陽(yáng)平 張輝

（92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）

艦載光電跟蹤儀對(duì)低空掠海目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法?

陽(yáng)平 張輝

（92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）

論文提出了一種艦載光電跟蹤儀跟蹤低空掠海目標(biāo)邊緣前點(diǎn)的方法。該方法通過(guò)在現(xiàn)有艦載光電跟蹤儀操控程序中增加一段子程序，利用武器系統(tǒng)提供的目指距離量，艦艇航向、縱、橫搖角和光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)獲得的目標(biāo)的方位、俯仰角和距離，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)光電跟蹤儀光軸的水平旋轉(zhuǎn)方向，使光電跟蹤儀能夠根據(jù)該值自動(dòng)確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)頭部的跟蹤，避免質(zhì)心跟蹤方式有時(shí)會(huì)跟蹤到目標(biāo)尾焰的弊端。

艦載光電跟蹤儀；低空掠海目標(biāo)；跟蹤

1 引言

艦載光電跟蹤儀是艦炮武器系統(tǒng)的重要探測(cè)設(shè)備［1～2］，其主工作通道為紅外通道。在海上跟蹤來(lái)襲低空掠海導(dǎo)彈類目標(biāo)［3］時(shí)，在目標(biāo)捷徑不為零的條件下，會(huì)出現(xiàn)以下情況，即目標(biāo)的紅外圖像由目標(biāo)及其發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰組成［4～5］，當(dāng)目標(biāo)以固體或液體火箭為動(dòng)力進(jìn)行超音速飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰長(zhǎng)度可以達(dá)到幾十米［6］，會(huì)超過(guò)目標(biāo)長(zhǎng)度的幾倍［7］。當(dāng)前，艦載光電跟蹤儀對(duì)空中目標(biāo)主要采用對(duì)比度［8］、質(zhì)心方式［9］對(duì)此類目標(biāo)進(jìn)行圖像跟蹤，但是當(dāng)尾焰長(zhǎng)度占紅外圖像長(zhǎng)度的一半以上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所提取的目標(biāo)質(zhì)心在尾焰不在目標(biāo)上的現(xiàn)象，使得激光測(cè)距機(jī)沒(méi)有回波，火控?zé)o法解算［10］，不能構(gòu)成開(kāi)火條件，造成近程防御系統(tǒng)失效，如圖1所示。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題提出過(guò)目標(biāo)紅外圖像序列雙閾值分割方法［11］。由于該方法需要對(duì)目標(biāo)的實(shí)測(cè)紅外圖像序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找出其特性，以及目標(biāo)在上一幀圖像中所占比例，以此確定當(dāng)前幀圖像中兩個(gè)閾值的取值范圍，所以此方法只適用于特定條件下的已知目標(biāo)，對(duì)于擔(dān)負(fù)防空反導(dǎo)任務(wù)的艦載光電跟蹤儀顯然不適合。

當(dāng)前艦載光電跟蹤儀在解決該問(wèn)題時(shí)采用在控制面板增加控制按鍵的方法，即通過(guò)人工判斷目標(biāo)相對(duì)于光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向，然后采用邊緣跟蹤方式跟蹤目標(biāo)的邊緣前點(diǎn)，或以邊緣前點(diǎn)為基準(zhǔn)，跟蹤目標(biāo)頭部。但是，人工判斷目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向有一定的缺陷，一是對(duì)于未知目標(biāo)的航跡判斷容易出現(xiàn)誤判；二是從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后進(jìn)行判斷到最后按鍵確認(rèn)這一過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于超音速目標(biāo)將造成其穩(wěn)定跟蹤距離短，影響系統(tǒng)正常工作。

本文將綜合利用武器系統(tǒng)提供的目指距離量，艦艇航向、縱、橫搖角和光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)獲得的目標(biāo)的方位、俯仰角和距離等信息，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)邊緣，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)邊緣前點(diǎn)的跟蹤。

