李時光 李 云 職 曉 磨國瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，電子對抗的手段也越來越多樣化，這就對精確制導武器的探測精度、抗干擾能力及穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。多模復合制導武器能夠充分發(fā)揮各制導體質(zhì)的優(yōu)勢，互相彌補各自的天然劣勢，從而達到強-強聯(lián)合的目的。自20世紀70年代中期以來，多模復合制導技術(shù)一直是精確制導武器的主要發(fā)展方向之一。

主動雷達/紅外成像復合制導是一種非常經(jīng)典的復合制導方式，目前國內(nèi)外已經(jīng)列裝或正在研制的主動雷達/紅外成像復合制導武器層出不窮。主動雷達具備在全天候、全天時下大范圍快速搜索和跟蹤目標能力，但隱蔽性較差，易于被敵方偵察、干擾，目標分類識別能力較差。而紅外成像制導具有測角精度高、抗電子干擾能力強、目標識別能力強等優(yōu)點，可以很好地解決復雜背景下目標選擇問題，但紅外制導易受天氣、戰(zhàn)場煙霧影響。采用雷達與紅外成像雙模復合制導可以提升導彈在復雜電磁環(huán)境和復雜背景下全天時、全天候探測制導能力并提升導彈的打擊精度、抗干擾性能及生存能力。

在雷達/紅外復合制導系統(tǒng)中，信息融合中心會接收到雷達和紅外分系統(tǒng)提供的大量信息，如雷達提供的角度、距離；紅外提供的角度、尺寸。這些信息有些是互補的，有些又是冗余的。同時，彈上系統(tǒng)對導引頭數(shù)據(jù)處理流程的實時性要求很高。因此，如何充分并高效地利用這些互補和冗余信息是信息融合系統(tǒng)需要解決的重要問題。

本文針對某毫米波雷達/紅外成像復合制導系統(tǒng)，給出了一種分布式信息融合方案，主要完成了信息融合策略的制定及對信息融合方案的測試驗證。

1 信息融合方案設(shè)計

多模復合導引頭的復合方式主要有分平臺、共平臺分孔徑、共平臺共孔徑三種，這三種復合方式各有優(yōu)劣[1]。本文從彈內(nèi)空間、開發(fā)成本、實現(xiàn)難度、復合精度等多方面需求出發(fā)，選取共平臺分孔徑方式作為導引頭復合結(jié)構(gòu)。

信息融合系統(tǒng)按照融合結(jié)構(gòu)可劃分為集中式、分布式、混合式和多級式[2-3]。在分布式融合系統(tǒng)中，每個傳感器首先對各自的本地觀測數(shù)據(jù)進行航跡跟蹤，產(chǎn)生本地航跡，然后由融合中心進行信息融合處理并形成融合航跡。與其他三種融合系統(tǒng)相比，分布式信息融合系統(tǒng)的融合精度雖然不高，但其具有運算量小、通信負擔輕、成本低、易于工程實現(xiàn)的優(yōu)勢[4-5]，而且不論哪個單模傳感器失效時，整個導引頭系統(tǒng)仍能正常工作，具有較高的可靠性和容錯性[6]。

本文結(jié)合毫米波雷達/紅外成像復合制導系統(tǒng)總體方案，在現(xiàn)有硬件條件下，綜合考慮開發(fā)成本、運算量、通信速率等因素，給出了一種分布式信息融合方案，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 分布式信息融合方案結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，雷達與紅外分系統(tǒng)首先分別完成對同一目標環(huán)境的觀測，得到雷達回波數(shù)據(jù)和紅外圖像。接下來，雷達/紅外分系統(tǒng)分別對各自的觀測數(shù)據(jù)進行處理，形成本地航跡，然后，分別將各自形成的航跡及狀態(tài)信息送往信息融合中心，由信息融合中心完成對這兩種傳感器航跡信息的時空配準、航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合等處理，最后形成用于引導伺服運動和導彈飛行的系統(tǒng)航跡。

與雷達和紅外分系統(tǒng)相比，信息融合中心掌握著最全面的決策層信息，因此，本方案中，信息融合中心在進行航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合等算法處理的同時，會根據(jù)雷達和紅外上報的各分系統(tǒng)當前所處的工作狀態(tài)作出分析和判決，對各分系統(tǒng)的工作方式進行實時反饋和控制，輔助并引導各分系統(tǒng)完成對目標的檢測和跟蹤。

2 信息融合策略制定

在復合導引頭工作過程中，雷達、紅外分系統(tǒng)的工作狀態(tài)均主要有搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)。融合器主要有6種工作狀態(tài)：雷達搜索、紅外搜索、復合搜索、雷達跟蹤、紅外跟蹤和復合跟蹤。融合器會根據(jù)各分系統(tǒng)上報的實時狀態(tài)信息在以上6種工作狀態(tài)中完成切換。在某一特定時刻，融合器只會處于以上6種狀態(tài)中的特定一種，在每種狀態(tài)下，融合器都會向雷達、紅外及伺服平臺發(fā)送相應(yīng)的控制指令和數(shù)據(jù)，以此來引導各分系統(tǒng)進行相應(yīng)的操作。

