎo)跟蹤子系統(tǒng)、測控子系統(tǒng)、無人直升機(jī)艦面自主起降輔助子系統(tǒng)、綜合保障子系統(tǒng)等組成。

（1）無人直升機(jī)子系統(tǒng)。無人直升機(jī)子系統(tǒng)數(shù)量為2架，主要由機(jī)體結(jié)構(gòu)、旋翼單元、動力單元、航電單元、電氣單元和飛行控制單元等組成。其中，機(jī)體結(jié)構(gòu)由主機(jī)身和機(jī)身尾段組成。

（2）紅外/可見光跟蹤拍攝子系統(tǒng)。紅外/可見光跟蹤拍攝子系統(tǒng)數(shù)量為2套，主要包括光電轉(zhuǎn)塔、存儲記錄模塊、地面顯控設(shè)備及數(shù)據(jù)處理模塊等。其中，光電轉(zhuǎn)塔主要由紅外熱像儀、高速攝像機(jī)、穩(wěn)定平臺、高精度慣導(dǎo)、綜合控制單元、圖像處理模塊等組成。

（3）遙測引導(dǎo)跟蹤子系統(tǒng)。遙測引導(dǎo)跟蹤子系統(tǒng)數(shù)量為2套，主要由接收天線陣、頻率綜合器、多通道遙測信號接收機(jī)、信號處理機(jī)、電池及二次電源、監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理模塊等組成。

（4）測控子系統(tǒng)。測控子系統(tǒng)數(shù)量為2套，主要包括機(jī)載測控終端和船載測控站，其中，船載測控站可以嵌入集中控制分系統(tǒng)。機(jī)載測控終端為雙鏈路，由數(shù)傳電臺（2臺，點(diǎn)頻不同）、圖像傳輸電臺（1臺）、鏈路管理器及數(shù)據(jù)存儲記錄模塊等組成；船載測控站由控制臺、數(shù)傳電臺（2臺）、圖像傳輸電臺（1臺）、鏈路管理器及顯控單元組成。

（5）艦面自主起降輔助子系統(tǒng)。艦面自主起降輔助子系統(tǒng)數(shù)量為2套，主要包括著艦引導(dǎo)設(shè)備、艦船運(yùn)動預(yù)測模塊和著艦定位鎖緊裝置。其中，著艦引導(dǎo)設(shè)備提供準(zhǔn)確的艦機(jī)相對位置、姿態(tài)及艦船搖擺參數(shù)等；艦船運(yùn)動預(yù)測模塊可集成在集中控制分系統(tǒng)中，進(jìn)行艦船運(yùn)動預(yù)估，為無人直升機(jī)著艦決策提供依據(jù)；著艦定位鎖緊裝置采用成熟的魚叉-格柵（或電磁鐵著艦裝置），可以確保無人直升機(jī)在4級海況下安全降落。

（6）綜合保障子系統(tǒng)。綜合保障子系統(tǒng)數(shù)量為2套，主要由無人直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)與艦面顯控一體化方艙、艦面保障設(shè)備、手持電氣檢測終端、安全防護(hù)裝置、無人直升機(jī)飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備等組成。

2.2 系統(tǒng)工作原理

空中平臺主要為長續(xù)航時(shí)（不低于3 h）大載荷無人直升機(jī)，具備抗6級風(fēng)的能力，能搭載光電載荷、遙測導(dǎo)引設(shè)備及無線中繼通信設(shè)備。無人直升機(jī)平臺主要用于獲取高速運(yùn)動目標(biāo)落區(qū)水柱景象及色散劑景象，主要采用以下兩種形式獲取高速運(yùn)動目標(biāo)落區(qū)景象。

（1）依據(jù)理論彈道（或集中控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的測量彈道數(shù)據(jù)）控制飛行軌跡，結(jié)合無人機(jī)飛行姿態(tài)，調(diào)整搭載光電載荷指向，設(shè)置截獲屏，待捕獲彈頭后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)或采用遙測數(shù)據(jù)持續(xù)引導(dǎo)，完成彈頭飛行姿態(tài)影像獲取直至落水。

