羅平李娜，武軍安，楊永亮，郭 銳

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

靈巧彈藥是對(duì)地面裝甲目標(biāo)實(shí)施打擊的有效手段,它通過(guò)探測(cè)器對(duì)視場(chǎng)中的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析,能夠自主完成目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、最佳起爆點(diǎn)計(jì)算、引爆戰(zhàn)斗部等任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)打擊[1-2]。隨著研究的不斷深入,彈藥智能化技術(shù)朝著精度更高、作用距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力更強(qiáng)以及更加智能化的方向發(fā)展[3-5],其中成像探測(cè)識(shí)別無(wú)疑是熱門(mén)趨勢(shì)。

末敏彈是靈巧彈藥中用來(lái)打擊裝甲目標(biāo)的典型彈種,它在彈道的末端,通過(guò)自身攜帶的探測(cè)器感知目標(biāo)的存在,并引導(dǎo)其戰(zhàn)斗部對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。一般而言,末敏彈為子母彈,每個(gè)母彈包含若干子彈,一次從高空投放,非常適合攻擊大規(guī)模目標(biāo),是目前對(duì)付裝甲目標(biāo)集群的最有效武器。從目前國(guó)內(nèi)外裝備的末敏彈來(lái)看：美國(guó)的“SADAM”末敏彈采用8 mm主被動(dòng)毫米波和13元線陣紅外敏感器;德國(guó)的“SMART”末敏彈采用3 mm主被動(dòng)毫米波和5元紅外敏感器;法國(guó)的“ACED”末敏彈采用雙色紅外加毫米波輻射計(jì);俄羅斯的“9M55K1”末敏彈選用了點(diǎn)源紅外敏感器和毫米波輻射計(jì);我國(guó)的末敏彈選用的是毫米波輻射計(jì)和雙色紅外[6-7]。這些探測(cè)方式容易受到軟對(duì)抗手段的干擾[8-10]。隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展,有學(xué)者對(duì)末敏彈線陣掃描探測(cè)方式進(jìn)行了研究,如文獻(xiàn)[11-12]對(duì)多元紅外末敏彈目標(biāo)識(shí)別方式進(jìn)行了研究,但線元數(shù)量較少,難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類(lèi);文獻(xiàn)[13-15]則對(duì)末敏彈線陣探測(cè)成像識(shí)別方式進(jìn)行了研究,但是線陣成像方式需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以及預(yù)處理,末敏彈掃描角抖動(dòng)會(huì)讓圖像出現(xiàn)錯(cuò)位情況。同時(shí),得益于成熟的圖像目標(biāo)檢測(cè)算法[16-17]、高性能嵌入式平計(jì)算平臺(tái)[18-19]以及探測(cè)器小型化技術(shù),面陣成像探測(cè)是末敏彈后續(xù)發(fā)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(shí),以掃描角β,轉(zhuǎn)速ω,下落速度vz,對(duì)地面進(jìn)行掃描,面陣探測(cè)器掃描過(guò)程如圖1所示。

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

與傳統(tǒng)點(diǎn)源探測(cè)器不同,面陣探測(cè)器掃描時(shí)直接形成圖像,通過(guò)對(duì)圖像處理來(lái)獲取目標(biāo)信息。針對(duì)面陣探測(cè)器中的紅外和可見(jiàn)光兩種形式,除了工作波段不同,其他參數(shù)選擇都是相同的。其涉及參數(shù)主要有：水平分辨率M;垂直分辨率N;視場(chǎng)水平視場(chǎng)角ΩH;垂直視場(chǎng)角ΩV;幀率F。

1.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

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

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[1,13]的相關(guān)研究,選取掃描角β為30°。

1.2 探測(cè)器參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)

為保證掃描一周時(shí)相鄰圖像的連續(xù)性,要求水平視場(chǎng)角應(yīng)大于等于相鄰兩幀圖像的間隔,即：

(2)

