一种末敏弹多元红外探测尺寸解算和定位方法

魏京超，豆俊奇，孙 策

(1 青岛兴道新特科技有限公司，山东 青岛 266400；2 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119)

0 引言

末敏弹作为现代战场的一种智能弹药,它通过边旋转下落边扫描探测的方式搜寻和打击目标[1]。前端敏感器利用目标和背景的辐射差异探测目标[2]。当发现目标时,引爆战斗部朝向目标发射[3]。因此,目标识别和定位对于成功打击至关重要。

单元探测扫描只能获取一条扫描信号,末敏弹无法判定扫描线所扫到目标的位置,无法判定打击落点是否在中心区域[4]。多元红外敏感器具有同时获取多条扫描线的能力,可理解为对地面目标“成二维像”。通过该红外二维像计算目标热区尺寸和中心[5]。

和单元目标识别只能利用信号响应幅值判别相比[6],多元扫描探测可利用尺寸匹配方法[7]进一步识别目标,提高排伪能力,同时又可以获取战斗部指向地面目标的位置,判断是否对准中心区域。文献[8]提出了一种多元红外探测识别的检测算法,未具体给出尺寸计算方法。在该文献基础之上,提出了一种热区尺寸计算方法和定位方法,为多元红外探测提供技术支撑。

1 多元红外旋转扫描原理

末敏子弹从抛射出开始边下落边旋转进入稳态扫描阶段[9],该阶段原理如图1所示。

图1 末敏子弹多元探测稳态扫描Fig.1 Steady-state scanning of multi-element detection of terminal sensitive projectile

末敏弹以扫描角θ、转速ω和下落速度v对地面扫描,扫描间距为ΔR。初始扫描位置为A0(与X轴成角度α),经时间t后到达扫描螺线上的A1点。该点坐标表示为：

(1)

相邻螺线的距离ΔR为：

(2)

式中n=ω/2π为末敏子弹绕铅垂轴的角速度。多元探测器每个探测单元具有独立的视场角,能够探测到目标的不同区域[10]。和单元扫描不同,多元探测器在地面上某个瞬时扫描的是一个区域,而不是一条线。

2 尺寸解算和定位方法

多元探测扫描到目标时产生多路信号。末敏弹需要对该多路信号作尺寸解算和定位判定,才能完成后续的模版匹配和打击决策。

2.1 尺寸解算

目标热区尺寸解算的基本思路是：在经过对实时信号数据预处理后,通过对多路信号进行边缘点提取,获取各个探测单元扫描目标的脉冲宽度、探测到的单元数目和时序关系。根据各个探测单元的时序关系以及高度计的高度信息,计算目标位置姿态角。然后结合姿态角,用上述多元的脉宽分布分别计算热区的两个边长。

2.1.1 多路信号边缘和脉宽提取

多元探测器扫描目标时,扫描到目标上的探测单元产生幅值响应,即波形信号[11]。扫入目标和扫出目标时产生幅值变化。对应在信号曲线上则为边缘点。响应的探测信号包含扫入目标时的左边缘点和扫出目标时的右边缘点。扫描目标上的时间即为脉宽。结合高度和扫描速度,可以计算出目标在两点间的横向距离。多元探测器每个单元之间具有一定的视场角。扫描时,统计产生响应的信号元数便可获得纵向的目标边缘点之间的距离。

如图2(a)所示,探测器第1路信号扫描线离开A′的时刻为T1,探测器第2路信号扫描线离开B′的时刻为T2,T2和T1的时间差为Δτ,由时间差Δτ与探测元扫描的线速度和高度信息可得到目标所处视场中的角度,角度计算公式为：

图2 目标尺寸计算Fig.2 Target size calculation

L=H/cosθ×sinβ

(3)

α=arctan(Δτ×vc/L)

(4)

式中：L为两个探测元视场间距离;H为末敏子弹离地高度;θ为红外探测器倾斜角;β为探测元之间视场角;α为目标所处红外视场中的角度;vc为中心波元扫描过目标的线速度。

2.1.2 扫描切向目标的尺寸计算

如图2(a)所示,扫描切向目标的尺寸a可通过式(5)计算得出：

a=BE=BB′·cosα

(5)

其中：BB′=vr·tBB′,vr为末敏子弹旋转速度,tBB′为第2路信号探测元扫描过目标的时间;α为目标所处红外视场中的角度。

2.1.3 扫描径向目标的尺寸计算

如图2(b)所示,扫描径向目标的尺寸b可通过式(6)计算得出：

(6)