圖1 跟蹤目標(biāo)尾焰

2 目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法原理

該方法原理如圖2所示。利用火控系統(tǒng)與光電跟蹤儀的通訊報(bào)文中提供的目指數(shù)據(jù)中的距離量，艦艇航向角、縱、橫搖角和光電跟蹤儀使用質(zhì)心跟蹤方式獲取的目標(biāo)的方位角、俯仰角及激光測(cè)距值，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)光電跟蹤儀光軸的水平旋轉(zhuǎn)方向，從而使光電跟蹤儀能夠根據(jù)該值自動(dòng)確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)。該方法是通過(guò)在現(xiàn)有艦載光電跟蹤儀操控程序中增加一段子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖2 目標(biāo)邊緣前點(diǎn)跟蹤方法原理

3 實(shí)現(xiàn)步驟

方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）搜索雷達(dá)開(kāi)機(jī)搜索目標(biāo)，情報(bào)臺(tái)對(duì)雷達(dá)點(diǎn)跡建航后經(jīng)火控臺(tái)向光電跟蹤儀發(fā)送目標(biāo)方位角、距離數(shù)據(jù)，導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作向武器系統(tǒng)提供本艦航向、航速和縱橫搖數(shù)據(jù)，光電跟蹤儀接收目指搜索、跟蹤目標(biāo)；

2）當(dāng)光電跟蹤儀對(duì)目標(biāo)角跟蹤好但激光無(wú)回波數(shù)據(jù)時(shí)，將每周期火控臺(tái)向光電跟蹤儀報(bào)文中的目標(biāo)距離與光電跟蹤儀所測(cè)的方位、俯仰組成本周期內(nèi)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)；

3）利用本周期內(nèi)火控臺(tái)至光電跟蹤儀報(bào)文中的已艦航向角、橫搖角和縱搖角進(jìn)行坐標(biāo)變換，將不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的極坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下（大地坐標(biāo)系下）的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)；

4）以下每一工作周期均進(jìn)行上述步驟1）、2）的內(nèi)容；

5）在每一周期內(nèi)求取大地坐標(biāo)系下目標(biāo)相對(duì)光電跟蹤儀的方位角；

6）求取方位角旋轉(zhuǎn)方向；

7）利用方位角旋轉(zhuǎn)方向確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)前邊緣跟蹤。

方法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)流程

4 具體實(shí)施方式

4.1 采集每跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息

當(dāng)光電跟蹤儀對(duì)目標(biāo)角跟蹤好但激光測(cè)距無(wú)回波數(shù)據(jù)時(shí)，采集每跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息（不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系）：方位角A、俯仰角E、距離D。其中方位角A和俯仰角E為光電跟蹤儀所測(cè)的目標(biāo)方位和俯仰，距離D為每周期火控臺(tái)向光電跟蹤儀報(bào)文中的目標(biāo)距離。

此時(shí)采集到的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息（A，E，D）均為不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為該坐標(biāo)系下直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)為（X，Y，Z），轉(zhuǎn)換方程如下［12］：

4.2 艦艇穩(wěn)定坐標(biāo)系下目標(biāo)數(shù)據(jù)信息

利用本周期內(nèi)火控臺(tái)至光電跟蹤儀報(bào)文中的已艦航向角H、橫搖角R和縱搖角P進(jìn)行坐標(biāo)變換，將不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的直角坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW），轉(zhuǎn)換公式為

利用式（2）將4.1中求取的不穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系（甲板坐標(biāo)系）下的直角坐標(biāo)表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)系表示的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW）：

4.3 求取穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下目標(biāo)的實(shí)時(shí)方位角

4.2中求出的本跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（XW，YW，ZW），根據(jù)公式：

可求取本跟蹤周期內(nèi)目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下相對(duì)于光電跟蹤儀的方位角 AW（數(shù)值范圍是-180°～180°）。光電跟蹤儀的數(shù)據(jù)處理周期記為T，則根據(jù)式（3）和 XW，YW的正負(fù)即可求出在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下 t0，t0+T，t0+2T，···，t0+（n-1）T時(shí)刻目標(biāo)的實(shí)時(shí)方位角為Aw1，Aw2，···，Aw（n-1）。

