劉 娟，張 健，任 波

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

近程防空導(dǎo)彈是對(duì)戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)進(jìn)行攻擊，其射程通常在40千米以內(nèi)[1-2]。在近程防空導(dǎo)彈末端制導(dǎo)中快速識(shí)別出目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)確定導(dǎo)彈攻擊的姿態(tài)，對(duì)提高毀傷效果十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)近程防空導(dǎo)彈技術(shù)做了大量的研究。但就近距離彈目交會(huì)下的末端制導(dǎo)問(wèn)題，國(guó)外由于技術(shù)保密的問(wèn)題，沒(méi)有見(jiàn)到詳細(xì)的研究報(bào)道。本文主要就近距離導(dǎo)彈末端制導(dǎo)情況展開(kāi)研究，為近程防空導(dǎo)彈準(zhǔn)確攻擊目標(biāo)提供技術(shù)支持。

文中重點(diǎn)研究近程防空導(dǎo)彈攔截飛行速度低于亞音速的飛行器目標(biāo)(如巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)等)時(shí)，利用彈載激光成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取數(shù)張目標(biāo)圖像，經(jīng)過(guò)陣列DSP圖像匹配技術(shù)處理，快速識(shí)別目標(biāo)，利用彈目之間特征點(diǎn)的幾何關(guān)系求解目標(biāo)姿態(tài)，以此確定接近最佳炸點(diǎn)的引爆方向。

1 彈目攻擊姿態(tài)分析系統(tǒng)模型

彈目攻擊姿態(tài)分析系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 彈目攻擊姿態(tài)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由6個(gè)處理單元組成，其中彈載激光成像系統(tǒng)構(gòu)成彈目攻擊姿態(tài)的前視目標(biāo)探測(cè)裝置。彈載激光成像系統(tǒng)近距離(如3000米)實(shí)時(shí)拍攝完整目標(biāo)圖像后，將圖像輸送到陣列DSP信息處理模塊。信息處理模塊利用陣列DSP進(jìn)行并行圖像處理，此方案中采用4個(gè)DSP核進(jìn)行圖像信息處理。當(dāng)?shù)趎幅圖片經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理進(jìn)入特征點(diǎn)提取模塊(DSP2)時(shí)，第n+1幅圖片在同一時(shí)間進(jìn)入圖像預(yù)處理模塊(DSP1)，……依次類(lèi)推，形成流水式的陣列DSP并行處理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)參數(shù)解算的實(shí)時(shí)性。

2 圖像匹配算法及仿真

由于本文重點(diǎn)研究近程防空導(dǎo)彈近距離攔截低亞音速飛行目標(biāo)，短時(shí)間內(nèi)飛行器的運(yùn)行軌跡可近似為平行移動(dòng)并帶少許轉(zhuǎn)動(dòng)，因此采用比例導(dǎo)引法可得目標(biāo)圖像如圖2所示。

圖2 目標(biāo)原圖

2.1 圖像預(yù)處理

由于成像環(huán)境是多變的，彈載激光成像系統(tǒng)輸出的圖像總伴有模糊、明暗度、噪聲等干擾問(wèn)題，因此在對(duì)圖像特征提取前進(jìn)行圖像預(yù)處理是非常必要的。圖像預(yù)處理主要包括幾何修正、圖像除噪、圖像增強(qiáng)、均值濾波、中值濾波、閾值分割等，因中值濾波除噪能力強(qiáng)且除噪后圖像清晰明亮而被廣泛應(yīng)用，文中采用中值濾波，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 圖像預(yù)處理

2.2 特征點(diǎn)提取

圖像特征點(diǎn)提取一般分為基于圖像邊緣和基于圖像灰度的兩種方式[3]?；趫D像灰度的特征點(diǎn)提取算法一般有Harris算子、Moravec算子、SUSAN算子和SIFT算子。

本文利用Harris算子進(jìn)行圖像特征點(diǎn)提取仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 特征點(diǎn)提取

2.3 圖像匹配

圖像匹配[4]是指把不同敏感器或同一敏感器在不同時(shí)間、不同成像條件下對(duì)同一景物獲取的兩幅圖像在空間上對(duì)準(zhǔn)，或根據(jù)已知模式到另一幅圖像中尋找相應(yīng)的模式。陣列DSP圖像匹配過(guò)程如圖5所示。

