一種分布式雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)信息融合方案

李時(shí)光 李 云 職 曉 磨國(guó)瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜，電子對(duì)抗的手段也越來(lái)越多樣化，這就對(duì)精確制導(dǎo)武器的探測(cè)精度、抗干擾能力及穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。多模復(fù)合制導(dǎo)武器能夠充分發(fā)揮各制導(dǎo)體質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，互相彌補(bǔ)各自的天然劣勢(shì)，從而達(dá)到強(qiáng)-強(qiáng)聯(lián)合的目的。自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)一直是精確制導(dǎo)武器的主要發(fā)展方向之一。

主動(dòng)雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)是一種非常經(jīng)典的復(fù)合制導(dǎo)方式，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)列裝或正在研制的主動(dòng)雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)武器層出不窮。主動(dòng)雷達(dá)具備在全天候、全天時(shí)下大范圍快速搜索和跟蹤目標(biāo)能力，但隱蔽性較差，易于被敵方偵察、干擾，目標(biāo)分類識(shí)別能力較差。而紅外成像制導(dǎo)具有測(cè)角精度高、抗電子干擾能力強(qiáng)、目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地解決復(fù)雜背景下目標(biāo)選擇問(wèn)題，但紅外制導(dǎo)易受天氣、戰(zhàn)場(chǎng)煙霧影響。采用雷達(dá)與紅外成像雙模復(fù)合制導(dǎo)可以提升導(dǎo)彈在復(fù)雜電磁環(huán)境和復(fù)雜背景下全天時(shí)、全天候探測(cè)制導(dǎo)能力并提升導(dǎo)彈的打擊精度、抗干擾性能及生存能力。

在雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)中，信息融合中心會(huì)接收到雷達(dá)和紅外分系統(tǒng)提供的大量信息，如雷達(dá)提供的角度、距離；紅外提供的角度、尺寸。這些信息有些是互補(bǔ)的，有些又是冗余的。同時(shí)，彈上系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)處理流程的實(shí)時(shí)性要求很高。因此，如何充分并高效地利用這些互補(bǔ)和冗余信息是信息融合系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。

本文針對(duì)某毫米波雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)，給出了一種分布式信息融合方案，主要完成了信息融合策略的制定及對(duì)信息融合方案的測(cè)試驗(yàn)證。

1 信息融合方案設(shè)計(jì)

多模復(fù)合導(dǎo)引頭的復(fù)合方式主要有分平臺(tái)、共平臺(tái)分孔徑、共平臺(tái)共孔徑三種，這三種復(fù)合方式各有優(yōu)劣[1]。本文從彈內(nèi)空間、開發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)難度、復(fù)合精度等多方面需求出發(fā)，選取共平臺(tái)分孔徑方式作為導(dǎo)引頭復(fù)合結(jié)構(gòu)。

信息融合系統(tǒng)按照融合結(jié)構(gòu)可劃分為集中式、分布式、混合式和多級(jí)式[2-3]。在分布式融合系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器首先對(duì)各自的本地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡跟蹤，產(chǎn)生本地航跡，然后由融合中心進(jìn)行信息融合處理并形成融合航跡。與其他三種融合系統(tǒng)相比，分布式信息融合系統(tǒng)的融合精度雖然不高，但其具有運(yùn)算量小、通信負(fù)擔(dān)輕、成本低、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)[4-5]，而且不論哪個(gè)單模傳感器失效時(shí)，整個(gè)導(dǎo)引頭系統(tǒng)仍能正常工作，具有較高的可靠性和容錯(cuò)性[6]。

本文結(jié)合毫米波雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)總體方案，在現(xiàn)有硬件條件下，綜合考慮開發(fā)成本、運(yùn)算量、通信速率等因素，給出了一種分布式信息融合方案，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 分布式信息融合方案結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，雷達(dá)與紅外分系統(tǒng)首先分別完成對(duì)同一目標(biāo)環(huán)境的觀測(cè)，得到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和紅外圖像。接下來(lái)，雷達(dá)/紅外分系統(tǒng)分別對(duì)各自的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成本地航跡，然后，分別將各自形成的航跡及狀態(tài)信息送往信息融合中心，由信息融合中心完成對(duì)這兩種傳感器航跡信息的時(shí)空配準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合等處理，最后形成用于引導(dǎo)伺服運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)彈飛行的系統(tǒng)航跡。

