潘太玉， 張順法， 馬惠敏

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009）

0 引言

激光引信利用激光束探測目標(biāo)，具有對空中目標(biāo)進(jìn)行全向探測的能力，是一種先進(jìn)的主動式近炸引信［1］。激光引信具有方向性強(qiáng)、距離分辨率高、對電磁干擾不敏感等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在空空導(dǎo)彈中。但現(xiàn)今的激光引信也存在一些不可忽視的問題，特別是空氣懸浮粒子后向散射、超低空地物背景雜波干擾對回波信號的不利影響，降低了激光引信的抗干擾能力［2］。這個問題的解決途徑之一就是通過引信對目標(biāo)形體進(jìn)行成像探測。國內(nèi)在空空導(dǎo)彈激光引信的研制過程中，已經(jīng)采用分光技術(shù)實現(xiàn)了引信周向分辨率的提高，但是距實現(xiàn)目標(biāo)形體成像探測仍有較大的差距，難以達(dá)到通過圖像識別來區(qū)分目標(biāo)與干擾的目的。

本文介紹了一種能夠提升激光引信抗干擾能力的激光成像引信技術(shù)，并概述了激光成像引信的基本工作原理，詳細(xì)闡述了一種適用于激光成像引信系統(tǒng)的成像仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)的方法。

1 激光成像引信技術(shù)

成像已成為當(dāng)前國內(nèi)外引信探測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向［3］。它能使引信獲得目標(biāo)的二維圖像并進(jìn)行處理與識別，因而與現(xiàn)有激光引信相比，它具有更好的抗干擾能力，可滿足引信對成像實時性與識別精確性的要求，有利于改善引戰(zhàn)配合性能，提高對目標(biāo)的毀傷效果。目前，國外發(fā)達(dá)國家紛紛開展激光成像探測技術(shù)的研究工作，如瑞典國家防衛(wèi)研究所已經(jīng)完成直接探測三維距離激光成像仿真，正在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計和工程研究［4］。

要實現(xiàn)激光引信的成像，探測方式大致可有以下幾種：

a）高密度多元環(huán)視探測；

b）光機(jī)掃描探測；

c）電光掃描探測；

d）多象限陣列探測等。

由于多象限陣列探測成像方式具有高周向分辨率、高掃描頻率、易于實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，本文中介紹的激光成像引信采用該種方式實現(xiàn)對目標(biāo)形體的圖像探測，實現(xiàn)周向不低于96元分辨率的激光引信成像探測。

系統(tǒng)功能原理圖如圖1所示。其工作原理：發(fā)射采用分時掃描方式，6象限激光光源按照60 k Hz的重復(fù)頻率輪流發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)整形為視野角為60°的薄扇形光束，經(jīng)發(fā)射窗口發(fā)射出去，遇到目標(biāo)后，來自目標(biāo)不同部位的后向散射信號經(jīng)引信的成像光學(xué)系統(tǒng)匯聚到APD的對應(yīng)單元上，完成一次掃描后，各個象限的對應(yīng)的像點(diǎn)組合成一行圖像，隨著彈目交會的進(jìn)行，得到的圖像行數(shù)不斷增多。接收到的目標(biāo)多元回波脈沖信號由小型高速信號處理識別器處理，輸出引炸信號。

激光成像引信技術(shù)，利用激光束掃描目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射形成激光回波二維圖像，通過圖像處理算法來區(qū)分目標(biāo)與干擾，可以有效提高激光引信的抗干擾能力，尤其是抗懸浮粒子后向散射干擾的能力。通過建立激光成像引信系統(tǒng)的仿真軟件平臺可以獲得豐富的圖像數(shù)據(jù)，對于目標(biāo)識別算法和激光成像引信技術(shù)的研究都具有重要意義。

圖1 多象限陣列探測成像激光引信電原理圖

2 仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)

激光引信通過接收自身發(fā)出的激光束經(jīng)目標(biāo)表面產(chǎn)生的反射回波信號形成目標(biāo)圖像［5］。成像機(jī)理如圖2所示。激光發(fā)射與接收系統(tǒng)裝配于彈頭后部，具有360°視場，激光束垂直于彈體發(fā)射，vp和vm分別為飛機(jī)和導(dǎo)彈的飛行速度，Δa為接收元的視場角。

