蘇 坡,戎永杰,許建勝,任暢銳

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

末敏彈線陣激光雷達(dá)識(shí)別與定位方法研究

蘇 坡,戎永杰,許建勝,任暢銳

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

相比于一元激光雷達(dá),線陣激光可以提供更加豐富的目標(biāo)形體信息。為了更好的利用線陣激光雷達(dá),文中提出了一種末敏彈線陣激光雷達(dá)識(shí)別與定位方法,并采用蒙特卡洛法對(duì)其性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明與一元激光雷達(dá)相比,采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的命中點(diǎn)更趨于目標(biāo)的中心,同時(shí)末敏子彈掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)線陣激光雷達(dá)的識(shí)別率影響較大。文中的研究結(jié)果為線陣激光雷達(dá)在末敏彈上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和有價(jià)值的參考。

線陣激光雷達(dá);末敏彈;識(shí)別與定位;蒙特卡洛法

0 引言

敏感器作為末敏彈的“眼睛”,負(fù)責(zé)探測(cè)、發(fā)現(xiàn)、定位目標(biāo),是末敏彈智能化的重要體現(xiàn)[1-2]。隨著敏感器集成技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,為提高對(duì)目標(biāo)識(shí)別與定位性能,線陣敏感器成為末敏彈目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別發(fā)展的趨勢(shì)。作為代表的有美國(guó)SADARM末敏彈、德國(guó)SMArt末敏彈。SADARM和SMArt敏感器均采用線陣紅外和毫米波復(fù)合探測(cè)體制。SADARM敏感器由13元線陣紅外輻射計(jì)、8 mm毫米波雷達(dá)、8 mm毫米波輻射計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組成;SMArt末敏彈敏感器由5元線陣紅外輻射計(jì)、3 mm毫米波雷達(dá)和3 mm毫米波輻射計(jì)構(gòu)成[3]。

現(xiàn)有末敏彈的線陣敏感器基本上采用線陣紅外輻射計(jì),利用目標(biāo)和背景熱特性的不同,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別,缺乏目標(biāo)的形體信息。而目前,通過對(duì)目標(biāo)形體進(jìn)行探測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的精確打擊,已成為末敏彈探測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方面。在此背景下,線陣激光雷達(dá)及識(shí)別與定位方法成為末敏彈敏感器研究的熱點(diǎn)。

1 模型與方法

末敏子彈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描階段后,其彈載信息處理單元通過對(duì)敏感器響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別與定位。對(duì)于一元激光雷達(dá)來說,其只能提供目標(biāo)在掃描切向方向的形體信息,缺乏掃描的徑向信息,因而在識(shí)別目標(biāo)后,會(huì)有很大概率打擊到目標(biāo)的邊緣。具體地,當(dāng)末敏子彈掃描到目標(biāo)并且目標(biāo)的高度和寬度滿足所設(shè)的閾值,即認(rèn)為目標(biāo)滿足一元激光雷達(dá)識(shí)別條件。一元激光雷達(dá)定位采用切向中心定位,瞄準(zhǔn)點(diǎn)為在目標(biāo)上掃描線的中心點(diǎn)。

相比于一元激光雷達(dá),線陣激光雷達(dá)在穩(wěn)態(tài)掃描時(shí)可以同時(shí)提供目標(biāo)在掃描切向和徑向的形體信息,因此采用線陣激光雷達(dá)在識(shí)別目標(biāo)后,末敏子彈的EFP戰(zhàn)斗部會(huì)以更大的概率命中目標(biāo)的形體中心區(qū)域。圖1給出單元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)掃描的示意圖,加粗的掃描線均為與末敏子彈EFP戰(zhàn)斗部軸方向一致的掃描線。其中,圖1(a)為一元激光雷達(dá)的掃描示意圖,可以看出其可以提供目標(biāo)在掃描切向方向的信息;圖1(b)為線陣激光雷達(dá)掃描示意圖,可以看出線陣激光雷達(dá)不僅能提供目標(biāo)在掃描切向方向的信息,而且還可以同時(shí)提供目標(biāo)在掃描徑向方向的信息。因此,如何合理有效的利用線陣激光雷達(dá)提供的信息成為設(shè)計(jì)線陣激光雷達(dá)識(shí)別定位算法的關(guān)鍵。

