摘 要：彈道目標(biāo)的翻滾運(yùn)動(dòng)特征是進(jìn)行彈道目標(biāo)識(shí)別比較有效的特征之一，對(duì)彈道目標(biāo)的翻滾運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析及其應(yīng)用研究，以期為彈道目標(biāo)識(shí)別算法的設(shè)計(jì)提供線索和參考。簡(jiǎn)要介紹了彈道目標(biāo)識(shí)別的相關(guān)原理，采用數(shù)據(jù)建模和計(jì)算機(jī)仿真的研究方法，基于目標(biāo)翻滾特征分析結(jié)論著重對(duì)圓柱體這類理想空間目標(biāo)模型在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下進(jìn)行了應(yīng)用研究，對(duì)觀測(cè)角度和抽樣點(diǎn)數(shù)的選取進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，并給出了結(jié)論。

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關(guān)鍵詞：目標(biāo)識(shí)別;翻滾特征;觀測(cè)角度;抽樣點(diǎn)數(shù)

中圖分類號(hào)：TP3919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0110104

Simulation Research Based on Target Rolling Character

Analysis in Ballistic Target Recognition

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TIAN Yan，CHANG Qing

(National University of Defence Technology，Changsha，410073，China)

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Abstract：Rolling movement character of ballistic target is one of effective characters for ballistic target recognition.Analysis and application research for the rolling movement character of ballistic target is in order to provide clue and reference for ballistic target recognition arithmetic design.It briefly introduces the correlative theory of ballistic target recognition and adopts research method of data modeling and computer simulation.Based on the analyzing conclusion of target rolling character，it emphasizes on the application research of cylinder in rolling movement gesture，cylinder is one kind of the ideal space target models.It not only detailedly simulation analyses the choosing of observation angle and the number of sampling points，but also gives conclusions.

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Keywords：target recognition;rolling character;observation angle;number of sampling points

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彈道目標(biāo)識(shí)別的探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)可能出現(xiàn)的目標(biāo)有自然目標(biāo)、人造目標(biāo)。自然目標(biāo)包括星際塵埃、紅外云團(tuán)和恒星體，自然目標(biāo)主要考慮恒星體的影響。人造目標(biāo)群中可能包括有彈頭、主動(dòng)釋放的誘餌、以及彈箭分離后產(chǎn)生的母艙和碎片目標(biāo)等。我們主要通過對(duì)人造目標(biāo)進(jìn)行建模，選取圓柱體這類理想空間目標(biāo)，基于目標(biāo)翻滾運(yùn)動(dòng)特征分析結(jié)論進(jìn)行應(yīng)用研究，以期為將來(lái)的研究提供線索和參考。

1 原理和研究方法

1.1 目標(biāo)識(shí)別機(jī)理

識(shí)別是對(duì)于差異而言的，沒有差異就沒有識(shí)別，有差異才有識(shí)別的可能。我們進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的通常做法是選定目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)特征，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，根據(jù)特征差異而進(jìn)行識(shí)別。比如，我們辨別兩個(gè)人，一般先是通過外貌特征進(jìn)行辨別，如果遇到長(zhǎng)得極為相像的兩個(gè)人，通過外貌特征難以辨認(rèn)的話，可以考慮通過說話聲音進(jìn)行辨認(rèn)，再難以辨別的話，可嘗試通過動(dòng)作特征，如果要求辨別更加精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)由機(jī)器辨別，可通過指紋鑒別，DNA鑒定等方式進(jìn)行辨別。其實(shí)，一般利用一項(xiàng)最顯著特征即可完成辨別，為了更加保險(xiǎn)起見，可采用多項(xiàng)特征融合識(shí)別。每一種目標(biāo)都具有多種特征，這些特征是包含在目標(biāo)信息中的，因此，對(duì)目標(biāo)信息的產(chǎn)生、目標(biāo)信息的獲取、目標(biāo)有效特征的選擇和提取的研究很有必要。

