胡小麗，張偉光，張思琪，張三喜，張玉倫，王曉華

(1.中國華陰兵器試驗中心,陜西 華陰 714200；2.西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安710065)

引言

導引頭的性能對制導武器來說至關重要，在研制過程中需要對其性能進行考核和評估。目前，常見的有激光制導、圖像制導、微波制導等。激光制導、微波制導的導引頭由于不具備可視化功能，在實際環(huán)境中進行性能考核時，導引頭是否成功截獲指定目標、截獲目標后的穩(wěn)定跟蹤過程是否正常以及在穩(wěn)定跟蹤過程中出現(xiàn)的問題都不易得到及時、準確的定位和分析。室內仿真性能評估方法[1-2]與真實環(huán)境差異較大，室外掛飛方法[3]代價大，且不能提供姿態(tài)運動；文獻[4-8]所述方法不普適于激光、微波制導等導引頭，在跟蹤異常時難以得到及時、準確的反饋。

文中設計的可視化隨動導引頭運動方法可有效解決上述問題，利用可視化系統(tǒng)可將導引頭搜索、跟蹤目標的過程清晰成像，直觀顯示導引頭的整個工作過程，同時利用圖像跟蹤系統(tǒng)和圖像存儲系統(tǒng)保存關鍵性能參數(shù)，試驗完成后對導引頭的跟蹤性能進行處理，對導引頭的性能參數(shù)進行分析和評估。

1 可視化系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要用于伴隨導引頭運動，獲取可視化圖像和目標實時脫靶量，用于開展對導引頭跟蹤性能、抗干擾性能的評估。

系統(tǒng)主要由導引頭、電視成像分系統(tǒng)、伺服轉臺分系統(tǒng)、圖像存儲器、圖像跟蹤器、顯示控制分系統(tǒng)及輔助設備等部分組成。其中電視成像分系統(tǒng)、圖像跟蹤器、圖像存儲器在結構設計時組成在一起，使用時固定在轉臺分系統(tǒng)的俯仰軸上，作為轉臺的負載，可完成方位和俯仰兩個方向的運動。

轉臺分系統(tǒng)和導引頭通過固定裝置固定在系統(tǒng)的安裝裝置上，它們與顯示控制分系統(tǒng)通過電纜連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)結構布局如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構布局Fig.1 System structure layout

2 試驗場景設置

以搭載可見光系統(tǒng)的二維跟蹤轉臺的光電回轉中心為原點O建立三維坐標系,設定轉臺初始裝訂有效時刻為零時刻,此時所在的可見光光軸指向為X軸方向，以豎直向上的方向為Y軸方向,按照右手系確定Z軸方向。靶標可按照靜態(tài)或動態(tài)狀態(tài)設定，靶車形心為(X0,Y0,Z0)。為后續(xù)評估時間的同步性，在靶標及二維跟蹤轉臺上均加裝GPS信號以實現(xiàn)定位定時功能。為實現(xiàn)有效評估，可見光視場須與導引頭視場實現(xiàn)有效匹配，初始跟蹤轉臺在最遠作用距離以外，以一定速度在軌道上相對于靶車由遠及近行進，在行進過程中對目標施加遮蔽或干擾項，根據(jù)可視化圖像及脫靶量、轉臺輸出伺服數(shù)據(jù)以及導引頭輸出數(shù)據(jù)，對導引頭性能進行定量觀察及定性分析。

圖2 試驗場景設置Fig.2 Test scenario setting

3 可視化評估方法

無干擾狀態(tài)下通過有限的幾個特征點，通過可視化系統(tǒng)分析導引頭輸出數(shù)據(jù)正確性；同步分析導引頭與可視化圖像光軸的狀態(tài)關聯(lián)性。

根據(jù)GPS輸出的轉臺及靶車位置，判斷導引頭輸出數(shù)據(jù)是否正常;另外為后續(xù)可見光與導引頭運動狀況關聯(lián)奠定基礎。導引頭輸出數(shù)據(jù)驗證主要包括框架角/視線角/視線角速度。

已知條件:可見光鏡頭回轉中心坐標(Xc,Yc,Zc) 、由GPS位置推斷出導引頭的實時位置(XS,YS,ZS) 、機械軸中心坐標(Xd,Yd,Zd),可見光光軸指向角(A,E)、可見光圖像及脫靶量(Δx, Δy)、導引頭視線角 (qA,qE)、視線角速度(wA,wE)以及框架角(AS,ES)。