圖1 單元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)目標(biāo)掃描示意圖

這里,采取對(duì)一元激光雷達(dá)識(shí)別定位算法進(jìn)行擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)線陣激光雷達(dá)的識(shí)別與定位。令N表示懸掛角呈等角間距線陣激光雷達(dá)的元數(shù),各元激光雷達(dá)的編號(hào)分別為i=1,2,…,N,其中,中間第M元表示與EFP戰(zhàn)斗部軸方向一致的激光元,對(duì)應(yīng)的懸掛角為π/6,

(1)

某一次掃描周期內(nèi),在掃描切向方向上,記中間第M元激光雷達(dá)掃過目標(biāo)的長(zhǎng)度為lM1(如圖1(a)、圖1(b)中所標(biāo)識(shí)的切向長(zhǎng)度),當(dāng)lM1滿足下式的閾值范圍時(shí),則切向識(shí)別條件滿足。

lmin1≤lM1≤lmax1

(2)

式中：lmin1、lmax1為常量,其值的設(shè)置跟待打擊目標(biāo)的形體尺寸相關(guān)。

在掃描徑向方向上,若某采樣時(shí)刻如果中間第M元激光雷達(dá)掃上目標(biāo),且此刻與第M元激光雷達(dá)連續(xù)相鄰掃上目標(biāo)的激光雷達(dá)范圍段為j≤M≤k,則此時(shí)刻線陣激光雷達(dá)掃到目標(biāo)的徑向長(zhǎng)度lM2(見圖1(b)中所標(biāo)識(shí)的徑向長(zhǎng)度)為:

lM2=h|tanθk-tanθj|

(3)

式中:h表示此采樣時(shí)刻末敏子彈的高度;θj、θk分別表示第j元和第k元激光雷達(dá)對(duì)應(yīng)的懸掛角。當(dāng)滿足以下條件時(shí),則徑向識(shí)別條件滿足。

下午一時(shí)，我又一次躺在做氣管鏡的軟床上，只不過醫(yī)院換成了哈爾濱市第一醫(yī)院，醫(yī)生也換成了哈爾濱市第一醫(yī)院副院長(zhǎng)兼呼吸科主任蔣利學(xué)。

(4)

式中：lmin2、lmax2為常量,表示徑向長(zhǎng)度的閾值范圍。式(4)的第二個(gè)式子保證第M元激光雷達(dá)位于掃入目標(biāo)徑向長(zhǎng)度的中心。

綜合式(2)～式(4)有:在一個(gè)掃描周期內(nèi),若線陣激光雷達(dá)末敏子彈能同時(shí)滿足切向和徑向識(shí)別條件,則目標(biāo)被識(shí)別,采用切向中心定位,此時(shí)起爆EFP戰(zhàn)斗部,會(huì)有很大概率命中目標(biāo)的中心區(qū)域。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采用蒙特卡洛法[4]對(duì)文中所提線陣激光雷達(dá)識(shí)別定位算法進(jìn)行仿真評(píng)估。

2.1 仿真條件

仿真實(shí)驗(yàn)中,線陣激光雷達(dá)的元數(shù)N=13,各元之間懸掛角呈等角間距,相鄰兩元懸掛角的夾角Δθ=0.005 4 rad,第7元為與EFP戰(zhàn)斗部軸方向一致的中間元激光雷達(dá),其對(duì)應(yīng)的懸掛角θM=π/6;固定末敏子彈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描時(shí)在地面的投影位置為坐標(biāo)原點(diǎn),子彈從初始120 m高度進(jìn)入探測(cè)識(shí)別,高度低于20 m停止探測(cè)識(shí)別;裝甲目標(biāo)的水平面尺寸為3.5 m×7 m,采用極坐標(biāo),目標(biāo)中心以等概率落入ρ～U[15.46 m,65.37 m],φ～U[0,2π]的圓環(huán)區(qū)域;末敏子彈的指標(biāo)如下:轉(zhuǎn)速f～U[3 r/s,4 r/s],理想轉(zhuǎn)速fi=3.5 r/s;子彈落速v=10 m/s;子彈初始相位α0～U[0,2π];子彈理想懸掛角θi=π/6;旋轉(zhuǎn)傘擺動(dòng)振幅A=π/36 rad,擺動(dòng)頻率f～U[3 Hz,4 Hz],擺動(dòng)初始相位ψ～U[0,2π];前置角δ～U[0.029 1 rad,0.040 7 rad],理想前置角δi=π/90;戰(zhàn)斗部中間偏差EX～N[0 m,0.44 m2],EZ～N[0 m,0.44 m2];水平方向風(fēng)的風(fēng)速vw～U[0 m/s,10 m/s],風(fēng)向α～U[0,2π];其他環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)氣象環(huán)境。這里,U[a,b]表示[a,b]范圍內(nèi)的均勻分布;N[μ,σ2]表示服從均值為μ、方差為σ2的正態(tài)分布。