1.2 信息產(chǎn)生和獲取

現(xiàn)代電磁學(xué)理論認(rèn)為，地球上所有物質(zhì)都對(duì)外界輻射自己獨(dú)特的信息——某一部分的電磁波譜。信息經(jīng)過時(shí)空傳輸后被傳感器接收，再通過各種信息分離、提取、增強(qiáng)、融合、識(shí)別等手段最終可達(dá)到被應(yīng)用的目的?，F(xiàn)代化的信息獲取利用了多種技術(shù)手段，如電視傳真、遙感技術(shù)、光纖通信以及光學(xué)與光電子成像和雷達(dá)技術(shù)。對(duì)彈道目標(biāo)信息的獲取來(lái)說，其可利用的信息載體是整個(gè)電磁波譜——按波長(zhǎng)或頻率又可細(xì)分為長(zhǎng)、短波無(wú)線電波、微波、毫米波、紅外、可見光、紫外線直到X射線。本文的信息獲取手段是利用光學(xué)成像技術(shù)，采用光學(xué)探測(cè)器。

1.3 目標(biāo)有效特征的選擇

彈頭、誘餌、母艙和導(dǎo)彈碎片可能在大小、幾何形狀、表面材料、表面溫度及運(yùn)動(dòng)方式上存在差異，而這些差異又從不同方面影響目標(biāo)的成像特征。從理論上來(lái)看，通過這些特征差異就能識(shí)別出各種候選目標(biāo)。但是實(shí)際上在時(shí)間限制條件下，為了提高識(shí)別目標(biāo)的成功率，要求探測(cè)器能夠在遠(yuǎn)距離的情況下就能識(shí)別出最具威脅的彈頭目標(biāo)。探測(cè)器由單個(gè)敏感元陣列組成，目標(biāo)物體離探測(cè)器距離越遠(yuǎn)，目標(biāo)的有效輻射投射覆蓋到的敏感元數(shù)量也越少。當(dāng)候選目標(biāo)距離探測(cè)器較遠(yuǎn)時(shí)，他們?cè)谔綔y(cè)器上所成的像面積也較小，探測(cè)器沒有能力看到目標(biāo)物體的詳細(xì)細(xì)節(jié)。如果目標(biāo)物體距離探測(cè)器的距離足夠遠(yuǎn)，其有效輻射只落在一個(gè)敏感元上，那么此時(shí)目標(biāo)物體在探測(cè)器上就成為點(diǎn)目標(biāo)。點(diǎn)目標(biāo)沒有成像面積信息，光學(xué)探測(cè)器惟一可觀測(cè)的是對(duì)應(yīng)點(diǎn)目標(biāo)的光學(xué)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，因此所要開展的空間彈道點(diǎn)目標(biāo)的光學(xué)特性分析就是對(duì)所能獲得的目標(biāo)光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列著手，分析影響他們變化的各種因素，研究不同類型目標(biāo)光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列之間的差異，為目標(biāo)識(shí)別算法的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前，比較有效的特征為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特征和目標(biāo)的溫度特征。本文基于目標(biāo)翻滾運(yùn)動(dòng)特征分析結(jié)論進(jìn)行應(yīng)用研究。

1.4 研究方法

通常獲取空間彈道式目標(biāo)的光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列的方式有兩種，一是綜合考慮各種因素后對(duì)空間彈道目標(biāo)建立對(duì)應(yīng)的光學(xué)輻射理論模型，然后采用數(shù)值計(jì)算的方法求得空間觀測(cè)點(diǎn)位置處的光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列；二是采用外場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法獲得空間目標(biāo)的光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列。由于各種條件的限制，目前暫時(shí)還不能獲取用于空間彈道式點(diǎn)目標(biāo)光學(xué)特性分析的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬計(jì)算的方法是目前比較可行的獲取目標(biāo)光學(xué)強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)間序列的方法。