待求證:導引頭輸出信息包括:框架角/視線角及視線角速度是否正確可靠。

1) 視線角及視線角速度輸出驗證

以GPS測得的靶車中心及機械軸支點坐標,即為彈目連線;而本設計方案中,如圖1所示，導引頭無支撐轉臺,故運動過程中,彈軸不動而導引頭運動,故彈軸軸線可以設置為初始零度,視線角即為彈目連線，結果如圖3所示。而視線角速度即為視線角對時間的差分。

圖3 視線角示意圖Fig.3 Diagram of line-of-sight

a) 由GPS測得坐標推算彈目連線

由機械軸中心坐標(Xd,Yd,Zd)和靶車形心位置(X0,Y0,Z0),可以計算出導引頭至目標連線(方位tA(t)和俯仰角tE(t))的指向。

(1)

據(jù)上面分析，彈軸即為初始零度,故上一步的彈目連線即為導引頭輸出的視線角，因導引頭輸出數(shù)據(jù)精度約為0.1°～0.2°，則下面等式允許相應程度的誤差存在。另外，考慮導引頭傳輸延遲約為50 ms，故導引頭當前視線角 (qA,qE)對應50 ms以前的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)

b)對第一步獲取的視線角進行時間差分，與導引頭輸出的視線角速度(WA,WE)相等。

(3)

2) 導引頭輸出框架角驗證

(4)

圖4 導引頭與電視A角對比圖Fig.4 A-angle contrast diagram between seeker and TV

圖4所示為某型毫米波導引頭從空閑轉搜索再轉跟蹤，后至結束的過程，從圖4所示，兩者運動趨勢完全一致，除了過渡階段出現(xiàn)個別大值外，差值基本在0.5°以內，折算傳輸延遲及導引頭自身輸出精度考慮，可見光光軸可以反映導引頭光軸的運動狀態(tài)。干擾狀況下綜合導引頭自身輸出及可視化圖像同步分析,并進行數(shù)據(jù)可視化顯示。

圖5 可視系統(tǒng)記錄的激光導引頭跟蹤目標和干擾目標的過程Fig.5 Tracking and jamming processof laser seeker recorded by visual system

用可視化系統(tǒng)對某型激光導引頭的抗干擾性能進行測試，從導引頭輸出框架角圖6(a)可分析出，導引頭初始處于空閑狀態(tài)，后進入搜索狀態(tài)，維持某一數(shù)值并基本維持該狀態(tài)，后又進入搜索狀態(tài)，再次維持某一狀態(tài)，最后至結束。結合可視化電視圖像及脫靶量分析，明顯可以看出導引頭首先處于零時位置，后發(fā)現(xiàn)激光光斑目標后，快速轉至目標處，并維持狀態(tài)；后視場內出現(xiàn)干擾激光光斑，圖像開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，先在圖像中心小幅震蕩，后迅速轉自干擾激光光斑處；從圖6(b)脫靶量分析同步印證前面分析結果，初始零時無脫靶量輸出，后在轉向目標過程中，逐步鎖定目標，脫靶量由大變小，后幾乎在零值附近震蕩，至基本趨向穩(wěn)定；之后干擾激光光斑出現(xiàn)，脫靶量由小幅震蕩變?yōu)榇蠓秳樱筮M入搜索狀態(tài)，無脫靶量輸出，最后轉自干擾目標過程中，脫靶量又由大變小，最后趨向零值。

通過電視脫靶量分析，對導引頭跟蹤或抗干擾性能進行客觀綜合評估。

通過上述分析可知,可見光能很好地反映導引頭的運動狀況,故可見光視角能較好地匹配導引頭的視角,通過統(tǒng)計分析可見光圖像的脫靶量,即可反映出導引頭跟蹤目標的穩(wěn)定性和可靠性。為達到客觀綜合評判跟蹤結果，可采用動態(tài)誤差譜[9]方法，廣泛融合調和平均、幾何平均、算術平均和廣泛使用的均方根誤差，達到評估結果既不受小誤差值主導，又不受大誤差值主導的平衡結果。該方法尤其適用于多導引頭競標試驗性能比對。

圖6 干擾過程導引頭輸出與可見光電視脫靶量輸出圖Fig.6 Seeker output and visible TV miss distance output charts

4 結論

通過可視系統(tǒng)同步隨動導引頭運動的評估方法，克服了室內仿真不真實及室外掛飛代價高，且不能提供姿態(tài)運動的不足，將導引頭跟蹤，抗干擾等場景直觀可視，所得圖像及相關數(shù)據(jù)可用于導引頭性能定性及定量評估，為導引頭性能評估提供了一種比較有效的中間手段。