王丹妮，李 野，蔡文澤，孫 策

(1 長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；3 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119)

0 引言

末敏彈是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中一種靈巧作戰(zhàn)武器，它利用探測(cè)器對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行掃描、探測(cè)、識(shí)別、定位，最終起爆戰(zhàn)斗部，命中目標(biāo)。當(dāng)末敏彈下落到距離地面滿足射程的一定高度時(shí)，開(kāi)始勻速下落且以一定的轉(zhuǎn)速對(duì)地面目標(biāo)掃描探測(cè)，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和定位。目標(biāo)的有效識(shí)別和精確定位是實(shí)現(xiàn)精確打擊的先決條件。

現(xiàn)有末敏彈的探測(cè)器基本上采用單元紅外輻射計(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，但這種方式缺乏目標(biāo)的尺寸信息，定位精度不高。因此目前通過(guò)對(duì)目標(biāo)尺寸的獲取實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊已成為末敏彈探測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。在此背景下，多元紅外探測(cè)及識(shí)別定位方法研究成為末敏彈探測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

為研究多元紅外探測(cè)器的目標(biāo)識(shí)別和定位過(guò)程，建立了線陣紅外穩(wěn)態(tài)掃描模型，提出了一種多元紅外掃描探測(cè)及目標(biāo)識(shí)別定位方法。通過(guò)仿真分析，比較了單元和多元紅外探測(cè)器識(shí)別定位能力，為末敏彈多元紅外探測(cè)及目標(biāo)識(shí)別定位提供了基礎(chǔ)和有價(jià)值的參考。

1 線陣紅外掃描探測(cè)模型

1.1 末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描工作原理

末敏彈經(jīng)火炮發(fā)射后，飛行到指定區(qū)域上空，母彈開(kāi)艙拋出子彈，末敏子彈減速減旋穩(wěn)定后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描階段，穩(wěn)態(tài)掃描原理如圖1所示。

圖1 末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描原理

末敏彈以掃描角、轉(zhuǎn)速，下落速度對(duì)地面掃描，穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)下，可近似認(rèn)為,,為常數(shù)。掃描間距為Δ，初始掃描位置為，初始位置與軸成角度，經(jīng)時(shí)間后為掃描螺線上的點(diǎn)，其坐標(biāo)可表示為:

(1)

相鄰螺線的距離Δ為：

(2)

1.2 線陣紅外掃描探測(cè)方式

與單元掃描不同的是，線陣紅外掃描利用線性排列的紅外探測(cè)器同時(shí)掃描探測(cè)地面目標(biāo)，如圖2所示，為線陣紅外探測(cè)器掃描線速度。

圖2 紅外線性陣列探測(cè)

單元紅外掃描只含有一條掃描線，掃上目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生目標(biāo)幅值響應(yīng)，起爆戰(zhàn)斗部攻擊目標(biāo)。單元掃描無(wú)法獲取目標(biāo)尺寸信息，只能通過(guò)對(duì)目標(biāo)溫度的幅值響應(yīng)排除偽目標(biāo)。另外，單元掃描獲取的是一維尺寸信息，無(wú)法獲取目標(biāo)的二維尺寸信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。而多元紅外掃描可以獲取目標(biāo)尺寸和方位信息，利用對(duì)溫度的幅值響應(yīng)和尺寸信息共同識(shí)別目標(biāo)，提高偽裝目標(biāo)的識(shí)別能力。

2 目標(biāo)識(shí)別與定位方法

與單元紅外掃描不同的是，多元紅外掃描探測(cè)時(shí)，實(shí)時(shí)處理多路信號(hào)，從多路信號(hào)可以識(shí)別和定位目標(biāo)，目標(biāo)識(shí)別和定位算法如圖3所示。

圖3 目標(biāo)識(shí)別與定位算法

線陣紅外探測(cè)器掃描探測(cè)目標(biāo)，獲取目標(biāo)信息，該過(guò)程如圖4所示，信號(hào)幅值變化如圖5所示。

圖4 多元紅外掃描過(guò)程示意圖

圖5 掃描信號(hào)幅值變化

以圖4(a)為目標(biāo)未進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)，只有地面輻射響應(yīng)，如圖5的區(qū)域所示；圖4(b)為目標(biāo)部分進(jìn)入掃描區(qū)域，邊緣探測(cè)元響應(yīng)，產(chǎn)生目標(biāo)幅值響應(yīng)；圖4(c)為目標(biāo)完全進(jìn)入掃描區(qū)域。這時(shí)利用設(shè)置的幅值閾值(和分別為低高幅值閾值)檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的響應(yīng)幅值是否在高低閾值的限定范圍，如圖5的區(qū)域所示。利用式(3)判斷該幅值響應(yīng)是否為待攻擊目標(biāo)發(fā)出的。