如前文所述，本文采用分布式信息融合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢在于信息融合系統(tǒng)對各分系統(tǒng)的依賴性比較低，不論雷達還是紅外，都可以在另一種傳感器不開機或失效的情況下獨立完成制導。因此，復合導引頭信息融合中心的控制流程需要在雷達單模制導、紅外單模制導、雷達/紅外雙模復合制導這3種情況下討論。

1)雷達單模制導

當雷達單模制導時，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖2所示。

圖2 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(雷達單模制導)

當融合器得知雷達處于搜索狀態(tài)時，融合器將處于雷達搜索狀態(tài)，在此狀態(tài)下，融合器一方面關(guān)注雷達是否搜索到目標，一方面控制伺服平臺運動以實現(xiàn)雷達天線的掃描。當融合器收到雷達上報的目標并判斷該目標有效后，向雷達發(fā)送“定位捕獲”指令，若雷達未能成功捕獲目標，則融合器停留在雷達搜索狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)入雷達跟蹤狀態(tài)，在雷達跟蹤狀態(tài)下，融合器一方面利用雷達航跡更新系統(tǒng)航跡，一方面實時監(jiān)控雷達是否穩(wěn)定跟蹤目標，一旦雷達丟失目標，融合器將轉(zhuǎn)入雷達搜索狀態(tài)，并向雷達下發(fā)搜索指令，重新檢測目標。

2)紅外單模制導

當紅外單模制導時，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖3所示。與雷達單模制導的情況類似，融合器一方面通過紅外分系統(tǒng)上報的狀態(tài)來切換自身的工作狀態(tài)，一方面通過“紅外搜索”、“定位捕獲”等指令來引導紅外分系統(tǒng)的工作，同時控制伺服平臺的運動，具體的狀態(tài)切換過程不做贅述，可參考“雷達單模制導”情況。

圖3 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(紅外單模制導)

3)雙模復合制導

當雙模同時開機時，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖4所示。

圖4 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(雙模復合制導)

在這種情況下，融合器首先處于復合搜索狀態(tài)，在此狀態(tài)下，不斷實時監(jiān)測雷達/紅外分系統(tǒng)是否搜索到目標，此時有兩種情況：

①雷達先搜索到目標并進入跟蹤狀態(tài)。這種情況下，融合器轉(zhuǎn)入雷達跟蹤狀態(tài)。此時，融合器會根據(jù)雷達航跡控制伺服平臺的位置，并向紅外分系統(tǒng)發(fā)送“定位捕獲”指令，引導紅外檢測當前視場內(nèi)的目標，若紅外檢測到目標并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，則融合器進入復合跟蹤狀態(tài)。

②紅外先搜索到目標并進入跟蹤狀態(tài)。此時，融合器轉(zhuǎn)入紅外跟蹤狀態(tài)，并根據(jù)紅外航跡控制伺服平臺，同時向雷達發(fā)送“定位捕獲”指令，引導雷達對當前視場內(nèi)的目標進行檢測，若雷達也成功捕獲目標并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，則融合器轉(zhuǎn)入復合跟蹤狀態(tài)。

當融合器處于復合跟蹤狀態(tài)時，融合器一方面對雷達和紅外上報的目標位置和狀態(tài)信息進行關(guān)聯(lián)融合，另一方面實時關(guān)注各分系統(tǒng)是否穩(wěn)定跟蹤目標。若雷達丟失目標，則融合器進入紅外跟蹤狀態(tài)，利用紅外跟蹤的目標信息作為引導，指示雷達在特定視場內(nèi)進行目標檢測；若紅外丟失目標，融合器轉(zhuǎn)入雷達跟蹤狀態(tài)，此時借助雷達上報的目標信息引導紅外進行定位檢測；若雷達、紅外均丟失目標，則融合器進入復合搜索狀態(tài)，重新進行目標檢測。

如前文所述，如果雷達(紅外)成功捕獲并穩(wěn)定跟蹤了某個目標，而紅外(雷達)未檢測到或丟失目標，融合器都可以將穩(wěn)定跟蹤目標的狀態(tài)數(shù)據(jù)作為指示信息引導紅外(雷達)進行定位檢測。由此可見，如果將雷達和紅外比作人的“耳朵”和“眼睛”，那么融合器則承擔著“大腦”的角色，它既要實現(xiàn)雷達、紅外傳感器數(shù)據(jù)的共享，使得二者能夠相互借鑒，互相指引，又要根據(jù)這兩個傳感器上報的目標信息進行綜合判斷，并作出決策，實時計算出用于引導伺服運動和導彈飛行的控制信息。因此，如何在跟蹤狀態(tài)(包括雷達跟蹤狀態(tài)、紅外跟蹤狀態(tài)和復合跟蹤狀態(tài))下充分利用雷達/紅外傳感器實時上報的測量數(shù)據(jù)是信息融合系統(tǒng)需要解決的重要問題。

本文結(jié)合實際應(yīng)用背景及雷達/紅外分系統(tǒng)的性能，制定了如圖5所示的融合器數(shù)據(jù)處理流程，主要解決了如何在跟蹤狀態(tài)下更新系統(tǒng)航跡的問題。