（2）機(jī)載遙測導(dǎo)引設(shè)備捕獲到彈頭后，實(shí)時(shí)引導(dǎo)光電載荷指向，捕獲跟蹤彈頭飛行彈道直至落水。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 彈著區(qū)無人測量技術(shù)

空中平臺選用無人直升機(jī)的光電吊艙完成落區(qū)景象實(shí)況拍攝。鑒于光電視場小，依據(jù)高速運(yùn)動目標(biāo)理論飛行彈道、母船轉(zhuǎn)發(fā)的彈道數(shù)據(jù)和機(jī)載遙測導(dǎo)引設(shè)備完成對落區(qū)景象的實(shí)況拍攝。根據(jù)理論彈道完成遠(yuǎn)距離引導(dǎo)，提前設(shè)置截獲屏，捕獲目標(biāo)后轉(zhuǎn)入程控引導(dǎo)；根據(jù)母船轉(zhuǎn)發(fā)的彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行中距離持續(xù)引導(dǎo)；遙測導(dǎo)引設(shè)備完成彈頭快入水時(shí)的精確引導(dǎo)。

考慮彈著區(qū)人員安全，為了提升落區(qū)平臺作業(yè)效率，采用水面無人和空中無人裝備，實(shí)現(xiàn)對彈著危險(xiǎn)區(qū)測量設(shè)備水面和空中快速機(jī)動布設(shè)。由單艇單機(jī)向集群跨度，實(shí)現(xiàn)集群控制，提升系統(tǒng)任務(wù)可用度。機(jī)載光電布設(shè)于落點(diǎn)區(qū)域上空，機(jī)動效果和拍攝視場較好，作為落區(qū)景象的實(shí)況拍攝的主要手段；水面無人平臺光電載荷作為補(bǔ)充，系統(tǒng)可以接入水面艦艇上的光電載荷視頻，艦載光電的優(yōu)勢在于受艇載重量限制較小，探測性能較強(qiáng)，能在更遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)彈道，尤其在目標(biāo)處于黑障區(qū)區(qū)域內(nèi)、遙測信號中斷后，通過艦載光電載荷可以實(shí)現(xiàn)在黑障區(qū)內(nèi)目標(biāo)的探測跟蹤、定位和引導(dǎo)。

采用經(jīng)過無人實(shí)裝設(shè)備驗(yàn)證的成熟技術(shù)能力，無人平臺自主航行能力強(qiáng)、自主執(zhí)行任務(wù)能力強(qiáng)；應(yīng)急預(yù)案全面，核心設(shè)備防護(hù)充分，數(shù)據(jù)保護(hù)措施和通信系統(tǒng)加密方案可靠，通過多重防護(hù)確保安全，提供可靠的海上無人裝備。

3.2 超快目標(biāo)實(shí)況景象觀測技術(shù)

針對落區(qū)彈道和彈頭入水實(shí)況觀測，采用無人平臺搭載光電載荷的方式。鑒于目標(biāo)飛行速度快，為使系統(tǒng)完成對快速目標(biāo)末端飛行和落水景象的觀測，無人平臺采用多平臺分布式布設(shè)，平臺上具備實(shí)時(shí)引導(dǎo)功能，并采用無線寬帶、衛(wèi)星通信雙平面?zhèn)鬏敊C(jī)制保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸。

優(yōu)化航跡起始的跟蹤波門算法，降低虛警率；情報(bào)處理軟件增加突現(xiàn)目標(biāo)判斷功能，集控設(shè)備增加目指數(shù)據(jù)解算模型、角速率信息快速解算模型，信息可以快速解算完成，引導(dǎo)光電設(shè)備穩(wěn)定跟蹤拍攝。

3.3 高速目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤技術(shù)