2.2 結(jié)果與分析

首先,采用蒙特卡洛法對(duì)一元激光雷達(dá)末敏子彈和線陣激光雷達(dá)末敏子彈識(shí)別與定位性能進(jìn)行仿真對(duì)比,仿真次數(shù)為10 000。線陣激光雷達(dá)末敏子彈識(shí)別與定位算法參數(shù)設(shè)置為:切向下限長(zhǎng)度lmin1=2 m,上限長(zhǎng)度lmax1=10 m;徑向下限長(zhǎng)度lmin2=2 m,lmax2=10 m。一元激光雷達(dá)末敏子彈識(shí)別與定位算法參數(shù)設(shè)置與線陣激光雷達(dá)切向設(shè)置一致。圖2給出一元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)命中點(diǎn)仿真結(jié)果,紅色的框表示目標(biāo),黑色的實(shí)心圓點(diǎn)表示末敏子彈戰(zhàn)斗部的命中點(diǎn)。其中,圖2(a)、圖2(c)分別為理想情況下(無風(fēng)、傘無擺動(dòng)、末敏子彈各參數(shù)均取理想值)一元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)命中點(diǎn)仿真結(jié)果;圖2(b)、圖2(d)分別為各因素綜合作用下,一元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)命中點(diǎn)仿真結(jié)果。采用文獻(xiàn)[4]的方法對(duì)裝甲目標(biāo)平面進(jìn)行區(qū)域劃分,統(tǒng)計(jì)命中點(diǎn)落入各個(gè)區(qū)域的百分比,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從圖2和表1可以看出:(i)采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的命中點(diǎn)比采用一元激光雷達(dá)末敏子彈的命中點(diǎn)更趨于目標(biāo)的中心區(qū)域;(ii)無論是在理想情況下還是各因素綜合作用下,采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的未識(shí)別率明顯高于采用一元激光雷達(dá)末敏子彈的;(iii)線陣激光雷達(dá)末敏子彈在各因素綜合作用下的未識(shí)別率遠(yuǎn)高于理想情況下它的未識(shí)別率。

表1 一元激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)命中點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)

對(duì)于上述(i)(ii)很容易理解,一方面相比于一元激光雷達(dá),線陣激光雷達(dá)加入了掃描徑向方向的信息,導(dǎo)致其命中點(diǎn)更趨于目標(biāo)的中心區(qū)域;另一方面,由于識(shí)別算法加入了更多的約束和限制,線陣激光雷達(dá)末敏子彈的識(shí)別條件比一元激光雷達(dá)苛刻,一元激光雷達(dá)識(shí)別算法可以看作是多元激光識(shí)別算法的一種特殊情況:徑向識(shí)別條件中最小閾值lmin2=0。因此采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的未識(shí)別率高于采用一元激光雷達(dá)的末敏子彈。下面,對(duì)線陣激光雷達(dá)末敏子彈徑向識(shí)別條件的參數(shù)lmin2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來研究其對(duì)識(shí)別率和命中位置的影響。仿真實(shí)驗(yàn)中分別取lmin2=2 m、lmin 2=1.5 m和lmin2=1 m。

仿真結(jié)果見圖2(d)、圖3及表2。圖2(d)、圖3(a)、圖3(b)分別為lmin2=2 m、lmin2=1.5 m和lmin2=1m在各因素綜合作用下線陣激光雷達(dá)末敏子彈命中點(diǎn)仿真結(jié)果。表2給出不同lmin2在各因素綜合作用下命中點(diǎn)落入目標(biāo)各區(qū)域的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。綜合表1、表2可以看出,在一定的范圍內(nèi)線陣激光雷達(dá)徑向識(shí)別條件中最小閾值lmin2對(duì)識(shí)別率影響不大,因此,仿真條件中的其他因素是造成線陣激光雷達(dá)末敏子彈未識(shí)別率高的原因。

