基于无伞旋转扫描的复合探测技术研究

杨庆国，肖贵林，陈 军

(湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引言

21世纪，信息技术飞速发展，特别是大规模集成电路、超高速集成电路以及计算机控制系统在弹药技术发展中得到广泛应用，弹药已今非昔比，一批机理独特、威力强大、颇具灵性的智能化弹药将脱颖而出[1-4]。从战场及目标变化、平台的发展等多方面因素，迫使研制一种灵巧弹药。传统的弹药已经不满足现代信息化战争需求[5-6]，必须发展具有自主探测、发现目标的灵巧弹药，使打击目标由面到点，实现高效毁伤[7]。而当前的末敏弹药都是带有减速伞系统，不仅增加了系统的体积和重量，而且在攻击目标的时候也会受到外部因素的影响。基于毫米波和红外的复合探测技术[8]是末敏弹药的核心技术，接收目标区域内物体的辐射信息，通过信号处理电路对接收到的模拟信号进行放大、变频、检波等处理，转化为时域波形信号，并对其进行特征值提取，通过信息决策算法和特征值阈值判定[9]，最终判断被探测到的物体是否满足目标特性的遥感和探测技术。

为了提高抗风干扰能力，并缩短扫描间距，增大扫描面积，降低目标被遗漏的概率，采用一种新的无伞化的旋转扫描方法，以提高末端敏感探测系统的性能，通过仿真分析和旋转扫描试验，完成复合探测技术的应用研究和验证。

1 复合探测系统设计

复合探测系统作为灵巧弹药的核心单元，主要采用毫米波和红外的双模探测模式，将毫米波和红外分别设计为独立的信号通道，目标信号在进入信号处理电路之前均已通过A/D采样电路转换为数字信息。信号处理电路主要完成对红外和毫米波信息的融合处理，进行目标特征值测定，并与目标模板库进行特征比较，当目标波形识别判定目标为“真”时，进行目标中心识别，输出目标识别结果。复合探测系统的硬件电路原理框图如图1所示。

图1 原理框图

由毫米波和红外探测器获取的模拟信号，进行A/D变换，将连续的模拟量变换为离散的数字信号。经分析目标波形的宽度为5 ms～15 ms，为了在信号峰值后的2.5 ms内起爆，采用一次扫描准则，必须在信号的半个周期时间内完成全部识别工作，若要采样点数到达100点，则采样频率应为0.05 ms～0.15 ms， 采用5点滑动平均，则选取的采样频率大于100 kHz。对采样后的信号采用信号剔点、平滑等技术作预处理，由软件采用模块化设计方法来实现，软件架构如图2所示。复合信号特征参数信息融合处理一般有数据层融合、特征层融合和决策层融合三个层面的处理方法。根据本系统信号处理特点，采用决策层融合处理方法。选取信号能量、峰值、脉冲宽度等参数作为目标特征量，采用统计模式识别方法，预先在各个交汇条件下对不同目标进行计算、统计、综合，选取输出信号的波形能量、宽度、峰值作为特征值，建立在不同高度下真目标机两类与真目标近似的假目标的特征库，识别真假目标。同比于单模识别方法，该方法具有良好的识别能力。

图2 软件架构图

当系统抛射出去，在空中旋转扫描，探测系统开始工作，探测器进入既定距离，开始搜索目标，信号处理器对采样数据进行平滑处理，根据背景信号的变化，连续滑动求取背景信号的平均电平，计算动态门阈值，并不断搜索目标。当信号处理器发现平滑处理后的采样数据连续三个或五个点超过动态门阈值，则进行目标特征值测定，并与目标特征库进行比较，当目标波形识别判断目标为真时，进行目标中心识别。经中心识别后，并根据延迟效应，进行动态时间补偿，输出发火信号。

2 无伞旋转扫描特性分析

本文以70 m攻击距离作为目标识别最大距离，以30°作为扫描天顶角，以30 r/s作为弹药稳态转速，可计算出弹药在1 s内扫描的最大路径为6 597 m；以主战坦克作为典型目标，其等效外形尺寸为3×6 m2金属板，以短边3 m作为最小目标敏感路径，可计算出探测器扫描该目标的最短时间为0.455 ms。考虑数字信号处理的需要，目标信号采用的数据样本不小于60个，每个样本采用5点滑动平均，则探测器采样时间小于1.52 ns，即探测器采样频率大于660 kHz。在确保探测器采样频率的前提下，用统计模式识别等算法进行分析比对。

