基于面陣成像的末敏彈目標捕獲方法研究

羅平李娜，武軍安，楊永亮，郭 銳

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

靈巧彈藥是對地面裝甲目標實施打擊的有效手段,它通過探測器對視場中的信息進行實時采集與分析,能夠自主完成目標探測、目標識別、最佳起爆點計算、引爆戰斗部等任務,從而實現對目標的遠距離精準打擊[1-2]。隨著研究的不斷深入,彈藥智能化技術朝著精度更高、作用距離更遠、抗干擾能力更強以及更加智能化的方向發展[3-5],其中成像探測識別無疑是熱門趨勢。

末敏彈是靈巧彈藥中用來打擊裝甲目標的典型彈種,它在彈道的末端,通過自身攜帶的探測器感知目標的存在,并引導其戰斗部對準目標進行毀傷。一般而言,末敏彈為子母彈,每個母彈包含若干子彈,一次從高空投放,非常適合攻擊大規模目標,是目前對付裝甲目標集群的最有效武器。從目前國內外裝備的末敏彈來看：美國的“SADAM”末敏彈采用8 mm主被動毫米波和13元線陣紅外敏感器;德國的“SMART”末敏彈采用3 mm主被動毫米波和5元紅外敏感器;法國的“ACED”末敏彈采用雙色紅外加毫米波輻射計;俄羅斯的“9M55K1”末敏彈選用了點源紅外敏感器和毫米波輻射計;我國的末敏彈選用的是毫米波輻射計和雙色紅外[6-7]。這些探測方式容易受到軟對抗手段的干擾[8-10]。隨著現代技術發展,有學者對末敏彈線陣掃描探測方式進行了研究,如文獻[11-12]對多元紅外末敏彈目標識別方式進行了研究,但線元數量較少,難以準確實現目標分類;文獻[13-15]則對末敏彈線陣探測成像識別方式進行了研究,但是線陣成像方式需要對數據進行拼接以及預處理,末敏彈掃描角抖動會讓圖像出現錯位情況。同時,得益于成熟的圖像目標檢測算法[16-17]、高性能嵌入式平計算平臺[18-19]以及探測器小型化技術,面陣成像探測是末敏彈后續發展的方向。

1 末敏彈面陣掃描成像原理

末敏彈在離地高度為H時,以掃描角β,轉速ω,下落速度vz,對地面進行掃描,面陣探測器掃描過程如圖1所示。

圖1 末敏彈面陣探測Fig.1 Area array imaging detection of the terminal sensitive projectile

與傳統點源探測器不同,面陣探測器掃描時直接形成圖像,通過對圖像處理來獲取目標信息。針對面陣探測器中的紅外和可見光兩種形式,除了工作波段不同,其他參數選擇都是相同的。其涉及參數主要有：水平分辨率M;垂直分辨率N;視場水平視場角ΩH;垂直視場角ΩV;幀率F。

1.1 運動參數

末敏彈下落過程中掃描面積不斷減小,為提高掃描到目標的可能性,要求掃描間隔R需小于等于目標最小邊長Lmin,對此需滿足條件：

(1)

根據文獻[1,13]的相關研究,選取掃描角β為30°。

1.2 探測器參數與運動參數

為保證掃描一周時相鄰圖像的連續性,要求水平視場角應大于等于相鄰兩幀圖像的間隔,即：

(2)

1.3 探測器視場角

為表達出目標的真實形狀,水平視場角ΩH和垂直視場角ΩV具有一定的比例關系,即：

(3)

由幾何知識可知,面陣探測器在地面的敏感區域為梯形。梯形高為L,由面陣中心光軸與地面交點所在的梯形寬度W近似代替梯形的上下底邊之和的一半,梯形面積記為s,即：

(4)

(5)

s=W·L

(6)

1.4 探測器分辨率

探測器的分辨率越高對目標的特征描述就會越精細,對分辨率的選取參考Johnson準則[20],為了保證末敏彈能夠可靠的識別目標,需要滿足條件：

(7)

式中：n為目標在最大尺寸方向上所占有的像素個數;D為目標的最大尺寸;ΩI為空間分辨率。

面陣探測器的參數選擇需要同時滿足以上所有條件。首先確定末敏彈掃描角為30°,此時探測器視場角決定了不同高度下的敏感區域大小,敏感區域面積應適中,面積過大會要求高分辨率同時造成資源浪費,面積過小會要求高幀率同時限制末敏彈探測優勢,因此選擇視場角為8°×6°。確定視場角后,為保證掃描一周時相鄰圖像的連續性,末敏彈轉速越高,對幀率要求越高,根據式(2),末敏彈轉速為4 rad/s時,幀率至少為180 Hz,同時考慮到探測器硬件制約,選擇幀率為360 Hz。綜上,選用視場為8°×6°,幀率為360 Hz的參數進行分析。

