孫 博，栗金平，鄭建強(qiáng)，程 冬

(1北京理工大學(xué)，北京100081;2 63961部隊(duì)，北京100010;3中國兵器工業(yè)第203研究所，西安710065)

0 引言

紅外成像導(dǎo)引頭可以獲得目標(biāo)的紅外圖像，還具有識別目標(biāo)的能力，甚至還可以識別目標(biāo)的薄弱部位，基于這些優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外很多防空導(dǎo)彈都競相采用紅外成像技術(shù)。而隨著作戰(zhàn)空域及目標(biāo)速度范圍的不斷擴(kuò)大，要求現(xiàn)代防空導(dǎo)彈既能對付普通飛機(jī)，又能對付戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(TBM)等高速目標(biāo)，導(dǎo)彈與目標(biāo)交會條件的變化范圍變得更寬，必須采取措施提高引戰(zhàn)配合效率[1]。制導(dǎo)引信一體化(GIF)技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制導(dǎo)武器系統(tǒng)對目標(biāo)的最大殺傷而產(chǎn)生的，它將武器系統(tǒng)的引信子系統(tǒng)和制導(dǎo)子系統(tǒng)協(xié)同起來，優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。因此對采用紅外成像導(dǎo)引頭的防空導(dǎo)彈進(jìn)行GIF技術(shù)研究很有意義。

GIF技術(shù)一般可分為信息一體化和硬件一體化兩種類型，文中主要對硬件一體化技術(shù)進(jìn)行研究。紅外成像引信通過共享紅外成像導(dǎo)引頭探測器的方式實(shí)現(xiàn)前視探測，進(jìn)而可獲取制導(dǎo)系統(tǒng)提供的彈目交會信息，實(shí)現(xiàn)最佳引戰(zhàn)配合起爆控制，提高引戰(zhàn)配合效率。

為實(shí)現(xiàn)起爆控制算法，理論上可使用導(dǎo)引頭的框架角計(jì)算出所需要的信息，但是框架角的測量值含有噪聲，對需要的信息進(jìn)行估算時(shí)會引入微分噪聲。文中使用跟蹤微分器提取起爆控制算法所需的信息，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 制導(dǎo)引信一體化設(shè)計(jì)

1.1 紅外成像引信的功能與組成

普通的紅外引信處于彈體的中部，采用環(huán)式探測，這種探測方式將信息處理時(shí)間限制在很短的范圍內(nèi)(一般小于2ms)，使得引信很難在這么短的時(shí)間內(nèi)正確識別目標(biāo)。紅外成像引信使用紅外成像探測器對目標(biāo)進(jìn)行成像探測，將能很容易識別目標(biāo)，還能估計(jì)目標(biāo)易損部位。而引信與導(dǎo)引頭若能共享成像探測器，既可以實(shí)現(xiàn)前視探測，又可以節(jié)約成本、簡化結(jié)構(gòu)。圖1給出了紅外成像引信的組成圖。

圖1 紅外成像引信組成圖

1.2 紅外成像導(dǎo)引頭的功能與組成

紅外成像導(dǎo)引頭位于導(dǎo)彈的頭部，具有以下基本功能:成像、圖像穩(wěn)定、目標(biāo)的檢測與識別、目標(biāo)跟蹤、制導(dǎo)信息的生成以及與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信。它主要由以下部分組成:紅外光學(xué)整流罩、光學(xué)系統(tǒng)、焦平面成像探測器、圖像處理機(jī)、中央處理機(jī)、穩(wěn)定系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)等。典型組成如圖2所示。

圖2 典型成像導(dǎo)引頭組成圖

1.3 紅外成像GIF設(shè)計(jì)

紅外引信采用傳統(tǒng)的環(huán)視探測方式探測高速交會目標(biāo)可能造成炸點(diǎn)滯后，以致戰(zhàn)斗部破片落在目標(biāo)的后面，影響對目標(biāo)的毀傷效果。為改善引信的探測能力，可采用減小探測傾角的方法，但引信探測器的設(shè)計(jì)難度增加了。為了改變這種情況，紅外成像引信通過共享紅外成像導(dǎo)引頭的部分資源實(shí)現(xiàn)前視探測，其組成如圖3所示。

圖3 紅外成像GIF引信組成圖

紅外成像GIF引信共享了導(dǎo)引頭的許多部件，與傳統(tǒng)的紅外引信相比，具有組成機(jī)構(gòu)相對簡單、探測靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。由于實(shí)現(xiàn)了前視探測，紅外成像GIF引信的探測距離要比環(huán)式探測方式遠(yuǎn)得多，這樣就大大延長了引信的信息處理時(shí)間，使得復(fù)雜的信息處理算法可以在引信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

導(dǎo)引頭的視場角和最大跟蹤角速度是受限制的，因此存在盲區(qū)，盲區(qū)內(nèi)成像探測器無法探測到目標(biāo)。紅外成像探測器的盲區(qū)一般為50～80m，這么大的探測盲區(qū)將影響防空導(dǎo)彈對目標(biāo)的毀傷概率。為了解決這個(gè)問題，成像導(dǎo)引頭在彈道終端可以切換到大視場對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并且要從型心跟蹤轉(zhuǎn)到局部特征點(diǎn)跟蹤，這樣就可最大限度的減小成像引信的探測盲區(qū)。