目标切向中心主要由毫米波确定，其判别方法采用最大幅度法，其判定误差与扫描天线波速宽度有关。理论上，当目标投影面积与天线波束面积的占空比在0.2～1范围内，天线波速中心误差为天线波束宽度的5～15%，以10%为例，目标切向中心定位误差为0.05，可知目标切向中心定位误差如表1所示。

表1 目标切向中心定位误差

由表1可见，随着距离的增加，目标切向中心定位误差将增大，在距离150 m处，中心定位误差可达到±0.55 m；在距离70 m处，中心定位误差不大于±0.29 m。

复合探测系统吸引利用光轴扫描目标时获得的目标信号波形的脉冲顶点，来判别目标中心。下面分别从毫米波和红外的扫描视场面积进行分析。

以毫米波天线半功率波束宽度为4.2°时，在不同斜距上毫米波探测器视场面积如表2所示。

表2 毫米波探测器视场面积

以红外探测器视场角为0.64°、以60°下视角扫描地面目标时，在不同斜距上探测器视场面积如表3所示。

表3 红外探测器视场面积

探测器视场直径小，直接提高了径向定位精度，可以认为探测器有脉冲输出时，波束中心己经在目标上。由于复合探测系统是由空中向地面进行无伞旋转扫描，其在地面的扫描路径为其速度方向上平移的螺线，其扫描螺距与系统抛撒时的天向速度、水平速度以及抛撒点高度有关。

当扫描线与目标交汇时，在扫描线切线方向上，目标处于扫描区域中心点时，信号强度最强。因此对于目标的切向中心点可以采用最大幅度法判定，其扫描过程图如图3所示。

图3 扫描过程图

目标径向中心可由扫描区域较小的探测器判定，当扫描区域较小的探测器信号强度达到既定阈值时，即可判定目标在扫描区域靠近中心位置；如信号强度的峰值都不能达到阈值，说明目标偏离径向中心较远，不在扫描区域中心位置。

3 试验验证

3.1 试验系统构成

本文利用高台进行旋转扫描试验，获取在实际距离上对真实目标探测的信号波形和识别信息。试验场地和布置如图4所示。

图4 旋转扫描试验构图

通过复合探测系统天线波束和光斑对地面金属目标的扫描探测，金属目标与地面产生的毫米波和红外辐射温度差由复合探测器接收，获得目标信号波形，经信号处理电路处理后，给出识别信号；扫描转速、天线光轴与地面探测夹角等末敏探测可通过转台转速及夹具调整。试验采用复合探测系统测试样机装于转速可控的专用转台上，通过控制转台速度实现模拟复合探测系统在空中的扫描搜索，并采用采集卡对相关信号进行采集与存储试验数据，用于仿真分析。本试验转台设置为4 r/s，天线主波束光轴与地面探测夹角为30°。

3.2 试验结果

本文通过采集无伞旋转扫描下的复合探测数据特征，分别从目标探测试验、响应能力试验、探测性能试验和信号判决试验进行验证与分析。

3.2.1 目标探测试验

本试验可以通过有无目标来对比分析探测性能。

无目标信号试验是为了获得无目标状态下探测系统底噪实测值。经过试验，获取的纯背景下的信号特征如图5(a)所示，图中横坐标为数据点个数(105)，纵坐标为数据点电压值，从图中可以分析出，对于无目标纯背景下的探测，信号基本呈现无规则性，探测系统输出数据的峰值基本低于0.4 V，最大峰值在0.7 V左右。

图5 信号特征对比图

理想目标信号试验是验证信号对目标的存在性，经过试验，获取的理想目标下的信号特征如图5(b)所示，图中横坐标为数据点个数(105)，纵坐标为数据点电压值，从图中可以分析出，对于理想目标下的探测，信号呈现出规则性，探测系统输出数据的峰值基本在3.3 V左右。