1.3 探測(cè)器視場(chǎng)角

為表達(dá)出目標(biāo)的真實(shí)形狀,水平視場(chǎng)角ΩH和垂直視場(chǎng)角ΩV具有一定的比例關(guān)系,即：

(3)

由幾何知識(shí)可知,面陣探測(cè)器在地面的敏感區(qū)域?yàn)樘菪?。梯形高為L(zhǎng),由面陣中心光軸與地面交點(diǎn)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(cè)器分辨率

探測(cè)器的分辨率越高對(duì)目標(biāo)的特征描述就會(huì)越精細(xì),對(duì)分辨率的選取參考Johnson準(zhǔn)則[20],為了保證末敏彈能夠可靠的識(shí)別目標(biāo),需要滿足條件：

(7)

式中：n為目標(biāo)在最大尺寸方向上所占有的像素個(gè)數(shù);D為目標(biāo)的最大尺寸;ΩI為空間分辨率。

面陣探測(cè)器的參數(shù)選擇需要同時(shí)滿足以上所有條件。首先確定末敏彈掃描角為30°,此時(shí)探測(cè)器視場(chǎng)角決定了不同高度下的敏感區(qū)域大小,敏感區(qū)域面積應(yīng)適中,面積過(guò)大會(huì)要求高分辨率同時(shí)造成資源浪費(fèi),面積過(guò)小會(huì)要求高幀率同時(shí)限制末敏彈探測(cè)優(yōu)勢(shì),因此選擇視場(chǎng)角為8°×6°。確定視場(chǎng)角后,為保證掃描一周時(shí)相鄰圖像的連續(xù)性,末敏彈轉(zhuǎn)速越高,對(duì)幀率要求越高,根據(jù)式(2),末敏彈轉(zhuǎn)速為4 rad/s時(shí),幀率至少為180 Hz,同時(shí)考慮到探測(cè)器硬件制約,選擇幀率為360 Hz。綜上,選用視場(chǎng)為8°×6°,幀率為360 Hz的參數(shù)進(jìn)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(qū)域由梯形近似為L(zhǎng)×W的矩形,敏感區(qū)域面積隨高度下降而減小,不同高度時(shí)敏感區(qū)域與目標(biāo)大小對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同高度下敏感區(qū)域與目標(biāo)大小對(duì)比圖Fig.2 Sensitive area versus target size at different heights

傳統(tǒng)點(diǎn)源探測(cè)只能通過(guò)對(duì)目標(biāo)與地面的輻射差異進(jìn)行識(shí)別,并且無(wú)法獲取目標(biāo)的位置和尺寸信息,而面陣掃描則是直接得到圖像,通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別獲得具體的位置信息[13-15],識(shí)別能力和定位能力都能得到提高。以末敏彈轉(zhuǎn)速4 rad/s,落速10 m/s為例,掃描間隔R=1.44 m,對(duì)于常規(guī)的3 m×6 m的裝甲目標(biāo),從圖2中可以看出,掃描時(shí),圖2(a),(b),(c)三種情況下盡管探測(cè)的圖像中含有目標(biāo),但并不是可攻擊目標(biāo),敏感區(qū)域不僅包含當(dāng)前軌跡線,同時(shí)包含已經(jīng)過(guò)的軌跡線和將要掃過(guò)的軌跡線,高度越高其包含的軌跡線越多,而威力軸只能對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前軌跡線,不能兼顧作用整個(gè)區(qū)域,所以以往采用占空比作為捕獲判斷對(duì)系統(tǒng)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(qū)域的位置關(guān)系

圖4 面陣掃描簡(jiǎn)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(cè)器成像的優(yōu)勢(shì),威力軸需在整個(gè)敏感區(qū)域外,同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[21]研究,末敏彈滯后角度α不應(yīng)該大于10°。而且不同于傳統(tǒng)點(diǎn)源,目標(biāo)處于一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi),判斷目標(biāo)是否捕獲取決于其是否與當(dāng)前軌跡線有交集,所以末敏彈威力軸要瞄準(zhǔn)的目標(biāo)位置并不是相對(duì)固定的,即圖中威力軸與目標(biāo)夾角θ可變,這也意味著威力軸的起爆延時(shí)T并不是一個(gè)固定值。設(shè)獲取圖像的時(shí)間為t1,目標(biāo)識(shí)別及信息處理時(shí)間為t2,然后經(jīng)過(guò)距離調(diào)整延時(shí)t3后起爆戰(zhàn)斗部,即理想情況下命中目標(biāo),起爆延時(shí)T需滿足關(guān)系式：