根據(jù)式（3）求取t1～t6時(shí)間內(nèi)的每時(shí)刻目標(biāo)在穩(wěn)定艦艇坐標(biāo)系下相對(duì)于光電跟蹤儀的方位角AW1～AW6。本文采用某航次數(shù)據(jù)，計(jì)算得到：

4.4 數(shù)據(jù)平滑處理

采用五點(diǎn)三次平滑公式對(duì)等間隔時(shí)刻的方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，具體方法為：在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)AWi的前后各取兩個(gè)相鄰點(diǎn) AW(i-2)，AW(i-1)和AW(i+1)，AW(i+2)，用三次多項(xiàng)式 AW=a0+a1t+a2t2+a3t3進(jìn)行逼近。

根據(jù)最小二乘原理確定出系數(shù)a0，a1，a2，a3，得到五點(diǎn)三次平滑公式：

利用五點(diǎn)三次平滑式（4）對(duì)方位角數(shù)據(jù)AW1～AW6五個(gè)一組依次進(jìn)行平滑處理。對(duì)第一組AW1，AW2，AW3，AW4，AW5進(jìn)行平滑：

通過(guò)判斷Δi的正負(fù)來(lái)判斷ti時(shí)刻光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向：如果Δi的符號(hào)為正，則可判斷出ti時(shí)刻光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

利用式（5）計(jì)算ti時(shí)刻方位角差Δi：

通過(guò)判斷Δi的正負(fù)來(lái)判斷ti時(shí)刻光電跟蹤儀的旋轉(zhuǎn)方向：由于Δ1～Δ5均為正，所以可以判斷出在t0～t5時(shí)間段內(nèi)，光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

4.6 確定邊緣跟蹤前點(diǎn)

根據(jù)方位角旋轉(zhuǎn)方向確定目標(biāo)邊緣前點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)前部跟蹤。本實(shí)例中t0～t5時(shí)間內(nèi)目標(biāo)相對(duì)于光電跟蹤儀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由此可以判斷出跟蹤目標(biāo)圖像的右邊緣即可完成目標(biāo)的頭部跟蹤。

5 結(jié)語(yǔ)

將本文方法編寫成一段子程序添加于光電跟蹤儀操控程序中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低空海飛行目標(biāo)相對(duì)光電跟蹤儀旋轉(zhuǎn)方向的自動(dòng)判別，縮短反應(yīng)時(shí)間，并能夠避免人工干預(yù)所帶來(lái)的誤判等問(wèn)題，從而對(duì)來(lái)襲的低空掠海導(dǎo)彈類目標(biāo)進(jìn)行有效地前邊緣跟蹤。對(duì)于提高近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)反超音速目標(biāo)效能有著重要意義。

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A Method for Shipborne Opto-electronic Tracker Tracking Forward Edge of Low Attitude Near-Sea Target

YANG PingZHANG Hui
（No.92941 Troops of PLA，Huludao 125001）

A method for shipborne opto-electronic tracker tracing forward edge of low attitude near-sea target is proposed in this paper.The method is realized via adding a subprogram to the manipulation program of shipborne Opto-electronic Tracker.Using target distance provided by weapon system，course，rolling and pitching angle of ship，azimuth，pithing angle and distance of targets obtained by opto-electronic tracker，horizontal rotation direction was calculated.Then，opto-electronic tracker determined the forward edge of target automatically，and realized tracking the forward edge of target，therefore，avoided the error of tracking the wake flame of target.

shipborne opto-electronic tracker，low attitude near-sea target，track

TN949

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.033

Class Number TN949

2017年5月10日，

2017年6月11日

陽(yáng)平，男，博士，工程師，研究方向：艦炮光電試驗(yàn)。張輝，男，高級(jí)工程師，研究方向：艦炮光電試驗(yàn)。