2 末敏彈面陣掃描捕獲方法

2.1 末敏彈面陣掃描捕獲流程

為方便分析,將地面投影的敏感區域由梯形近似為L×W的矩形,敏感區域面積隨高度下降而減小,不同高度時敏感區域與目標大小對比如圖2所示。

圖2 不同高度下敏感區域與目標大小對比圖Fig.2 Sensitive area versus target size at different heights

傳統點源探測只能通過對目標與地面的輻射差異進行識別,并且無法獲取目標的位置和尺寸信息,而面陣掃描則是直接得到圖像,通過對圖像進行目標識別獲得具體的位置信息[13-15],識別能力和定位能力都能得到提高。以末敏彈轉速4 rad/s,落速10 m/s為例,掃描間隔R=1.44 m,對于常規的3 m×6 m的裝甲目標,從圖2中可以看出,掃描時,圖2(a),(b),(c)三種情況下盡管探測的圖像中含有目標,但并不是可攻擊目標,敏感區域不僅包含當前軌跡線,同時包含已經過的軌跡線和將要掃過的軌跡線,高度越高其包含的軌跡線越多,而威力軸只能對準當前軌跡線,不能兼顧作用整個區域,所以以往采用占空比作為捕獲判斷對系統并不適用,需要另行分析,具體流程如圖3所示。

圖3 末敏彈面陣掃描捕獲流程圖Fig.3 Flowchart of area array scanning acquisition method of terminal sensitive projectile

2.2 威力軸與敏感區域的位置關系

圖4 面陣掃描簡化俯視圖Fig.4 Simplified top view of area array scanning

從圖4中可以看出,為最大化利用面陣探測器成像的優勢,威力軸需在整個敏感區域外,同時根據文獻[21]研究,末敏彈滯后角度α不應該大于10°。而且不同于傳統點源,目標處于一個較大的區域內,判斷目標是否捕獲取決于其是否與當前軌跡線有交集,所以末敏彈威力軸要瞄準的目標位置并不是相對固定的,即圖中威力軸與目標夾角θ可變,這也意味著威力軸的起爆延時T并不是一個固定值。設獲取圖像的時間為t1,目標識別及信息處理時間為t2,然后經過距離調整延時t3后起爆戰斗部,即理想情況下命中目標,起爆延時T需滿足關系式：

(8)

由式(8)可知起爆延時T是隨目標夾角θ和轉速ω變化的范圍值,理想情況下t1和t2都為固定值,t3由目標位置決定,但不可能為負值,這從物理意義上約束威力軸經過t1和t2的運動時間后仍然在原敏感區域外或在原敏感區域邊緣,這就給了滯后角度α一個約束,由此可以選出滿足條件的滯后角度：

(9)

(10)

理想的引戰配合方案是先通過目標相對角度θ計算出總起爆延時T,再減去記錄的已消耗的獲取圖像的時間t1和目標識別及信息處理時間t2,就得到距離調整延時t3,經過延時t3后起爆戰斗部。

3 仿真對比及結果分析

對設計的末敏彈面陣掃描探測過程進行仿真,仿真中目標尺寸為3 m×6 m,目標初始位置等概率出現在掃描區域,即目標中心坐標在[-60 m,+60 m]內均勻分布,運動方向在[0,2π]內均勻分布;末敏彈落速為10 m/s,轉速為4 rad/s;末敏彈擺動模型參考文獻[22],取快頻振幅為2°,慢頻的振幅為3°。圖5是目標運動速度為10 m/s時不同探測器的6次捕獲成功情況示例。運動速度為10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s的目標各掃描120次,結果如表1所示。

表1 單元和面陣探測器對不同運動速度目標捕獲結果Table 1 Capture results of single-element and plane array detector for targets with different motion speeds

圖5 單元和面陣探測器目標捕獲示例Fig.5 Example of target capture by single-element and plane array detector

從表1中可以看出,對于10～25 m/s的運動目標,面陣探測器的捕獲概率均高于單元探測器,同時面陣探測器的平均定位偏差都小于單元探測器。

4 結論

文中建立有傘末敏彈面陣掃描模型,研究面陣成像參數的匹配策略,提出了一種用于面陣探測對裝甲目標捕獲方法,最后通過仿真,驗證了面陣探測條件下的引戰配合策略的可行性和對點源探測器的優勢。得到3點結論：

1)對建立的有傘末敏彈面陣掃描模型,分析了分辨率、視場角、幀率等參數相互之間的適配關系;

2)針對面陣探測器特點,設計了一種適用于面陣探測器的裝甲目標捕獲方法并對引戰配合方式進行分析設計,提高了末敏彈捕獲和定位能力;

3)仿真結果表明面陣探測器對運動速度在25 m/s及以下的裝甲目標的捕獲概率達到82%以上,其捕獲和定位能力優于點源探測器。

面陣探測器在末敏彈上的應用理論上可行,但系統的實時性要求較高,對計算硬件平臺、識別算法和引戰配合算法均提出了更高的要求,對此也是下一步的研究重點與方向。