(8)

由式(8)可知起爆延時(shí)T是隨目標(biāo)夾角θ和轉(zhuǎn)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(biāo)位置決定,但不可能為負(fù)值,這從物理意義上約束威力軸經(jīng)過(guò)t1和t2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間后仍然在原敏感區(qū)域外或在原敏感區(qū)域邊緣,這就給了滯后角度α一個(gè)約束,由此可以選出滿足條件的滯后角度：

(9)

(10)

理想的引戰(zhàn)配合方案是先通過(guò)目標(biāo)相對(duì)角度θ計(jì)算出總起爆延時(shí)T,再減去記錄的已消耗的獲取圖像的時(shí)間t1和目標(biāo)識(shí)別及信息處理時(shí)間t2,就得到距離調(diào)整延時(shí)t3,經(jīng)過(guò)延時(shí)t3后起爆戰(zhàn)斗部。

3 仿真對(duì)比及結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的末敏彈面陣掃描探測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真,仿真中目標(biāo)尺寸為3 m×6 m,目標(biāo)初始位置等概率出現(xiàn)在掃描區(qū)域,即目標(biāo)中心坐標(biāo)在[-60 m,+60 m]內(nèi)均勻分布,運(yùn)動(dòng)方向在[0,2π]內(nèi)均勻分布;末敏彈落速為10 m/s,轉(zhuǎn)速為4 rad/s;末敏彈擺動(dòng)模型參考文獻(xiàn)[22],取快頻振幅為2°,慢頻的振幅為3°。圖5是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為10 m/s時(shí)不同探測(cè)器的6次捕獲成功情況示例。運(yùn)動(dòng)速度為10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s的目標(biāo)各掃描120次,結(jié)果如表1所示。

表1 單元和面陣探測(cè)器對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度目標(biāo)捕獲結(jié)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(cè)器目標(biāo)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(duì)于10～25 m/s的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),面陣探測(cè)器的捕獲概率均高于單元探測(cè)器,同時(shí)面陣探測(cè)器的平均定位偏差都小于單元探測(cè)器。

4 結(jié)論

文中建立有傘末敏彈面陣掃描模型,研究面陣成像參數(shù)的匹配策略,提出了一種用于面陣探測(cè)對(duì)裝甲目標(biāo)捕獲方法,最后通過(guò)仿真,驗(yàn)證了面陣探測(cè)條件下的引戰(zhàn)配合策略的可行性和對(duì)點(diǎn)源探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)。得到3點(diǎn)結(jié)論：

1)對(duì)建立的有傘末敏彈面陣掃描模型,分析了分辨率、視場(chǎng)角、幀率等參數(shù)相互之間的適配關(guān)系;

2)針對(duì)面陣探測(cè)器特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種適用于面陣探測(cè)器的裝甲目標(biāo)捕獲方法并對(duì)引戰(zhàn)配合方式進(jìn)行分析設(shè)計(jì),提高了末敏彈捕獲和定位能力;

3)仿真結(jié)果表明面陣探測(cè)器對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在25 m/s及以下的裝甲目標(biāo)的捕獲概率達(dá)到82%以上,其捕獲和定位能力優(yōu)于點(diǎn)源探測(cè)器。

面陣探測(cè)器在末敏彈上的應(yīng)用理論上可行,但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高,對(duì)計(jì)算硬件平臺(tái)、識(shí)別算法和引戰(zhàn)配合算法均提出了更高的要求,對(duì)此也是下一步的研究重點(diǎn)與方向。