圖2 激光引信成像原理

假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)共有m個接收元，每個接收元Rx有n路輸出，一周可獲取的掃描點(diǎn)數(shù)為m×n，即圖像列數(shù)。

彈目交會過程中，假設(shè)t1時刻導(dǎo)彈處于空間位置d1，此時機(jī)身A部分進(jìn)入引信視場，回波信號被接收元R1接收。經(jīng)過Δt時間后，導(dǎo)彈處于空間位置d2，此時機(jī)身A部分退出引信視場，機(jī)身B1、B2、B3部分進(jìn)入引信視場，相應(yīng)的回波信號分別被接收元R2、R1、Rn接收，以此類推，直至目標(biāo)完全退出引信視場。這樣，在彈目交會過程中，通過對目標(biāo)的掃描即可獲得目標(biāo)的二維形體圖像。

2．1 成像探測系統(tǒng)仿真模型

激光發(fā)射器安裝在彈體中部，圍繞彈體一周，有多個等效的激光發(fā)射器，如圖3所示。經(jīng)由光學(xué)鏡頭展寬后，每一個激光發(fā)射器發(fā)出的激光將形成一定角度的薄扇面。據(jù)此，根據(jù)導(dǎo)彈模型參數(shù)，計算安裝部彈體的半徑，忽略發(fā)射器本身尺寸，將其簡化成為一個圓環(huán)。將發(fā)射曲面離散為一系列的發(fā)射線，即把激光發(fā)射器認(rèn)為是一系列的點(diǎn)發(fā)射器，然后計算發(fā)射線與目標(biāo)模型曲面的交線。

圖3 激光發(fā)射器示意圖

飛機(jī)圖像的獲取，主要是根據(jù)線列探測器的物理特性，在反射能量和二值圖像之間建立一個模擬接收器響應(yīng)的閾值函數(shù)。

在彈體一周，同樣有數(shù)目與發(fā)射器相同的等效線列接收器，每個線列接收器有32路信號輸出，如圖4所示，每一路輸出只對以某一特定角度范圍入射的激光有效。由此，將線性陣列探測器等效為一系列的點(diǎn)接收器，位置可認(rèn)為與點(diǎn)發(fā)射器重疊。

圖4 單一線列接收器示意圖

2．2 目標(biāo)圖像的生成

為得到更為真實的目標(biāo)表面特性，本文采用目標(biāo)飛機(jī)的真三維網(wǎng)格模型，該模型由1 173個三角面片、2 500多個頂點(diǎn)組成的，可以較好地反映目標(biāo)表面的反射特性。在VC環(huán)境下對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)處理后，利用OpenGL接口函數(shù)可以得到如圖5所示的可視化三維網(wǎng)格模型。

圖5 目標(biāo)三維網(wǎng)格模型

2．2．1 彈目交會建模

彈目交會模型是進(jìn)行計算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行計算機(jī)仿真前必須建立彈目交會的數(shù)學(xué)模型。綜合考慮計算復(fù)雜度和仿真效率等因素，對彈目交會運(yùn)動過程作如下假設(shè)：

a）忽略導(dǎo)彈彈體、目標(biāo)機(jī)體上存在的震動力、大氣中的風(fēng)力和地球引力等因素對導(dǎo)彈和目標(biāo)運(yùn)動所產(chǎn)生的影響；