與雷達(dá)和紅外分系統(tǒng)相比，信息融合中心掌握著最全面的決策層信息，因此，本方案中，信息融合中心在進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合等算法處理的同時(shí)，會(huì)根據(jù)雷達(dá)和紅外上報(bào)的各分系統(tǒng)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)作出分析和判決，對(duì)各分系統(tǒng)的工作方式進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和控制，輔助并引導(dǎo)各分系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。

2 信息融合策略制定

在復(fù)合導(dǎo)引頭工作過(guò)程中，雷達(dá)、紅外分系統(tǒng)的工作狀態(tài)均主要有搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)。融合器主要有6種工作狀態(tài)：雷達(dá)搜索、紅外搜索、復(fù)合搜索、雷達(dá)跟蹤、紅外跟蹤和復(fù)合跟蹤。融合器會(huì)根據(jù)各分系統(tǒng)上報(bào)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息在以上6種工作狀態(tài)中完成切換。在某一特定時(shí)刻，融合器只會(huì)處于以上6種狀態(tài)中的特定一種，在每種狀態(tài)下，融合器都會(huì)向雷達(dá)、紅外及伺服平臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的控制指令和數(shù)據(jù)，以此來(lái)引導(dǎo)各分系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

如前文所述，本文采用分布式信息融合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢(shì)在于信息融合系統(tǒng)對(duì)各分系統(tǒng)的依賴性比較低，不論雷達(dá)還是紅外，都可以在另一種傳感器不開機(jī)或失效的情況下獨(dú)立完成制導(dǎo)。因此，復(fù)合導(dǎo)引頭信息融合中心的控制流程需要在雷達(dá)單模制導(dǎo)、紅外單模制導(dǎo)、雷達(dá)/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)這3種情況下討論。

1)雷達(dá)單模制導(dǎo)

當(dāng)雷達(dá)單模制導(dǎo)時(shí)，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖2所示。

圖2 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(雷達(dá)單模制導(dǎo))

當(dāng)融合器得知雷達(dá)處于搜索狀態(tài)時(shí)，融合器將處于雷達(dá)搜索狀態(tài)，在此狀態(tài)下，融合器一方面關(guān)注雷達(dá)是否搜索到目標(biāo)，一方面控制伺服平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的掃描。當(dāng)融合器收到雷達(dá)上報(bào)的目標(biāo)并判斷該目標(biāo)有效后，向雷達(dá)發(fā)送“定位捕獲”指令，若雷達(dá)未能成功捕獲目標(biāo)，則融合器停留在雷達(dá)搜索狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)入雷達(dá)跟蹤狀態(tài)，在雷達(dá)跟蹤狀態(tài)下，融合器一方面利用雷達(dá)航跡更新系統(tǒng)航跡，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控雷達(dá)是否穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，一旦雷達(dá)丟失目標(biāo)，融合器將轉(zhuǎn)入雷達(dá)搜索狀態(tài)，并向雷達(dá)下發(fā)搜索指令，重新檢測(cè)目標(biāo)。

2)紅外單模制導(dǎo)

當(dāng)紅外單模制導(dǎo)時(shí)，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖3所示。與雷達(dá)單模制導(dǎo)的情況類似，融合器一方面通過(guò)紅外分系統(tǒng)上報(bào)的狀態(tài)來(lái)切換自身的工作狀態(tài)，一方面通過(guò)“紅外搜索”、“定位捕獲”等指令來(lái)引導(dǎo)紅外分系統(tǒng)的工作，同時(shí)控制伺服平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，具體的狀態(tài)切換過(guò)程不做贅述，可參考“雷達(dá)單模制導(dǎo)”情況。

圖3 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(紅外單模制導(dǎo))

3)雙模復(fù)合制導(dǎo)

當(dāng)雙模同時(shí)開機(jī)時(shí)，融合器工作狀態(tài)遷移圖如圖4所示。

圖4 信息融合系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖(雙模復(fù)合制導(dǎo))

在這種情況下，融合器首先處于復(fù)合搜索狀態(tài)，在此狀態(tài)下，不斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷達(dá)/紅外分系統(tǒng)是否搜索到目標(biāo)，此時(shí)有兩種情況：

①雷達(dá)先搜索到目標(biāo)并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這種情況下，融合器轉(zhuǎn)入雷達(dá)跟蹤狀態(tài)。此時(shí)，融合器會(huì)根據(jù)雷達(dá)航跡控制伺服平臺(tái)的位置，并向紅外分系統(tǒng)發(fā)送“定位捕獲”指令，引導(dǎo)紅外檢測(cè)當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)，若紅外檢測(cè)到目標(biāo)并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，則融合器進(jìn)入復(fù)合跟蹤狀態(tài)。