表2 不同lmin2命中點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)

在各影響因素中前置角散布、滾轉(zhuǎn)角散布、戰(zhàn)斗部散布只影響末敏子彈的命中位置,而對(duì)識(shí)別率不會(huì)產(chǎn)生影響;轉(zhuǎn)速、水平方向的風(fēng)和傘的擺動(dòng)會(huì)對(duì)線陣激光雷達(dá)末敏子彈的識(shí)別率產(chǎn)生影響。下面,對(duì)轉(zhuǎn)速、水平方向的風(fēng)和傘的擺動(dòng)這幾個(gè)因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)來探究哪個(gè)因素對(duì)線陣激光雷達(dá)末敏子彈的識(shí)別率影響最大。

同樣,采用蒙特卡洛法仿真10 000次,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:僅轉(zhuǎn)速存在散布,其他因素均為理想情況下,線陣激光雷達(dá)末敏子彈的未識(shí)別率為1.68%;僅存在水平風(fēng),其他因素均為理想的情況下,線陣激光雷達(dá)末敏子彈的未識(shí)別率為6.39%;僅存在傘的擺動(dòng),其他因素均為理想的情況下,線陣激光雷達(dá)末敏子彈的未識(shí)別率為11.87%。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傘的擺動(dòng)對(duì)線陣激光雷達(dá)末敏子彈的識(shí)別率影響最大,水平風(fēng)的干擾次之,這三個(gè)因素均反映了末敏子彈掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性。

綜合3組仿真實(shí)驗(yàn),可以得出:和一元激光雷達(dá)相比,線陣激光雷達(dá)可以提供更加豐富的目標(biāo)形體信息,采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的命中點(diǎn)更趨近于目標(biāo)的中心區(qū)域;線陣激光雷達(dá)的識(shí)別率對(duì)掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性非常敏感,如何提高末敏子彈掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性成為更好發(fā)揮線陣激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

圖2 一元線陣激光雷達(dá)和線陣激光雷達(dá)命中點(diǎn)仿真結(jié)果對(duì)比圖

圖3 不同lmin2線陣激光雷達(dá)末敏子彈命中點(diǎn)仿真結(jié)果

3 結(jié)論

文中對(duì)末敏彈線陣激光雷達(dá)識(shí)別與定位方法進(jìn)行研究,并采用蒙特卡洛法對(duì)文中所提方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。仿真結(jié)果表明與一元激光雷達(dá)相比,采用線陣激光雷達(dá)末敏子彈的命中點(diǎn)更集中于目標(biāo)的中心區(qū)域,并且可以有效降低脫靶率;同時(shí),也表明末敏子彈掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)線陣激光雷達(dá)識(shí)別率影響很大。為提高線陣激光雷達(dá)末敏彈的識(shí)別率,末敏彈在設(shè)計(jì)時(shí)可采用落速高、轉(zhuǎn)速落速比大、穩(wěn)定性好的掃描平臺(tái)。

[1] 楊紹卿. 靈巧彈藥工程 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010: 1-6.

[2] 楊紹卿. 末敏彈系統(tǒng)理論 [M]. 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2009: 1-10.

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[5] 王曉波, 姚俊, 馬金明. 蒙特卡洛法在末敏彈毀傷概率計(jì)算中的應(yīng)用 [J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(5): 50-53.

Research on the Recognition and Position Method for Linear Array Laser Radar of Terminal Sensitive Projectile

SU Po,RONG Yongjie,XU Jiansheng,REN Changrui

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Compared with single-element ladar, linear array laser could provide more shape information of the targets. In order to make better use of linear array laser radar, a recognition and position method for linear array laser radar of terminal sensitive projectile was proposed in this paper. And the Monte-Carlo method was utilized for the simulation of performance. The simulation results indicated that compared with single-element ladar, the hitting points of terminal sensitive projectile using linear array laser radar were closer to the central area of the target. Meanwhile, the stability of scanning platform had great influence on the recognition rate of linear array laser radar. The results of this paper provided basis and valuable references for the application of linear array laser radar in terminal sensitive projectile.

linear array laser radar; terminal sensitive projectile; recognition and position; Monte-Carlo method

2016-07-11

蘇坡(1985-),男,陜西西安人,工程師,研究方向:信號(hào)處理。

TJ414.3

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