彈道目標識別中基于目標翻滾特征分析的仿真研究
2008-04-12 00:00:00田常青
現代電子技術 2008年1期
摘 要：彈道目標的翻滾運動特征是進行彈道目標識別比較有效的特征之一，對彈道目標的翻滾運動特征進行分析及其應用研究，以期為彈道目標識別算法的設計提供線索和參考。簡要介紹了彈道目標識別的相關原理，采用數據建模和計算機仿真的研究方法，基于目標翻滾特征分析結論著重對圓柱體這類理想空間目標模型在翻滾運動姿態下進行了應用研究，對觀測角度和抽樣點數的選取進行了詳細的仿真分析，并給出了結論。
關鍵詞：目標識別;翻滾特征;觀測角度;抽樣點數
中圖分類號：TP3919 文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2008)0110104
Simulation Research Based on Target Rolling Character
Analysis in Ballistic Target Recognition
TIAN Yan，CHANG Qing
(National University of Defence Technology，Changsha，410073，China)
Abstract：Rolling movement character of ballistic target is one of effective characters for ballistic target recognition.Analysis and application research for the rolling movement character of ballistic target is in order to provide clue and reference for ballistic target recognition arithmetic design.It briefly introduces the correlative theory of ballistic target recognition and adopts research method of data modeling and computer simulation.Based on the analyzing conclusion of target rolling character，it emphasizes on the application research of cylinder in rolling movement gesture，cylinder is one kind of the ideal space target models.It not only detailedly simulation analyses the choosing of observation angle and the number of sampling points，but also gives conclusions.
Keywords：target recognition;rolling character;observation angle;number of sampling points
彈道目標識別的探測器視場內可能出現的目標有自然目標、人造目標。自然目標包括星際塵埃、紅外云團和恒星體，自然目標主要考慮恒星體的影響。人造目標群中可能包括有彈頭、主動釋放的誘餌、以及彈箭分離后產生的母艙和碎片目標等。我們主要通過對人造目標進行建模，選取圓柱體這類理想空間目標，基于目標翻滾運動特征分析結論進行應用研究，以期為將來的研究提供線索和參考。
1 原理和研究方法
1.1 目標識別機理
識別是對于差異而言的，沒有差異就沒有識別，有差異才有識別的可能。我們進行目標識別的通常做法是選定目標的一個或多個特征，結合先驗知識，根據特征差異而進行識別。比如，我們辨別兩個人，一般先是通過外貌特征進行辨別，如果遇到長得極為相像的兩個人，通過外貌特征難以辨認的話，可以考慮通過說話聲音進行辨認，再難以辨別的話，可嘗試通過動作特征，如果要求辨別更加精準，實現由機器辨別，可通過指紋鑒別，DNA鑒定等方式進行辨別。其實，一般利用一項最顯著特征即可完成辨別，為了更加保險起見，可采用多項特征融合識別。每一種目標都具有多種特征，這些特征是包含在目標信息中的，因此，對目標信息的產生、目標信息的獲取、目標有效特征的選擇和提取的研究很有必要。
1.2 信息產生和獲取
現代電磁學理論認為，地球上所有物質都對外界輻射自己獨特的信息——某一部分的電磁波譜。信息經過時空傳輸后被傳感器接收，再通過各種信息分離、提取、增強、融合、識別等手段最終可達到被應用的目的。現代化的信息獲取利用了多種技術手段，如電視傳真、遙感技術、光纖通信以及光學與光電子成像和雷達技術。對彈道目標信息的獲取來說，其可利用的信息載體是整個電磁波譜——按波長或頻率又可細分為長、短波無線電波、微波、毫米波、紅外、可見光、紫外線直到X射線。本文的信息獲取手段是利用光學成像技術，采用光學探測器。