b）導(dǎo)彈彈體和目標(biāo)機(jī)體上各質(zhì)點(diǎn)的速度矢量均等同于各自整體運(yùn)動的速度矢量；

c）彈目距離較近，可認(rèn)為目標(biāo)和導(dǎo)彈各自獨(dú)立地作勻速直線運(yùn)動。

以上三項假設(shè)在工程計算中是合理的，基本不影響仿真結(jié)果。在此前提下，按下述方法建立了彈目交會的數(shù)學(xué)模型。

（1）建立SKS交會模型

設(shè)目標(biāo)速度矢量為vM，導(dǎo)彈速度矢量為vD，分別過目標(biāo)速度矢量vM、導(dǎo)彈速度矢量vD作一對互相平行的平面U和V，目標(biāo)上某一反射面的中心位于空間一點(diǎn)F，激光引信回波接收窗口中心位于空間一點(diǎn)D，當(dāng)視線DF與導(dǎo)彈軸線夾角為某規(guī)定值β時，則將此時所對應(yīng)的時刻規(guī)定為彈目交會時間坐標(biāo)的原點(diǎn)T1。T1時刻過F作一平面P與導(dǎo)彈運(yùn)動直線垂直，垂足O定為空間直角坐標(biāo)原點(diǎn)。導(dǎo)彈速度矢量方向與Z軸正向一致，Y軸在P面內(nèi)與U垂直，正方向指向U平面，X軸正向由右手定則來判定。時間坐標(biāo)軸T與空間坐標(biāo)軸Z軸重合且方向一致。這就建立起了以導(dǎo)彈和目標(biāo)兩個速度矢量（S）為參照物的空間（K）、時間（S）彈目交會模型，簡稱SKS模型，如圖6所示。

圖6 SKS交會模型

（2）坐標(biāo)變換

一般情況下，模型數(shù)據(jù)及彈目交會的運(yùn)動參數(shù)都是在世界坐標(biāo)系下給出的，各自獨(dú)立，仿真時，需要將模型數(shù)據(jù)及運(yùn)動參數(shù)統(tǒng)一變換到SKS模型中，并選擇導(dǎo)彈坐標(biāo)系作為參照坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換。

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系中，導(dǎo)彈本身位于坐標(biāo)系原點(diǎn)并且靜止不動，直接讀入模型參數(shù)即可獲取其頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而目標(biāo)的模型頂點(diǎn)坐標(biāo)位置則需要通過給定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行計算，這一過程即為坐標(biāo)變換過程。坐標(biāo)變換的主要任務(wù)就是計算目標(biāo)模型在新坐標(biāo)系中的頂點(diǎn)坐標(biāo)以及速度矢量。

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)頂點(diǎn)坐標(biāo)變換流程如圖7所示。

圖7 目標(biāo)模型坐標(biāo)變換流程

設(shè)初始給定的目標(biāo)模型參數(shù)中某一頂點(diǎn)坐標(biāo)為P＝［x0y0z0］，新頂點(diǎn)坐標(biāo)求解方法如下。

首先對目標(biāo)模型按目標(biāo)姿態(tài)角參數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。注意，旋轉(zhuǎn)計算必須按照滾動角、俯仰角、偏向角的順序依次進(jìn)行，否則無法得到正確的結(jié)果。各旋轉(zhuǎn)矩陣分別為

滾動角旋轉(zhuǎn)矩陣（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

俯仰角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

偏向角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

旋轉(zhuǎn)后的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

然后對目標(biāo)模型進(jìn)行平移，平移后的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

其中：

最后，對平移后的目標(biāo)模型按導(dǎo)彈姿態(tài)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此時，各旋轉(zhuǎn)矩陣分別為

偏向角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

俯仰角旋轉(zhuǎn)矩陣（以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

滾動角旋轉(zhuǎn)矩陣（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸）為

最終得到的頂點(diǎn)坐標(biāo)為

根據(jù)上面的方法即可完成目標(biāo)模型其它頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換。

（3）運(yùn)動模擬

在導(dǎo)彈坐標(biāo)系中，導(dǎo)彈是相對靜止的，因此只需根據(jù)導(dǎo)彈坐標(biāo)系中目標(biāo)的速度矢量和激光器發(fā)射頻率來計算每次目標(biāo)移動的距離，就可以仿真得到每次激光發(fā)射后線列接收器所能接收到的信號，從而生成激光線掃圖像。

假設(shè)給定目標(biāo)運(yùn)動速度為vt、目標(biāo)中軸線中心位置O、中軸線上的點(diǎn)P1，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，O在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為O′，P1在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P′1，設(shè)導(dǎo)彈運(yùn)動速度為vm，則在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)的速度矢量為

假設(shè)在導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，目標(biāo)模型的某一頂點(diǎn)坐標(biāo)為Q，則每次激光發(fā)射后Q的坐標(biāo)為