如圖5所示，復合導引頭開機后，會根據(jù)彈上綜控機裝訂的指示信息進行目標檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果在合適的時機進入跟蹤狀態(tài)，這里分三種情況進行討論：

圖5 信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

1)僅雷達穩(wěn)定跟蹤目標。使用雷達航跡更新系統(tǒng)航跡，并向紅外發(fā)送“定位捕獲”指令，令紅外在當前視場內(nèi)進行目標檢測。

2)僅紅外穩(wěn)定跟蹤目標。使用紅外航跡更新系統(tǒng)航跡，并向雷達發(fā)送“定位捕獲“指令，令雷達在當前視場內(nèi)進行目標檢測。

3)雷達紅外均穩(wěn)定跟蹤目標。此時，首先將雷達/紅外上報的航跡信息配準到同一時間節(jié)點和同一空間坐標系下，再對配準后的航跡進行關(guān)聯(lián)。若關(guān)聯(lián)成功，則認為雷達/紅外跟蹤同一目標，融合器對關(guān)聯(lián)上的航跡對進行航跡融合，并使用融合航跡更新系統(tǒng)航跡；若未能關(guān)聯(lián)成功，則認為雷達/紅外跟蹤的不是同一目標，此時對目標的距離信息進行判斷，若目標距離小于R，則使用紅外航跡更新系統(tǒng)航跡，否則使用雷達航跡更新系統(tǒng)航跡。

3 系統(tǒng)測試及分析

為驗證上述信息融合方案及相關(guān)算法的有效性和合理性，本項目組進行了多組外場試驗。接下來以其中兩組典型試驗場景為例，進行試驗結(jié)果分析。

1)場景1：目標船靜止，與導引頭之間的距離小于R，雷達/紅外向融合器上報的目標角度以及經(jīng)過融合處理后得到的融合角度信息如圖6所示。A時刻前，雷達/紅外復合跟蹤目標船，雷達航跡與紅外航跡關(guān)聯(lián)失敗，按照圖5所示的數(shù)據(jù)處理流程，融合器以紅外航跡更新系統(tǒng)航跡。從A時刻開始，另一艘船只從目標船旁邊經(jīng)過，雷達受到該船只的干擾，丟失目標船，轉(zhuǎn)而跟蹤干擾船只，但紅外未受到干擾，仍然跟蹤目標船。到B時刻，雷達目標丟失，此時，融合器進入紅外跟蹤狀態(tài)。按照圖4所示的信息融合策略，融合器并向雷達發(fā)送“定位捕獲”指令，以紅外跟蹤目標的角度信息為指向，引導雷達在當前視場內(nèi)重新進行目標檢測。到C時刻，雷達重新捕獲目標船，融合器再次進入復合跟蹤狀態(tài)。

圖6 雷達受干擾情況

2)場景2：目標船慢速運動，與導引頭相距超過R。雷達偏差角、紅外偏差角以及融合偏差角如圖7所示。在A時刻之前，雷達/紅外復合跟蹤目標船，雷達/紅外航跡關(guān)聯(lián)成功，融合器以融合航跡更新系統(tǒng)航跡。A時刻開始，一艘尺寸較大的船只從視場內(nèi)經(jīng)過，紅外受到該船的拖引，丟失目標船，轉(zhuǎn)而跟蹤干擾船只，但干擾船只并不在雷達跟蹤波門內(nèi)，因此雷達未受到干擾，仍然跟蹤目標船。到B時刻，紅外進入目標丟失狀態(tài)，按照圖4所示的信息融合策略，融合器此時向紅外發(fā)送“定位捕獲”指令，以雷達跟蹤目標的角度信息引導紅外進行定位檢測，直到C時刻，紅外重新捕獲到目標船，融合器再次進入復合跟蹤狀態(tài)。

圖7 紅外受干擾情況

從以上兩組試驗可以看出，當融合器處于復合跟蹤狀態(tài)時，能夠根據(jù)目標信息及各單模傳感器的優(yōu)勢選擇合適的策略來更新系統(tǒng)航跡，當某一模傳感器受到干擾或處于目標丟失狀態(tài)時，融合器都能夠根據(jù)另一模傳感器航跡更新系統(tǒng)航跡，并引導受干擾或丟失目標的傳感器進行定位檢測，重新捕獲目標。由此可見，前文所述的信息融合策略能夠高效并充分利用雷達/紅外分系統(tǒng)上報的測量信息，并根據(jù)二者的優(yōu)勢來來彌補對方的劣勢，使得各分系統(tǒng)互為指示，提高了導引頭的跟蹤性能和抗干擾能力。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種分布式信息融合方案，并制定了信息融合系統(tǒng)融合策略和控制流程。最后通過幾組外場實驗表明：該信息融合方案能夠合理并高效地利用雷達和紅外提供的信息，間接完成異類傳感器之間的數(shù)據(jù)共享，使得雷達和紅外分系統(tǒng)能夠互相引導，盡可能地彌補了對方工作體制上的不足，有效提升了復合導引頭的整體性能，為復合導引頭的研制提供了較高的參考價值。