一種由分立導(dǎo)引頭集成構(gòu)建的復(fù)合末制導(dǎo)系統(tǒng)*

王學(xué)偉

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700）

0 引言

高技術(shù)條件下的現(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導(dǎo)彈面臨的作戰(zhàn)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，不僅艦載攔截武器迅速發(fā)展，構(gòu)成了對(duì)反艦導(dǎo)彈的層層攔截，以硬殺傷手段來(lái)削弱反艦導(dǎo)彈的突防能力，而且各種有源干擾、無(wú)源干擾、隱身技術(shù)以及電子誘餌的使用進(jìn)一步削弱了反艦導(dǎo)彈的突防能力［1］。因此，隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日益復(fù)雜和水面艦艇綜合防護(hù)能力的提高，單一體制的制導(dǎo)方式已難以適應(yīng)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境［2］。發(fā)展多模復(fù)合導(dǎo)引頭，提高目標(biāo)選擇判別能力、抗干擾能力和突防能力是反艦導(dǎo)彈的必然趨勢(shì)［3］。

文獻(xiàn)［4］針對(duì)單一制導(dǎo)模式抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，對(duì)主動(dòng)雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)在典型干擾情況下的數(shù)據(jù)融合抗干擾性能進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)［5］提出了一種雷達(dá)與紅外的融合跟蹤方法，運(yùn)用卡爾曼粒子濾波算法對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行初估計(jì)，將雷達(dá)和紅外得到的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)采用協(xié)方差加權(quán)融合得到目標(biāo)最終的狀態(tài)估計(jì)。文獻(xiàn)［6］研究了激光/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的抗干擾策略，結(jié)合激光獲取的目標(biāo)距離信息，提出了復(fù)合抗干擾策略。文獻(xiàn)［7］針對(duì)復(fù)合制導(dǎo)中不同測(cè)量系統(tǒng)時(shí)鐘不匹配將會(huì)產(chǎn)生較大誤差的問(wèn)題，使用線性插值時(shí)間校準(zhǔn)方法來(lái)完成時(shí)間校準(zhǔn)，并通過(guò)仿真分析了時(shí)鐘匹配的影響。文獻(xiàn)［8］分析了主動(dòng)雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)的抗干擾機(jī)理，討論了改進(jìn)型復(fù)合誘餌干擾方式。文獻(xiàn)［9］構(gòu)建了雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系，并對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行了建模分析。文獻(xiàn)［10］提出了一種基于單模導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)復(fù)合制導(dǎo)對(duì)抗試驗(yàn)的方案，并分析了時(shí)空配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合檢測(cè)識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。

主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭提供的信息具有互補(bǔ)性，兩者復(fù)合能夠有效提高對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、判別和跟蹤能力［11］。本文采用分立的主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭構(gòu)建復(fù)合制導(dǎo)處理系統(tǒng)，模擬反艦導(dǎo)彈主動(dòng)雷達(dá)/紅外成像復(fù)合導(dǎo)引頭對(duì)艦船目標(biāo)的探測(cè)跟蹤過(guò)程，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭提供的目標(biāo)信息包括：距離、速度、方位、戰(zhàn)斗指令，紅外成像導(dǎo)引頭提供的目標(biāo)信息包括：方位角、俯仰角。復(fù)合制導(dǎo)處理系統(tǒng)接收主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)綜合處理，得出對(duì)目標(biāo)的復(fù)合判斷。本文采用分立導(dǎo)引頭集成構(gòu)建復(fù)合目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，涉及如下關(guān)鍵技術(shù)：空間對(duì)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)［12］、目標(biāo)判別。

1 空間對(duì)準(zhǔn)

對(duì)某型主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和某型紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行空間對(duì)準(zhǔn)，以減小系統(tǒng)誤差。安裝原則為主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭輸出的方位角偏差最小，參照?qǐng)D1所示。

圖1 主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭空間對(duì)準(zhǔn)示意圖

1）采用紅外成像導(dǎo)引頭在上，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在下的布局，固定在同一轉(zhuǎn)臺(tái)上；

2）保證轉(zhuǎn)臺(tái)的中心O1、主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的中心O2、紅外成像導(dǎo)引頭的中心O3在同一鉛垂線上；

3）保證在零位狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺(tái)的零位軸O1X1、主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的電軸O2X2、紅外成像導(dǎo)引頭的光軸O3X3平行，且在同一鉛垂面上；

4）保證轉(zhuǎn)臺(tái)固定臺(tái)面的水平度以及轉(zhuǎn)臺(tái)放置平面的水平度。

安裝完成后，在外場(chǎng)選定一個(gè)固定目標(biāo)作為標(biāo)定參照物進(jìn)行標(biāo)定，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)標(biāo)定參照物輸出的方位角偏差δ作為系統(tǒng)誤差。