2 數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

反映目標(biāo)信息的數(shù)據(jù)是基于探測(cè)器點(diǎn)目標(biāo)計(jì)算模型產(chǎn)生的。由探測(cè)器點(diǎn)目標(biāo)計(jì)算模型可知，目標(biāo)對(duì)單個(gè)探測(cè)單元的總輻射通量不僅與目標(biāo)的形狀尺寸參數(shù)、外部光源和探測(cè)器觀測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，還與目標(biāo)表面的溫度、目標(biāo)與探測(cè)器的距離、探測(cè)器探測(cè)波段范圍、目標(biāo)在空間的姿態(tài)（決定了目標(biāo)表面單元的法向量）有關(guān)。

2.1.1 產(chǎn)生數(shù)據(jù)的公式及解釋

對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行分析，外部光源我們一般只需考慮太陽(yáng)光，而不考慮泛光或者其他外部點(diǎn)光源的影響。在本文的研究中，外部光源僅考慮太陽(yáng)光對(duì)探測(cè)元輻射通量的影響。基于探測(cè)器點(diǎn)目標(biāo)計(jì)算模型經(jīng)過簡(jiǎn)化整理后可得到整個(gè)目標(biāo)在單個(gè)探測(cè)元上的總輻射通量：

式中：ΔAS為微面元ΔS的面積；[WTHX]N[WTBX]S為微面元ΔS的外法矢量；[WTHX]V[WTBX]S為探測(cè)器視點(diǎn)O與微面元ΔS的中心點(diǎn)連線的單位矢量，這里稱為微面元ΔS的單位視矢量；[WTHX]N[WTBX]Q為成像焦平面的單位外法矢量；A0為單個(gè)探測(cè)單元的面積；RSO為探測(cè)器視點(diǎn)O與微面元ΔS中心點(diǎn)之間的距離；u為對(duì)目標(biāo)表面面積進(jìn)行了三維網(wǎng)格劃分后離散化的表面單元個(gè)數(shù)；ελ是微面元ΔS在λ1~λ2波段范圍內(nèi)的平均半球光譜發(fā)射率；F(θ，λ1，λ2)是輻亮度角系數(shù)函數(shù)，其中θ為輻射出射方向與微面元ΔS的外法矢量的夾角，λ1~λ2為光譜輻射波段范圍，F(xiàn)(θ，λ1，λ2)函數(shù)表示光譜輻射方向與表面法矢量夾角為θ的單位立體角光譜輻亮度與灰體光譜輻出度的比例關(guān)系，函數(shù)值域范圍為：0~1，可通過實(shí)際測(cè)量的方法來(lái)獲取目標(biāo)表面的輻亮度角系數(shù)函數(shù)；TS是微面元ΔS的平均溫度；c1是第一輻射常數(shù)，c2是第二輻射常數(shù)；ESun(λ1，λ2)是指太陽(yáng)光源在微面元ΔS上λ1~λ2波段范圍內(nèi)產(chǎn)生的光譜輻射照度；fr是雙向反射函數(shù)。

2.1.2 參數(shù)設(shè)置

為了研究圓柱體結(jié)構(gòu)的彈道目標(biāo)在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下對(duì)探測(cè)能量的影響，我們?cè)谔綔y(cè)器點(diǎn)目標(biāo)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算中設(shè)置如下參數(shù)：

圓柱體目標(biāo)幾何尺寸：底面半徑為05 m，高為15 m；目標(biāo)自旋角速度為2π/3 rad/s，進(jìn)動(dòng)角速度為2π/3 rad/s，翻滾角速度為2π/3 rad/s。探測(cè)器探測(cè)波段為8～12 μm，探測(cè)器與目標(biāo)的初始距離為300×1 000 m，目標(biāo)與探測(cè)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量為5 000 m/s，采樣時(shí)間間隔為：005 s，采樣時(shí)間為8 s。目標(biāo)初始溫度為300 K，目標(biāo)表面光譜發(fā)射率為06，材料比熱容為1 100 J/kg·K，材料密度為1 700 kg/m3，表面涂層厚度為0001 m。

后續(xù)的研究工作，將基于式(1)和上面的參數(shù)設(shè)置來(lái)獲取圓柱體結(jié)構(gòu)彈道目標(biāo)的光學(xué)強(qiáng)度時(shí)間序列值。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算機(jī)仿真所用軟件工具M(jìn)atlab中有如下幾種變換函數(shù)：離散傅里葉變換DFT、離散余弦變換DCT、Chirp z變換、Hilbert變換等，本文采用離散傅里葉變換DFT。