(3)

多元掃描探測(cè)利用不同探測(cè)單元的響應(yīng)和時(shí)序關(guān)系判斷目標(biāo)位置，當(dāng)邊緣探測(cè)單元探測(cè)到目標(biāo)，而中心探測(cè)元未探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，如圖4(b)所示，這時(shí)并不起爆戰(zhàn)斗部，而是讓末敏彈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)目標(biāo)熱區(qū)完全進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)，如圖4(c)所示，利用每條探測(cè)信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)刻和各掃描信號(hào)的時(shí)序關(guān)系可以計(jì)算出目標(biāo)的尺寸信息。判斷目標(biāo)尺寸是否為預(yù)攻擊的目標(biāo)尺寸，判斷準(zhǔn)則如式(4)所示。

(4)

式中:假設(shè)目標(biāo)熱區(qū)為正方形，為掃描計(jì)算出的目標(biāo)熱區(qū)邊長(zhǎng)；′為實(shí)際的目標(biāo)熱區(qū)邊長(zhǎng)；為計(jì)算出的目標(biāo)熱區(qū)面積；′為實(shí)際的目標(biāo)熱區(qū)面積；Δ、Δ無(wú)限趨近于0。當(dāng)滿足式(4)時(shí)，掃描計(jì)算出的目標(biāo)熱區(qū)尺寸為待攻擊的目標(biāo)熱區(qū)尺寸。

3 仿真與結(jié)果分析

對(duì)末敏子彈目標(biāo)識(shí)別和定位算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真中，固定子彈位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，子彈從初始120 m開(kāi)始進(jìn)入識(shí)別與定位過(guò)程，低于20 m停止掃描;目標(biāo)熱區(qū)尺寸為1.8 m×1.8 m，目標(biāo)中心等概率落在坐標(biāo)原點(diǎn)周?chē)?20 m×120 m的區(qū)域，子彈轉(zhuǎn)速為5 rad/s，落速為10 m/s，掃描角為30°，地面溫度為10°～15°。

3.1 目標(biāo)識(shí)別仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉(zhuǎn)下落過(guò)程，各掃描6次，每次地面上放有一個(gè)典型目標(biāo)，驗(yàn)證單元和多元探測(cè)器的目標(biāo)識(shí)別能力。典型目標(biāo)熱區(qū)參數(shù)如表1所示，單元和7元仿真過(guò)程如圖6所示。

表1 目標(biāo)熱區(qū)參數(shù)表

圖6 單元和多元探測(cè)器目標(biāo)識(shí)別

表2為單元和多元探測(cè)器目標(biāo)識(shí)別結(jié)果，從該表可以看出，單元探測(cè)器識(shí)別只能利用溫度閾值判斷目標(biāo)真假，不能識(shí)別不同尺寸的偽目標(biāo)，而多元探測(cè)器可以利用尺寸和溫度共同識(shí)別目標(biāo)。

表2 單元和多元探測(cè)器識(shí)別結(jié)果

3.2 目標(biāo)定位仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉(zhuǎn)下落過(guò)程，各掃描6次，每次地面上放有一個(gè)目標(biāo)，驗(yàn)證單元和多元末敏彈的定位能力。目標(biāo)熱區(qū)中心坐標(biāo)如表3所示，單元仿真和多元仿真過(guò)程如圖7所示。

表3 目標(biāo)熱區(qū)中心

圖7 單元和多元末敏彈目標(biāo)定位

表4為單元和多元探測(cè)器目標(biāo)熱區(qū)定位結(jié)果。

表4 單元和多元探測(cè)器目標(biāo)熱區(qū)定位結(jié)果

從表4可以看出，單元探測(cè)器定位能力差，掃描線掃到目標(biāo)什么位置則定位到目標(biāo)什么位置，然后起爆戰(zhàn)斗部；而多元探測(cè)器不同，當(dāng)多元探測(cè)器邊緣探測(cè)元探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，并不起爆戰(zhàn)斗部，允許目標(biāo)熱區(qū)進(jìn)入到多元探測(cè)器掃描的中心區(qū)域后再起爆戰(zhàn)斗部，提高了定位精度。

4 結(jié)論

文中建立了末敏彈線陣紅外掃描探測(cè)模型，提出了多元紅外掃描探測(cè)目標(biāo)識(shí)別與定位方法，并對(duì)所提方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。仿真結(jié)果表明與一元紅外掃描探測(cè)相比，采用線陣紅外掃描探測(cè)可以獲取目標(biāo)熱區(qū)尺寸，提高目標(biāo)識(shí)別能力和定位精度。