式中：f為激光發(fā)射器的發(fā)射頻率。

2．2．2 激光回波功率的計算

在一個較窄的粗糙度范圍內(nèi)物體表面接近于理想朗伯體［6］。顯然，位于窄發(fā)射視場內(nèi)的飛機(jī)蒙皮可以看成是一個朗伯體，于是，激光引信所能接收到的激光回波功率可由下式求出：

式中：Pe為激光發(fā)射器功率；τ1為激光發(fā)射器的光學(xué)透過率；τ2為激光接收器的光學(xué)透過率；ρ為目標(biāo)表面的漫反射率；As為激光接收器的光敏面積；φ為光敏面中心O′與由激光照射形成的光斑中心O的連線與光敏面的法線n′的夾角；Rl為彈目距離。

計算回波功率時，需要計算出目標(biāo)表面由激光照射形成的光斑的中心點(diǎn)，由該中心點(diǎn)、接收面元中心點(diǎn)和面元的法向量即可求得角φ和Rl，代入公式可求出目標(biāo)表面某一處的漫反射回波功率Ps。圖8表示了某接收元與飛機(jī)蒙皮上照射光斑的位置關(guān)系。

圖8 接收元與光斑的相對位置

2．2．3 仿真圖像生成算法

圖9表示了激光引信仿真圖像生成的全過程。其中，消隱處理（即光線與面片相交情況的判斷）是圖像生成算法的關(guān)鍵部分，它在很大程度上決定了圖像生成算法的優(yōu)劣。

基本假設(shè)：

設(shè)彈目均處于導(dǎo)彈坐標(biāo)系下，從點(diǎn)激光發(fā)射器中心O′到目標(biāo)模型上某三角面片ΔABC三個頂點(diǎn)的向量分別為a、b、c，某激光發(fā)射光線為Ri。

a）若條件（14）滿足邏輯表達(dá)式（13），則發(fā)射光束Bi與三角面片ΔABC相交，式中，θ為激光束張角；

圖9 激光近場探測仿真圖像生成流程圖

b）通過計算確定出與光束Bi相交的三角面片ΔABC；

c）將光束Bi在張角θ范圍內(nèi)等間隔地分為k個同心光環(huán)，再將每個光環(huán)等間隔分為k條光線，則光束Bi被等效為k2條光線；計算光束的等效光線Bij與三角面片ΔABC的交點(diǎn)pij，并由此求出每條等效光線的φj和Rlj；

d）按照式（15）計算出回波功率，并根據(jù)設(shè)定的閾值判定是否有像素輸出。

圖10是采用此算法仿真生成的飛機(jī)圖像。

圖10 飛機(jī)仿真圖像

3 結(jié)束語

本文介紹的激光成像引信技術(shù)，能夠有效提高激光引信的抗干擾能力。提出了一種適用于激光成像引信系統(tǒng)的成像仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)的方法。通過此仿真軟件，得到了豐富的圖像數(shù)據(jù)，通過與真實圖像的對比，驗證了此仿真設(shè)計的正確性，利用這些圖像可以進(jìn)行目標(biāo)識別算法的研究，對于成像激光引信技術(shù)的研究具有重要意義。

［1］ 鄭志偉．空空導(dǎo)彈系統(tǒng)概論［M］．北京：兵器工業(yè)出版社，1997．

［2］ 王建國．空空導(dǎo)彈激光引信抗環(huán)境干擾的方法［A］．重慶：中國兵工學(xué)會引信專業(yè)委員會第十三屆引信年會論文集［C］，1995．

［3］ 孔有發(fā)．國外激光引信的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］．現(xiàn)代引信，1992，（4）．

［4］ Steinvall O，Kiasen L．3D Laser Sensing at FOI－over－view and a System Perspective［J］．Proceedings of SPIE，2004，（5412）：294－309．

［5］ 鄭鏈，王克勇，馬惠敏．成像探測體制智能引信概念研究［A］．引信技術(shù)新概念專題研討會論文集［C］．西安：《探測與控制學(xué)報》編輯部，2000：51－55．

［6］ 許士文，張正輝．激光近炸引信目標(biāo)特性測試方法分析［J］．紅外與激光工程，2007，36（1）：64－68．