離散傅里葉變換DFT，即單位圓上的z變換，此變換使離散序列的描述和處理變?nèi)菀住ｋx散傅里葉變換對(duì)于有限長(zhǎng)序列不僅在理論上有重要的意義，而且在各種數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算方法中，越來(lái)越起到核心的作用。離散傅里葉變換有多種快速算法，本文采用快速傅里葉變換算法FFT。

FFT并不是一種新變換，只是DFT的一種快速算法。由于DFT的運(yùn)算量太大，很多年來(lái)一直沒得到應(yīng)用。直到1965年庫(kù)利和圖基等學(xué)者提出并完善的快速算法FFT，使DFT的運(yùn)算大大簡(jiǎn)化，從而使DFT在實(shí)際中真正得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

3 識(shí)別應(yīng)用過程中幾點(diǎn)問題研究

本文是基于目標(biāo)翻滾特征分析結(jié)論進(jìn)行應(yīng)用研究的。目標(biāo)翻滾特征分析結(jié)論為：探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在兩個(gè)或多個(gè)頻率上存在頻譜能量峰值，可作為判別目標(biāo)翻滾的有效識(shí)別特征。下面的仿真計(jì)算分析以此結(jié)論為標(biāo)準(zhǔn)。

理想空間目標(biāo)模型主要分為3類。一類是軸對(duì)稱幾何體，代表軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)的彈頭、與軸對(duì)稱外形相似的誘餌、廢棄母艙等；一類是薄板形目標(biāo)，代表發(fā)射碎片；最后一類是球體，代表球形的誘餌、球形目標(biāo)。彈道目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可分為3類：進(jìn)動(dòng)、自旋和翻滾。因篇幅所限，不能對(duì)所有類在所有運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的理想空間目標(biāo)進(jìn)行仿真分析。這里以軸對(duì)稱幾何體中的圓柱體在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下為例進(jìn)行仿真分析，其他情況可用類似的方法。

3.1 觀測(cè)角度的選取

這里觀測(cè)角度的定義為探測(cè)器視點(diǎn)和目標(biāo)對(duì)稱中心的連線與目標(biāo)翻滾軸所形成的角。為了更有效地識(shí)別存在特征差異的目標(biāo)，選擇合適的觀測(cè)角度能比較好地反應(yīng)差異；在可能的情況下，可以調(diào)整探測(cè)器的位置和方位以達(dá)到調(diào)整觀測(cè)角度。選取圓柱這一類理想空間目標(biāo)模型在不同觀測(cè)角度下進(jìn)行試驗(yàn)和分析；觀測(cè)角度分為0°，18°，36°，54°，72°和90°，并作仿真計(jì)算結(jié)果分析。以類似的方法對(duì)其他類在所有運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的理想空間目標(biāo)進(jìn)行仿真分析，可以得到在各種情況下比較理想的觀測(cè)角度和觀測(cè)角度范圍，并可進(jìn)行綜合分析，為探測(cè)器的可能調(diào)整提供參考和依據(jù)。

3.1.1 圓柱在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下及其FFT變換后的仿真計(jì)算結(jié)果

3.1.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

觀測(cè)角度在0°、18°時(shí)，能比較清楚地看出探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在三個(gè)頻率上存在頻譜能量峰值，觀測(cè)角度在36°、54°和72°時(shí)，能看出探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在頻率上存在頻譜能量峰值，但不能確定數(shù)量。觀測(cè)角度在90°時(shí)，看不出探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在非零頻率上存在頻譜能量峰值。相比較而言，觀測(cè)角度為0°時(shí)效果最好。下面抽樣點(diǎn)數(shù)的選擇是建立在圓柱體翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和觀測(cè)角度為0°的基礎(chǔ)上。