利用紅外成像導(dǎo)引頭的彈目交會信息，可以實(shí)時(shí)計(jì)算飛行剩余時(shí)間和目標(biāo)脫靶方位，在最佳時(shí)刻引爆定向戰(zhàn)斗部，達(dá)到對目標(biāo)的最佳殺傷效果。

2 引戰(zhàn)配合起爆控制算法

導(dǎo)彈在彈道終端的飛行剩余時(shí)間很短，其和目標(biāo)的機(jī)動性可以不考慮，故可假定目標(biāo)在彈體坐標(biāo)系內(nèi)作勻速直線運(yùn)動。

圖4 彈目交會示意圖

2.1 剩余飛行時(shí)間算法

假定導(dǎo)彈靜止不動，目標(biāo)以相對運(yùn)動速度在彈體坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動，并設(shè)為目標(biāo)從T點(diǎn)飛到D點(diǎn)的時(shí)間，tgo為目標(biāo)從T點(diǎn)飛到C點(diǎn)的時(shí)間，則由圖4可得:

由式(2)得:

式中ξ=Vr/ρ。把式(3)代入式(1)得:

設(shè)從開始觀測點(diǎn)到D的總時(shí)間為Γ，t為目標(biāo)的已飛行時(shí)間，則:

令:

把式(5)代入式(6)得:

對式(7)兩邊微分得:

對式(8)兩邊進(jìn)行微分得:

于是有:

由式(8)和式(9)聯(lián)合得:

又因?yàn)?

于是，由式(12)和式(13)聯(lián)合得:

又因?yàn)槭Ｓ囡w行時(shí)間為:

所以，將式(14)代入式(15)得:

2.2 起爆延遲時(shí)間算法

設(shè)戰(zhàn)斗部破片靜態(tài)飛散中心角為90°，且探測器中心與戰(zhàn)斗部中心重合，則最佳起爆延時(shí)時(shí)間可以由下式給出:

式中:Vf為靜態(tài)破片飛行速度;且

2.3 起爆方位角算法

起爆方位角與目標(biāo)的脫靶方位角是等價(jià)的，如圖4中的φf所示，它可由來預(yù)測。

則其在彈體系y軸和z軸的坐標(biāo)分別為:

由式(21)可得:

定義φf逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，范圍為[0，2π]，于是:

3 引戰(zhàn)配合信息提取

3.1 跟蹤微分器

跟蹤微分器是由韓京清提出的，用于解決實(shí)際工程問題中由不連續(xù)或帶隨機(jī)噪聲的量測信號合理提取連續(xù)信號及微分信號的問題。跟蹤微分器利用了數(shù)值積分優(yōu)于數(shù)值微分的事實(shí)，將給定信號的微分問題轉(zhuǎn)化為對一組微分方程的積分問題，可以很好的實(shí)現(xiàn)對信號的跟蹤濾波和微分[3]。

跟蹤微分器的原理如圖5所示 ，v(t)為輸入信號，x1(t)和 x2(t)為兩個(gè)輸出信號。其中，x1(t)跟蹤輸入信號v(t)，x2(t)是x1(t)的微分，可以作為輸入信號v(t)的微分。

實(shí)際中使用的為跟蹤器的離散形式，表達(dá)式為:

圖5 跟蹤微分器原理圖

式(18)中，ρ是未知的，可用圓概率誤差CEP代入計(jì)算。于是起爆延遲時(shí)間的最終表達(dá)式為:

式中，fhan為最速控制綜合函數(shù)，其算法公式如下:

式(25)中，fsg為一個(gè)符號函數(shù)，記為:

在跟蹤微分器中，需要設(shè)計(jì)的參數(shù)有3個(gè)，積分步長h，濾波因子h0和快速因子r，它們分別決定了微分精度、濾波效果和跟蹤速度。

3.2 仿真驗(yàn)證

仿真條件:假設(shè)θ·的初值為20°/s，變化率為150°/s2，θ的初值為10°，測量噪聲等效成均方差為0.5°的白噪聲。仿真步長設(shè)為 0.0001s，濾波因子為0.001，快速因子為100000，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出，使用的跟蹤微分器較好的實(shí)現(xiàn)了對θ的濾波，且得到了，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，跟蹤微分器得到的與其真實(shí)值之差的均方差小于1.5°/s。

圖6 θ的濾波值

圖7 θ的濾波值局部放大圖

圖8 跟蹤微分器得到的

4 結(jié)論

文中首先對紅外成像引信和紅外成像導(dǎo)引頭的功能和組成進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上對紅外成像GIF硬件一體化進(jìn)行了設(shè)計(jì);然后推導(dǎo)給出了引戰(zhàn)配合起爆控制算法;最后提出使用跟蹤微分器對引戰(zhàn)配合信息進(jìn)行提取，即對角度測量值進(jìn)行濾波和獲取角速度值，且通過仿真驗(yàn)證了提取方法的正確性。

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