2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

末制導(dǎo)復(fù)合的前提是兩個(gè)導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一個(gè)目標(biāo)，如果不是同一目標(biāo)，則根本無(wú)從談及信息互補(bǔ)，更談不到對(duì)目標(biāo)的優(yōu)化探測(cè)。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的研究?jī)?nèi)容是保證兩個(gè)導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一個(gè)目標(biāo)，是復(fù)合制導(dǎo)信息處理的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的實(shí)質(zhì)是保證兩個(gè)導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一目標(biāo)。為完成正確的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，需要完成如下兩部分內(nèi)容的工作：

對(duì)于潛在目標(biāo)，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，都要輸出目標(biāo)的方位角。兩個(gè)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的多次測(cè)量構(gòu)成了測(cè)量數(shù)據(jù)集合，這些測(cè)量數(shù)據(jù)是服從正態(tài)分布的。設(shè)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差為δ1，紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差為δ2。若主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一目標(biāo)，考慮到空間對(duì)準(zhǔn)時(shí)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭之間的系統(tǒng)誤差，則為了減小虛警率，取連續(xù)3次測(cè)量值進(jìn)行判別，若連續(xù)3次測(cè)量值都滿足小于或等于3（δ1+δ2）+δ，這樣就以 0.997 3 的概率保證了主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一目標(biāo)。

對(duì)于潛在目標(biāo)，設(shè)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)其探測(cè)，輸出的方位角為ψ1，標(biāo)準(zhǔn)差為δ1；紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)其探測(cè)，輸出的方位角為ψ2，其標(biāo)準(zhǔn)差為δ2。對(duì)于連續(xù)的3組測(cè)量數(shù)據(jù)，若

則按概率論的3δ準(zhǔn)則，上述兩導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)方位角之間的差值小于或等于3（δ1+δ2）+δ的概率為0.997 3，則判定主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)到的是同一目標(biāo)。其中δ為空間對(duì)準(zhǔn)時(shí)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)標(biāo)定參照物輸出的系統(tǒng)誤差。

若上式不成立，則不是同一目標(biāo)，這時(shí)處理紅外成像導(dǎo)引頭輸出的紅外圖像進(jìn)行目標(biāo)判別。通過(guò)圖像處理，有兩種情況：

1）紅外成像導(dǎo)引頭跟蹤的是目標(biāo)：則主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤的是非目標(biāo)，發(fā)出重置指令給主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接收指令，回到初始位置（即與轉(zhuǎn)臺(tái)零位軸重合），重新進(jìn)行搜索，捕獲目標(biāo)后，再和紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

2）紅外成像導(dǎo)引頭跟蹤的是非目標(biāo)：發(fā)出報(bào)警指令給紅外成像導(dǎo)引頭，紅外成像導(dǎo)引頭接收指令，回到初始位置（即與轉(zhuǎn)臺(tái)零位軸重合），重新進(jìn)行搜索，捕獲目標(biāo)后，再和主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

3 目標(biāo)判別

本方法綜合利用分立的主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭提供的目標(biāo)信息進(jìn)行目標(biāo)判別，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭提供高精度的目標(biāo)距離信息，紅外成像導(dǎo)引頭提供豐富的目標(biāo)圖像信息，將兩者復(fù)合處理，能夠提高判別置信度，降低虛警率。核心思想是：在由主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)得的給定距離下，由紅外成像導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)圖像的像素個(gè)數(shù)是固定的，并且遵循距離越遠(yuǎn)，像素?cái)?shù)越少，距離越近，像素?cái)?shù)越多的規(guī)律。同時(shí)，在給定距離下，目標(biāo)幾何尺寸越大，目標(biāo)圖像像素?cái)?shù)越多，目標(biāo)幾何尺寸越小，目標(biāo)圖像像素?cái)?shù)越少。這樣，對(duì)于特定的目標(biāo)，通過(guò)檢驗(yàn)距離和像素?cái)?shù)的關(guān)系，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判別。

方法主要包括如下內(nèi)容：

1）取合作目標(biāo)艦船進(jìn)行標(biāo)定，建立合作目標(biāo)艦船圖像像素?cái)?shù)與距離關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

標(biāo)定的目的是建立數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包含合作目標(biāo)艦船在紅外成像導(dǎo)引頭視場(chǎng)一定時(shí)，不同距離（由主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)得）和不同角度（合作目標(biāo)艦船的運(yùn)動(dòng)方向與紅外成像導(dǎo)引頭視線方向的夾角）下的圖像像素?cái)?shù)（由紅外成像導(dǎo)引頭輸出的紅外圖像處理得出）。