可以看出，在无目标的纯背景状态下，探测输出信号基本呈现出无规则性，输出数据基本在0.4 V～0.5 V之间；而在理想目标信号状态下，输出信号已经饱和(大于3.3 V)。由此可见，红外敏感器拥有较大的目标信号探测空间2.8 V。

3.2.2 响应能力试验

本试验是为了分析验证探测系统的响应频率。获取的毫米波输出信号、红外输出信号和目标识别输出信号数据如图6所示，横坐标为数据点个数(105)，纵坐标为数据点电压值(V)。

图6 信号特征图

可以看出，在复合探测系统工作过程中，采集的数据点个数大于16×105。以转台4 r/s的转速，每秒扫描4次目标，即采集4个尖峰波形的时间为1 s。从图中看出，4个尖峰完整波形的数据点为10 000个， 即可得知探测系统信号数据输出频率为10 kHz。

高度100 m时扫描目标的时间为1.27 ms；高度50 m时扫描目标的时间为2.22 ms；高度30 m时扫描目标的时间为3.5 ms；高度20 m时扫描目标的时间为5 ms。

取最大高度100 m下的扫描时间最短，即为1.27 ms。 在10 kHz的信号输出频率下，探测系统扫描目标时，能产生12.7个数据点，取整后可得12个数据点，能够满足目标信号特征的判定要求。

3.2.3 探测性能试验

本试验是为了验证探测系统在100 m距离上的探测能力，同时进行了数字仿真分析。

在高台试验前验证红外探测器探测距离是否能够达到100 m，需要考虑等效后的红外辐射能量是否能满足最小可检测能量。为了验证红外探测器接收到的目标信号能量与距离之间的关系，设计了一系列室内测试试验，主要针对14×10 cm2铁板在1 m～5 m之间每隔0.5 m采用已调好的红外探测器测试，得到如下结果：在距离小于1 m时，红外探测器接收到的能量与距离大致成反比；在距离大于1 m时，红外探测器接收到的能量与距离的平方大致成反比。从而得出探测角度与红外辐射能量之间的关系，通过试验数据拟合，可以算出实际探测100 m高度，方向角27°条件下和现有试验平台43 m探测距离，方向角53°条件下，接收能量之间的关系，见表4。

表4 探测距离和能量关系

理想情况下，两种方向角探测，探测器接收到同一目标辐射信号之比为2.69。探测距离112 m与43 m的能量比值为0.27。以本试验43 m的距离推算到112 m距离，信号强度会减小到原来的0.27 倍。因此，在112 m斜距，27°方向角探测下，其获取到的信号强度是43 m斜距，53°方向角探测获取信号强度的倍数为0.73，将该值转换成幅度倍率，其值为0.53倍。

本试验是为了辅助分析探测距离及接收能量强度，采用试验项3.2.2小节的数据分析可知：43 m探测距离上红外敏感器回波基本大于1.1 V。

取最小值进行缩比计算，可得112 m探测距离上回波强度为0.58 V。

通过上述可知在100 m高度，方向角27°，112 m斜距下，回波强度为0.58 V，考虑底噪在0.4 V左右，具有信号有效识别的幅值空间。

3.2.4 信号判决试验

本试验是为了验证复合探测系统对于信息融合判决的能力。经过试验，获取到的试验数据信号特征如图7所示，图中上部分为毫米波输出信号，中间部分为红外输出信号，下部分为目标识别输出信号。横坐标为数据点个数(105)，纵坐标为数据点电压值(V)。

从图7中可得出，探测系统在其工作期间，针对试验理想目标，能在单位时间内完成4次目标判决，满足试验设计的4转/s的条件，以此说明探测系统拥有能够正常判别目标的能力。

图7 信号特征图

4 结论

本文提出了一种基于无伞旋转扫描的复合探测技术方法。该方法通过搭建系统高台，采集无伞旋转扫描下的复合探测数据特征，并通过对目标探测、响应能力、探测性能和信号判决进行试验验证与分析。试验验证表明，该方法有效地提高了无伞灵巧弹药的探测能力，为灵巧弹药系统的自主探测、精确打击提供了有力的支撑。