3.2 抽樣點(diǎn)數(shù)的選擇

在滿足能夠辨別的情況下，抽樣點(diǎn)要足夠少，因?yàn)閷?duì)處理時(shí)間是有要求的：整個(gè)識(shí)別過程是包含多個(gè)環(huán)節(jié)，包括圖像預(yù)處理、融合目標(biāo)檢測(cè)、融合目標(biāo)識(shí)別等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)需要相應(yīng)的處理時(shí)間，在總的時(shí)間要求越少越好的情況下，對(duì)任何環(huán)節(jié)采取有利于減少處理時(shí)間的嘗試都是有意義的，不過和許多工程實(shí)踐一樣，提高某項(xiàng)性能指標(biāo)往往會(huì)以犧牲其他一項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)為代價(jià)，因此在時(shí)間指標(biāo)和其他性能指標(biāo)上要找到一個(gè)平衡。這里所采用的辦法是在能清楚辨別出探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在兩個(gè)或多個(gè)頻率上存在頻譜能量峰值的前提下，盡可能減少抽樣點(diǎn)數(shù)。

圓柱體理想空間目標(biāo)模型在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下，選取觀測(cè)角度為0°，采用不同抽樣間隔作FFT變換?？偛蓸訒r(shí)間為8 s，基準(zhǔn)采樣間隔為005 s，由此可得基準(zhǔn)總點(diǎn)數(shù)為160點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，采取增大抽樣周期或采樣時(shí)間間隔的辦法進(jìn)行試驗(yàn)仿真比較分析，抽樣間隔分別為005 s，010 s，015 s，020 s，025 s，030 s和035 s，抽樣點(diǎn)數(shù)相應(yīng)為160點(diǎn)、80點(diǎn)、53點(diǎn)、40點(diǎn)、32點(diǎn)、27點(diǎn)和23點(diǎn)。

3.2.1 圓柱在翻滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下，觀測(cè)角度為0°，采用不同抽樣間隔作FFT變換后的仿真計(jì)算結(jié)果

3.2.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

抽樣間隔分別為005 s，010 s，抽樣點(diǎn)數(shù)相應(yīng)為160點(diǎn)、80點(diǎn)時(shí)，非常清楚地看出頻譜能量分布在3個(gè)頻率上存在頻譜能量峰值；抽樣間隔分別為015 s，020 s，025 s，抽樣點(diǎn)數(shù)相應(yīng)為53點(diǎn)、40點(diǎn)、32點(diǎn)時(shí)，雖然頻譜能量分布中間段有一些細(xì)微波動(dòng)，但仍能比較清楚地看出頻譜能量分布在3個(gè)頻率上存在頻譜能量峰值；抽樣間隔分別為030 s和035 s，抽樣點(diǎn)數(shù)相應(yīng)為27點(diǎn)和23點(diǎn)時(shí)，難以確定探測(cè)能量序列值的頻譜能量分布在頻率上存在頻譜能量峰值的數(shù)量。仿真計(jì)算結(jié)果表明，抽樣間隔越小，抽樣點(diǎn)數(shù)越多，經(jīng)過處理后的特征越明顯。相比較而言，抽樣間隔為005 s和010 s效果比較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于對(duì)識(shí)別精度和時(shí)間的實(shí)戰(zhàn)要求以及各種條件的限制，要實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)識(shí)別是不容易的，存在許多問題需解決，這個(gè)領(lǐng)域仍有大量的工作待思考和深入研究。本文是在現(xiàn)有技術(shù)限制條件下，在前人研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了應(yīng)用研究，試圖盡力去挖掘，以期為將來(lái)的研究提供線索和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張志勇.彈道導(dǎo)彈防御中的空間目標(biāo)光學(xué)特性仿真研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2006.

［2］周立偉.目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［3］張兵.圖像末制導(dǎo)信息處理系統(tǒng)中的點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別算法[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2005.

［4］高婷，孫鐵利.基于多Agent技術(shù)的彈道規(guī)劃[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(1)：20-21，28.

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作者簡(jiǎn)介 田  男，1982年出生，土家族，國(guó)防科技大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)與專用集成電路技術(shù)。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>