②紅外先搜索到目標(biāo)并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。此時(shí)，融合器轉(zhuǎn)入紅外跟蹤狀態(tài)，并根據(jù)紅外航跡控制伺服平臺(tái)，同時(shí)向雷達(dá)發(fā)送“定位捕獲”指令，引導(dǎo)雷達(dá)對(duì)當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，若雷達(dá)也成功捕獲目標(biāo)并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，則融合器轉(zhuǎn)入復(fù)合跟蹤狀態(tài)。

當(dāng)融合器處于復(fù)合跟蹤狀態(tài)時(shí)，融合器一方面對(duì)雷達(dá)和紅外上報(bào)的目標(biāo)位置和狀態(tài)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合，另一方面實(shí)時(shí)關(guān)注各分系統(tǒng)是否穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。若雷達(dá)丟失目標(biāo)，則融合器進(jìn)入紅外跟蹤狀態(tài)，利用紅外跟蹤的目標(biāo)信息作為引導(dǎo)，指示雷達(dá)在特定視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)；若紅外丟失目標(biāo)，融合器轉(zhuǎn)入雷達(dá)跟蹤狀態(tài)，此時(shí)借助雷達(dá)上報(bào)的目標(biāo)信息引導(dǎo)紅外進(jìn)行定位檢測(cè)；若雷達(dá)、紅外均丟失目標(biāo)，則融合器進(jìn)入復(fù)合搜索狀態(tài)，重新進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

如前文所述，如果雷達(dá)(紅外)成功捕獲并穩(wěn)定跟蹤了某個(gè)目標(biāo)，而紅外(雷達(dá))未檢測(cè)到或丟失目標(biāo)，融合器都可以將穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)作為指示信息引導(dǎo)紅外(雷達(dá))進(jìn)行定位檢測(cè)。由此可見(jiàn)，如果將雷達(dá)和紅外比作人的“耳朵”和“眼睛”，那么融合器則承擔(dān)著“大腦”的角色，它既要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、紅外傳感器數(shù)據(jù)的共享，使得二者能夠相互借鑒，互相指引，又要根據(jù)這兩個(gè)傳感器上報(bào)的目標(biāo)信息進(jìn)行綜合判斷，并作出決策，實(shí)時(shí)計(jì)算出用于引導(dǎo)伺服運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)彈飛行的控制信息。因此，如何在跟蹤狀態(tài)(包括雷達(dá)跟蹤狀態(tài)、紅外跟蹤狀態(tài)和復(fù)合跟蹤狀態(tài))下充分利用雷達(dá)/紅外傳感器實(shí)時(shí)上報(bào)的測(cè)量數(shù)據(jù)是信息融合系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景及雷達(dá)/紅外分系統(tǒng)的性能，制定了如圖5所示的融合器數(shù)據(jù)處理流程，主要解決了如何在跟蹤狀態(tài)下更新系統(tǒng)航跡的問(wèn)題。

如圖5所示，復(fù)合導(dǎo)引頭開機(jī)后，會(huì)根據(jù)彈上綜控機(jī)裝訂的指示信息進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，這里分三種情況進(jìn)行討論：

圖5 信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

1)僅雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。使用雷達(dá)航跡更新系統(tǒng)航跡，并向紅外發(fā)送“定位捕獲”指令，令紅外在當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

2)僅紅外穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。使用紅外航跡更新系統(tǒng)航跡，并向雷達(dá)發(fā)送“定位捕獲“指令，令雷達(dá)在當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

3)雷達(dá)紅外均穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。此時(shí)，首先將雷達(dá)/紅外上報(bào)的航跡信息配準(zhǔn)到同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)和同一空間坐標(biāo)系下，再對(duì)配準(zhǔn)后的航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。若關(guān)聯(lián)成功，則認(rèn)為雷達(dá)/紅外跟蹤同一目標(biāo)，融合器對(duì)關(guān)聯(lián)上的航跡對(duì)進(jìn)行航跡融合，并使用融合航跡更新系統(tǒng)航跡；若未能關(guān)聯(lián)成功，則認(rèn)為雷達(dá)/紅外跟蹤的不是同一目標(biāo)，此時(shí)對(duì)目標(biāo)的距離信息進(jìn)行判斷，若目標(biāo)距離小于R，則使用紅外航跡更新系統(tǒng)航跡，否則使用雷達(dá)航跡更新系統(tǒng)航跡。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

為驗(yàn)證上述信息融合方案及相關(guān)算法的有效性和合理性，本項(xiàng)目組進(jìn)行了多組外場(chǎng)試驗(yàn)。接下來(lái)以其中兩組典型試驗(yàn)場(chǎng)景為例，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