圖5 圖像匹配

SIFT算法的內(nèi)容主要包括：創(chuàng)建尺度空間、極值點(diǎn)檢測(cè)、特征點(diǎn)精確定位、確定特征點(diǎn)主方向和生成特征描述子。采用上述圖像匹配流程進(jìn)行SIFT圖像匹配仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 圖像匹配

3 圖像姿態(tài)計(jì)算

3.1 姿態(tài)特征點(diǎn)的選取

利用匹配成功后的圖像計(jì)算圖像的姿態(tài)，理論上講，只要獲取圖像3個(gè)以上的特征點(diǎn)就能計(jì)算出圖像的姿態(tài)，本文以飛機(jī)目標(biāo)為例，選取機(jī)頭、機(jī)尾和飛機(jī)的重心三個(gè)特征點(diǎn)。首先對(duì)匹配后的飛機(jī)圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到二值化圖像，在此基礎(chǔ)上利用重心計(jì)算公式得到飛機(jī)的重心坐標(biāo)g(xg,yg)。

重心計(jì)算公式:

(1)

(2)

式中I(x,y)是圖像函數(shù)，當(dāng)(x,y)∈R時(shí)，I(x,y)=1,否則I(x,y)=0。

由重心開(kāi)始向四周做直線，到重心距離最短的設(shè)為機(jī)頭，其坐標(biāo)為a(x1,y1)，由a和g連接的直線向機(jī)尾延伸搜索，得到與重心g距離最遠(yuǎn)的設(shè)為機(jī)尾點(diǎn)b(x2,y2)，這樣在目標(biāo)上找到了重心、機(jī)頭和機(jī)尾三個(gè)特征點(diǎn)。三個(gè)特征點(diǎn)選取結(jié)果如圖7所示。

圖7 三個(gè)特征點(diǎn)

3.2 彈目姿態(tài)透視投影模型

透視投影模型[5]如圖8所示。

圖8 透視投影

3.3 目標(biāo)姿態(tài)角的計(jì)算

目標(biāo)的三個(gè)空間特征點(diǎn)分別是重心G(XG,YG,ZG)機(jī)頭A(X1,Y1,Z1)，機(jī)尾B(X2,Y2,Z2)，這三個(gè)特征點(diǎn)的投射投影點(diǎn)分別為g(xg,yg),a(x1,y1),b(x2,y2),如圖9所示。

圖9 投影坐標(biāo)系

已知量分別為機(jī)型長(zhǎng)度，g、a、b的坐標(biāo)已知，G到A的距離設(shè)為M，G到B的距離設(shè)為N，M和N也是已知的，過(guò)G點(diǎn)做像平面c的平行平面C1，投影線oa交面C1于A1，ob交面C1于B1，設(shè)∠OA1B1=α，∠OB1A1=β，∠A1OB1=γ,∠OAB=θ,∠OBA=ψ,k=ZG/f,GA=M,GB=N,ga=m,gb=n,GA1=km,GB1=kn,AB=M+N,α、β、γ可由三角形Oab的正弦、余弦定理求的，由目標(biāo)姿態(tài)角的計(jì)算方法得

(3)

sin2γ=sin2θ+sin2ψ-2sinθsinψcosγ

(4)

k=sinγ/

(5)

XT=xt×k，YT=yt×k，ZT=k×ft

(6)

(7)

X1=x1×k,Y1=y1×k

(8)

利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，設(shè)GA為物體坐標(biāo)系的x軸，z軸與物體坐標(biāo)系的平面垂直，方向垂直向下，將G點(diǎn)進(jìn)行平移，與O點(diǎn)重合，則特征點(diǎn)A、B兩點(diǎn)在新物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為A(X11,Y11,Z11)，B(X22,Y22,Z22)，即

X11=X1-XT,Y11=Y1-YT,Z11=Z1-ZT,X22=X2-XT,Y22=Y2-YT,Z22=Z2-ZT

(9)

3.4 目標(biāo)相對(duì)地面坐標(biāo)系的姿態(tài)角

3.3已求得目標(biāo)相對(duì)彈載攝像機(jī)的姿態(tài)角，要求出目標(biāo)相對(duì)地面坐標(biāo)系的姿態(tài)角，則要把攝像機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系。設(shè)由導(dǎo)彈自身的陀螺儀測(cè)得的導(dǎo)彈相對(duì)地面的姿態(tài)角分別是：俯仰角λ，偏航角μ。攝像機(jī)坐標(biāo)系繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為α(α=λ+π/2)，繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為β(β=μ)，由坐標(biāo)變換得攝像機(jī)向地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為L(zhǎng)，