選取己方艦船作為合作目標(biāo)，合作目標(biāo)艦船的幾何尺寸（長(zhǎng)、寬、高）是已知的。標(biāo)定時(shí)，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭放置在同一轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)的位置固定。合作目標(biāo)艦船由近及遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)并鎖定，紅外成像導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)并鎖定。為減小標(biāo)定的工作量，合作目標(biāo)艦船與導(dǎo)引頭的距離選擇 1 km、2 km、3 km、4 km、5 km、10 km、15 km、20 km 8個(gè)量程，上述距離由主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)得。在每一個(gè)距離點(diǎn)上，合作目標(biāo)艦船的運(yùn)動(dòng)方向（從船尾到船頭的艦船縱軸方向）與紅外成像導(dǎo)引頭視線方向的夾角有兩個(gè)：0°和90°，即記錄兩種合作目標(biāo)艦船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。記錄每個(gè)距離點(diǎn)和合作目標(biāo)艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的紅外圖像并進(jìn)行存儲(chǔ)，經(jīng)圖像處理運(yùn)算得到合作目標(biāo)艦船圖像像素?cái)?shù)，并填充到數(shù)據(jù)庫(kù)中，如表1所示。數(shù)據(jù)庫(kù)的格式如下：

合作目標(biāo)艦船尺寸（m）：長(zhǎng)×寬×高

紅外成像導(dǎo)引頭視場(chǎng)：方位度數(shù)×俯仰度數(shù)

表1 合作目標(biāo)艦船圖像像素?cái)?shù)與距離關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

填好上表后，就形成了合作目標(biāo)艦船圖像像素?cái)?shù)與距離關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)距離不等于上述給定距離時(shí)，采用插值方法求得。

當(dāng)距離一定時(shí)，合作目標(biāo)艦船運(yùn)動(dòng)方向（從船尾到船頭的艦船縱軸方向）與紅外成像導(dǎo)引頭視線方向夾角為0°時(shí)，目標(biāo)圖像像素?cái)?shù)最少，為90°時(shí)，目標(biāo)圖像像素?cái)?shù)最多。其他夾角時(shí)，合作目標(biāo)艦船圖像像素?cái)?shù)應(yīng)位于上述兩者之間。

2）對(duì)于潛在目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算給定距離上的目標(biāo)圖像像素?cái)?shù)，結(jié)合主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)得的距離進(jìn)行判斷，檢驗(yàn)像素?cái)?shù)和距離的關(guān)系，完成目標(biāo)判別。

對(duì)于潛在目標(biāo)，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)可知其尺寸，在此設(shè)為長(zhǎng)×寬×高=M（以m為單位，為已知量），通過(guò)紅外成像導(dǎo)引頭輸出的圖像處理后得到其圖像像素?cái)?shù)為S。設(shè)合作目標(biāo)艦船尺寸長(zhǎng)×寬×高=N（以m為單位，為已知量），合作目標(biāo)艦船0°運(yùn)動(dòng)方向圖像像素?cái)?shù)為A，合作目標(biāo)艦船90°運(yùn)動(dòng)方向圖像像素?cái)?shù)為B。則潛在目標(biāo)在給定距離上的圖像像素?cái)?shù)S滿足下式：

為減小漏報(bào)概率，將量程進(jìn)行如下擴(kuò)大，即如果下式成立

則認(rèn)為該潛在目標(biāo)為待攻擊目標(biāo)，從而完成目標(biāo)判別。

否則不是待攻擊目標(biāo)，需重新選擇。

4 結(jié)論

多模復(fù)合制導(dǎo)是提高目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別能力的必然發(fā)展趨勢(shì)。本文方法立足現(xiàn)有裝備，在空間對(duì)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、目標(biāo)判別3個(gè)信息處理流程中，將分立導(dǎo)引頭的冗余信息進(jìn)行融合處理，該融合處理算法的最大特點(diǎn)是計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，實(shí)現(xiàn)了“信息倍增”的效果。該方法已應(yīng)用于實(shí)際外場(chǎng)裝備中，通過(guò)多次外場(chǎng)試驗(yàn)，顯著提高了海天背景中艦船目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別的置信度和可靠性。相對(duì)于單一的主動(dòng)雷達(dá)和紅外成像處理算法，本文提出的信息融合算法，對(duì)由天氣變化、電磁干擾等因素造成的敏感程度顯著降低，可以為集成式復(fù)合導(dǎo)引頭的研制提供有益參考。