1)場(chǎng)景1：目標(biāo)船靜止，與導(dǎo)引頭之間的距離小于R，雷達(dá)/紅外向融合器上報(bào)的目標(biāo)角度以及經(jīng)過(guò)融合處理后得到的融合角度信息如圖6所示。A時(shí)刻前，雷達(dá)/紅外復(fù)合跟蹤目標(biāo)船，雷達(dá)航跡與紅外航跡關(guān)聯(lián)失敗，按照?qǐng)D5所示的數(shù)據(jù)處理流程，融合器以紅外航跡更新系統(tǒng)航跡。從A時(shí)刻開始，另一艘船只從目標(biāo)船旁邊經(jīng)過(guò)，雷達(dá)受到該船只的干擾，丟失目標(biāo)船，轉(zhuǎn)而跟蹤干擾船只，但紅外未受到干擾，仍然跟蹤目標(biāo)船。到B時(shí)刻，雷達(dá)目標(biāo)丟失，此時(shí)，融合器進(jìn)入紅外跟蹤狀態(tài)。按照?qǐng)D4所示的信息融合策略，融合器并向雷達(dá)發(fā)送“定位捕獲”指令，以紅外跟蹤目標(biāo)的角度信息為指向，引導(dǎo)雷達(dá)在當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)重新進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。到C時(shí)刻，雷達(dá)重新捕獲目標(biāo)船，融合器再次進(jìn)入復(fù)合跟蹤狀態(tài)。

圖6 雷達(dá)受干擾情況

2)場(chǎng)景2：目標(biāo)船慢速運(yùn)動(dòng)，與導(dǎo)引頭相距超過(guò)R。雷達(dá)偏差角、紅外偏差角以及融合偏差角如圖7所示。在A時(shí)刻之前，雷達(dá)/紅外復(fù)合跟蹤目標(biāo)船，雷達(dá)/紅外航跡關(guān)聯(lián)成功，融合器以融合航跡更新系統(tǒng)航跡。A時(shí)刻開始，一艘尺寸較大的船只從視場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過(guò)，紅外受到該船的拖引，丟失目標(biāo)船，轉(zhuǎn)而跟蹤干擾船只，但干擾船只并不在雷達(dá)跟蹤波門內(nèi)，因此雷達(dá)未受到干擾，仍然跟蹤目標(biāo)船。到B時(shí)刻，紅外進(jìn)入目標(biāo)丟失狀態(tài)，按照?qǐng)D4所示的信息融合策略，融合器此時(shí)向紅外發(fā)送“定位捕獲”指令，以雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的角度信息引導(dǎo)紅外進(jìn)行定位檢測(cè)，直到C時(shí)刻，紅外重新捕獲到目標(biāo)船，融合器再次進(jìn)入復(fù)合跟蹤狀態(tài)。

圖7 紅外受干擾情況

從以上兩組試驗(yàn)可以看出，當(dāng)融合器處于復(fù)合跟蹤狀態(tài)時(shí)，能夠根據(jù)目標(biāo)信息及各單模傳感器的優(yōu)勢(shì)選擇合適的策略來(lái)更新系統(tǒng)航跡，當(dāng)某一模傳感器受到干擾或處于目標(biāo)丟失狀態(tài)時(shí)，融合器都能夠根據(jù)另一模傳感器航跡更新系統(tǒng)航跡，并引導(dǎo)受干擾或丟失目標(biāo)的傳感器進(jìn)行定位檢測(cè)，重新捕獲目標(biāo)。由此可見(jiàn)，前文所述的信息融合策略能夠高效并充分利用雷達(dá)/紅外分系統(tǒng)上報(bào)的測(cè)量信息，并根據(jù)二者的優(yōu)勢(shì)來(lái)來(lái)彌補(bǔ)對(duì)方的劣勢(shì)，使得各分系統(tǒng)互為指示，提高了導(dǎo)引頭的跟蹤性能和抗干擾能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種分布式信息融合方案，并制定了信息融合系統(tǒng)融合策略和控制流程。最后通過(guò)幾組外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明：該信息融合方案能夠合理并高效地利用雷達(dá)和紅外提供的信息，間接完成異類傳感器之間的數(shù)據(jù)共享，使得雷達(dá)和紅外分系統(tǒng)能夠互相引導(dǎo)，盡可能地彌補(bǔ)了對(duì)方工作體制上的不足，有效提升了復(fù)合導(dǎo)引頭的整體性能，為復(fù)合導(dǎo)引頭的研制提供了較高的參考價(jià)值。