在光電實(shí)況光測分系統(tǒng)中，為了滿足拍攝高速目標(biāo)的要求，可見光/紅外攝像機(jī)應(yīng)具備對高速目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤能力，保證落區(qū)實(shí)況拍攝。

（1）用基于背景建模的運(yùn)動目標(biāo)檢測方法。采用基于背景建模的運(yùn)動目標(biāo)檢測方法，當(dāng)監(jiān)視場景的相機(jī)固定時(shí)，背景可以認(rèn)為幾乎保持不變。在這種情況下，場景中的運(yùn)動目標(biāo)會成為前景。為了提取這些運(yùn)動的前景目標(biāo)，首先需要對背景進(jìn)行建模，然后將當(dāng)前視頻幀的模型與背景模型進(jìn)行比較，以檢測前景物體。由于大部分情況下背景信息也會隨時(shí)間變化，采用動態(tài)背景模型，可以通過長時(shí)間的監(jiān)視場景來構(gòu)造這個(gè)模型。例如，采用定期更新背景模型的動態(tài)場景建模方法，通過計(jì)算背景的滑動平均值可以實(shí)現(xiàn)檢測，對像素計(jì)算均值時(shí)總是考慮接收到的最新值。

（2）CST算法。在地面復(fù)雜背景或天空云層的干擾下，基于目標(biāo)單一灰度特征的跟蹤算法常常會出現(xiàn)跟丟目標(biāo)或跟錯(cuò)目標(biāo)的現(xiàn)象，因此需要利用目標(biāo)的更多特征信息來有效地消除背景干擾。

CST算法結(jié)合了壓縮感知理論與半監(jiān)督學(xué)習(xí)理論，采用廣義Haar-like特征、隨機(jī)稀疏采樣、二值貝葉斯分類器的判別跟蹤算法。該算法使用的目標(biāo)外觀模型是基于目標(biāo)的廣義Haar-like特征空間（高維度）和壓縮感知稀疏采樣的線性投影空間（低維度）。采用壓縮感知稀疏采樣理論，可以保證使用少量隨機(jī)線性投影值時(shí)能夠保留目標(biāo)的大部分顯著特征信息。二值貝葉斯分類器是根據(jù)目標(biāo)（正）樣本和背景（負(fù)）樣本的特征進(jìn)行在線學(xué)習(xí)得到的，利用該分類器可以將當(dāng)前幀劃分為目標(biāo)和背景區(qū)域，并且能夠在跟蹤過程中不斷地更新目標(biāo)模型，適應(yīng)目標(biāo)尺度、姿態(tài)、光照等變化，如圖1所示。

圖1 CST算法框圖

CST算法跟蹤效果圖如圖2所示。在火箭發(fā)射中，跟蹤位置初始點(diǎn)選定為彈尾，跟蹤區(qū)域的設(shè)定有效排除了彈頭脫落物的干擾。在目標(biāo)出山后，由于太陽光照射，目標(biāo)本體上出現(xiàn)柱狀亮帶和點(diǎn)狀亮斑，如果采用相關(guān)跟蹤或波門內(nèi)亮目標(biāo)跟蹤，都會出現(xiàn)跟蹤點(diǎn)漂移，導(dǎo)致跟蹤點(diǎn)跳動。采用CST方法實(shí)時(shí)對正負(fù)樣本特征進(jìn)行學(xué)習(xí)更新，很好地解決了光照和目標(biāo)姿態(tài)變化帶來的跟蹤點(diǎn)不穩(wěn)定問題。

圖2 CST算法跟蹤效果圖

4 結(jié)束語

文章通過分析高速運(yùn)動目標(biāo)入水時(shí)的光學(xué)特性，論證落區(qū)景象實(shí)況拍攝主要依靠光學(xué)設(shè)備，認(rèn)證了通過空中無人機(jī)平臺搭載光電載荷完成實(shí)現(xiàn)對入水點(diǎn)位置的測量的可行性，分析了光電測量系統(tǒng)的組成及完成測量任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)方案，具有一定的參考價(jià)值。