其中,

(7)

2.2 目标定位

多元扫描探测利用响应信号的时空分布判断目标位置[12]。当只有边缘探测单元产生信号响应时,并不起爆战斗部,而是让末敏弹继续旋转。当多路信号时空呈现对称分布时,说明目标已进入扫描的中心区域,这时起爆战斗部,原理如图3所示。

图3 实时扫描示意图Fig.3 Schematic diagram of real-time scanning

如图3(a)所示,扫描区域未扫到目标热区时,多路信号没有幅值响应。如图3(b)所示,多路信号边缘探测元扫描到目标,红点为扫到的目标边缘点。4路信号扫描目标的时刻分别为(t4a,t4b),同理5路信号扫描对应的时刻分别为(t5a,t5b)。如图3(c)所示,目标完全进入到扫描区域时,多路信号产生的幅值影响。2、3、4路信号上升沿和下降沿对应的时刻分别为(t2a,t2b),(t3a,t3b),(t4a,t4b)。

假设n为多元信号的总元数,第i路信号产生的目标响应为Vi,信号产生的脉宽为di=v(tib-tia)。实时定位算法如图4所示。

图4 实时定位算法流程图Fig.4 Flow chart of real-time positioning algorithm

多路信号实时扫描目标时,首先进入第一个判决条件,即对称元信号响应判别。假设n=5,i=4时,相对应产生的目标幅值响应为V4,脉宽为d4=v(t4b-t4a)。当|V4-V5+1-4|<ΔV时(ΔV为极小数,可忽略为0),第4条信号与第2条信号目标响应呈对称分布,此时目标位于扫描中心;接下来进入第二个判决条件,则存在max(di)=d(5+1)/2=d3,即当第4路信号与第2路信号呈对称分布时,第3路信号存在最大脉宽。最后进行目标热区尺寸判别。判别均通过后计算热区中心,实现定位。

3 验证与分析

通过实验室内旋平台采集的数据验证文中算法。旋转平台参数如表1所示,多元红外探测器参数如表2所示。

表1 实验室旋转平台参数Table 1 Parameters of rotating platform in laboratory

表2 多元红外探测器参数Table 2 Parameters of multi-element infrared detector

3.1 尺寸解算算法验证

下面从3个代表性的角度(0°、45°和90°)进行验证,波形信号如图5所示。图5(a)为目标所处0°时的波形图,3～9路单元探测到目标信号;图5(b)为目标所处45°时的波形图,2～9路单元探测到目标信号;图5(c)为目标所处90°时的波形图,4～8路单元探测到目标信号。

图5 不同角度波形图Fig.5 Wave forms at different angles

针对图5的3种情况进行目标尺寸解算,解算结果如表3所示。

表3 不同角度目标尺寸解算结果Table 3 Calculation results of target size at different angles

由表3可知,根据各路信号提取的边缘点进行尺寸解算,求出各路平行于扫描方向的目标距离L1和垂直扫描方向的目标距离L2。利用不同路信号的时序关系解算出姿态角α。最后根据角度和高度信息解算出边长a和b。

3.2 定位解算算法验证

目标以45°姿态角在红外视场中不同纵向深度时的波形信号如图6所示。图6(a)为目标刚进入扫描区域时的波形图,1和2路单元探测到目标信号;图6(b)为目标一半进入扫描区域时的波形图,1～5路单元探测到目标信号;图6(c)为目标完全进入扫描区域时的波形图,2～9路单元探测到目标信号。

图6 不同纵向位置波形图Fig.6 Wave forms at different longitudinal positions

由表4可知,根据各路信号提取的边缘点进行响应元数、是否中心对称和最大脉宽判别。位置1只有1和2路单元探测到信号,说明目标在扫描区域边缘。位置2处有1～5路单元探测到目标信号,说明目标一部分进入扫描区域。位置3处有2～9路单元探测到目标信号,说明目标完全进入扫描区域。中心探测单元5和6脉宽最大,说明目标在扫描区域中心。

表4 不同位置目标尺寸解算结果Table 4 Calculation results of target size at different positions

4 结论

提出了一种多元红外扫描探测目标尺寸解算和定位方法,通过获取多路信号的边缘点和时序关系解算目标尺寸,并通过响应元数和最大脉宽对称性定位目标。对文中所提方法进行了实验验证分析。实验结果表明与单元红外扫描探测相比,采用线阵红外扫描探测按照所述方法可以获取目标热区尺寸,实现定位,提高目标识别能力和定位精度。