(10)

機(jī)身的單位向量在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(X,Y,Z)T=(cosφcosω,sinφcosω,sinω)T

(11)

則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后在地面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(x,y,z)T=(cosφcosω,sinφcosω,sinω)T

(12)

飛機(jī)的俯仰角

(13)

偏航角

φ1=arctan(y/x)

(14)

4 姿態(tài)調(diào)整仿真分析

導(dǎo)彈遠(yuǎn)處攻擊時(shí)，可以有足夠的時(shí)間做姿態(tài)調(diào)整，使其達(dá)到攻擊目標(biāo)的最佳位置；但近距離攻擊時(shí)，因沒(méi)有足夠的時(shí)間調(diào)整，不足以對(duì)目標(biāo)造成最大的毀傷；然而，此時(shí)短時(shí)間內(nèi)如果根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)信息確定引爆點(diǎn)的引爆方向，使引爆方向與目標(biāo)飛行方向之間的夾角盡可能接近90度，則仍可達(dá)到最大毀傷目的，彌補(bǔ)了前者的不足之處。

在彈目近距離交會(huì)下的戰(zhàn)斗部中預(yù)設(shè)多個(gè)定向引爆點(diǎn)，根據(jù)彈目交會(huì)姿態(tài)軌跡求出引爆點(diǎn)與目標(biāo)之間的夾角，得出夾角接近90度的引爆點(diǎn)，便可提高對(duì)目標(biāo)的毀傷效果，如圖10所示。

圖10 彈目交會(huì)

本文首先采用“小山法”在Matlab平臺(tái)上做出彈目交會(huì)軌跡，再在TMS320C6678多核DSP和EVM仿真環(huán)境下進(jìn)行近程防空導(dǎo)彈攔截目標(biāo)三維仿真，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真結(jié)果

由彈目交會(huì)軌跡可計(jì)算出導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部各個(gè)引爆點(diǎn)與目標(biāo)之間的夾角，部分設(shè)置的引爆點(diǎn)與飛行器飛行方向的夾角結(jié)果如表1所示。

表1 仿真基本參數(shù)

由表1可得引爆點(diǎn)3、6便是接近最佳炸點(diǎn)的引爆點(diǎn)，近程防空導(dǎo)彈點(diǎn)燃該引爆點(diǎn)，便可對(duì)目標(biāo)造成極大的毀傷效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

論述了一種基于陣列DSP的圖像匹配技術(shù)分析彈目攻擊姿態(tài)、確定最佳引爆方向的具體方法。該方法充分利用彈載激光成像系統(tǒng)提供的大量目標(biāo)圖像信息，采用陣列DSP并行處理平臺(tái)，能準(zhǔn)確的識(shí)別目標(biāo)，確定目標(biāo)的飛行姿態(tài)，繼而采用小山法得出彈目交會(huì)軌跡，確定最佳引爆點(diǎn)，以便對(duì)目標(biāo)造成更有效威脅，提高毀傷效果。由于圖像包含的信息量多，在對(duì)圖像做一些預(yù)處理、特征匹配、姿態(tài)角計(jì)算等方面會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，如何在陣列DSP的設(shè)計(jì)中合理利用所有的DSP核進(jìn)行數(shù)據(jù)處理將是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。

[1] Kim M,Grider KV.Terminal guidance for impact attitude angle constrained flight rejectories [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1973,9 (6):852-859.

[2] 張意，馬清華.反坦克導(dǎo)彈近距離頂攻彈道設(shè)[J],彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010,30(2)：187-189.

[3] 王紅梅,張科,李言俊.圖像匹配研究進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004,20(19):42-47.

[4] 王繼方,王向軍,張世海.一種基于目標(biāo)特征點(diǎn)的姿態(tài)角測(cè)量方法[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2008,28(2):71-72.

[5] 楊麗梅,郭立紅,曹西征.單站光測(cè)圖像確定空間目標(biāo)三維姿態(tài)方法綜述[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006(5):186-188.