1.3 目標有效特征的選擇
彈頭、誘餌、母艙和導彈碎片可能在大小、幾何形狀、表面材料、表面溫度及運動方式上存在差異，而這些差異又從不同方面影響目標的成像特征。從理論上來看，通過這些特征差異就能識別出各種候選目標。但是實際上在時間限制條件下，為了提高識別目標的成功率，要求探測器能夠在遠距離的情況下就能識別出最具威脅的彈頭目標。探測器由單個敏感元陣列組成，目標物體離探測器距離越遠，目標的有效輻射投射覆蓋到的敏感元數量也越少。當候選目標距離探測器較遠時，他們在探測器上所成的像面積也較小，探測器沒有能力看到目標物體的詳細細節。如果目標物體距離探測器的距離足夠遠，其有效輻射只落在一個敏感元上，那么此時目標物體在探測器上就成為點目標。點目標沒有成像面積信息，光學探測器惟一可觀測的是對應點目標的光學強度數據，因此所要開展的空間彈道點目標的光學特性分析就是對所能獲得的目標光學強度時間序列著手，分析影響他們變化的各種因素，研究不同類型目標光學強度時間序列之間的差異，為目標識別算法的設計提供依據。目前，比較有效的特征為目標的運動姿態特征和目標的溫度特征。本文基于目標翻滾運動特征分析結論進行應用研究。
1.4 研究方法
通常獲取空間彈道式目標的光學強度時間序列的方式有兩種，一是綜合考慮各種因素后對空間彈道目標建立對應的光學輻射理論模型，然后采用數值計算的方法求得空間觀測點位置處的光學強度時間序列；二是采用外場模擬實驗測量的方法獲得空間目標的光學強度時間序列。由于各種條件的限制，目前暫時還不能獲取用于空間彈道式點目標光學特性分析的實測數據。數值模擬計算的方法是目前比較可行的獲取目標光學強度數據時間序列的方法。
2 數據的產生和數據處理方法
2.1 數據的產生
反映目標信息的數據是基于探測器點目標計算模型產生的。由探測器點目標計算模型可知，目標對單個探測單元的總輻射通量不僅與目標的形狀尺寸參數、外部光源和探測器觀測點的位置有關，還與目標表面的溫度、目標與探測器的距離、探測器探測波段范圍、目標在空間的姿態（決定了目標表面單元的法向量）有關。
2.1.1 產生數據的公式及解釋
對空間目標進行分析，外部光源我們一般只需考慮太陽光，而不考慮泛光或者其他外部點光源的影響。在本文的研究中，外部光源僅考慮太陽光對探測元輻射通量的影響。基于探測器點目標計算模型經過簡化整理后可得到整個目標在單個探測元上的總輻射通量：
式中：ΔAS為微面元ΔS的面積；[WTHX]N[WTBX]S為微面元ΔS的外法矢量；[WTHX]V[WTBX]S為探測器視點O與微面元ΔS的中心點連線的單位矢量，這里稱為微面元ΔS的單位視矢量；[WTHX]N[WTBX]Q為成像焦平面的單位外法矢量；A0為單個探測單元的面積；RSO為探測器視點O與微面元ΔS中心點之間的距離；u為對目標表面面積進行了三維網格劃分后離散化的表面單元個數；ελ是微面元ΔS在λ1~λ2波段范圍內的平均半球光譜發射率；F(θ，λ1，λ2)是輻亮度角系數函數，其中θ為輻射出射方向與微面元ΔS的外法矢量的夾角，λ1~λ2為光譜輻射波段范圍，F(θ，λ1，λ2)函數表示光譜輻射方向與表面法矢量夾角為θ的單位立體角光譜輻亮度與灰體光譜輻出度的比例關系，函數值域范圍為：0~1，可通過實際測量的方法來獲取目標表面的輻亮度角系數函數；TS是微面元ΔS的平均溫度；c1是第一輻射常數，c2是第二輻射常數；ESun(λ1，λ2)是指太陽光源在微面元ΔS上λ1~λ2波段范圍內產生的光譜輻射照度；fr是雙向反射函數。
2.1.2 參數設置
為了研究圓柱體結構的彈道目標在翻滾運動姿態下對探測能量的影響，我們在探測器點目標計算模型的基礎上進行仿真計算。仿真計算中設置如下參數：
圓柱體目標幾何尺寸：底面半徑為05 m，高為15 m；目標自旋角速度為2π/3 rad/s，進動角速度為2π/3 rad/s，翻滾角速度為2π/3 rad/s。探測器探測波段為8～12 μm，探測器與目標的初始距離為300×1 000 m，目標與探測器的相對運動矢量為5 000 m/s，采樣時間間隔為：005 s，采樣時間為8 s。目標初始溫度為300 K，目標表面光譜發射率為06，材料比熱容為1 100 J/kg·K，材料密度為1 700 kg/m3，表面涂層厚度為0001 m。
后續的研究工作，將基于式(1)和上面的參數設置來獲取圓柱體結構彈道目標的光學強度時間序列值。
2.2 數據處理方法
計算機仿真所用軟件工具Matlab中有如下幾種變換函數：離散傅里葉變換DFT、離散余弦變換DCT、Chirp z變換、Hilbert變換等，本文采用離散傅里葉變換DFT。
離散傅里葉變換DFT，即單位圓上的z變換，此變換使離散序列的描述和處理變容易。離散傅里葉變換對于有限長序列不僅在理論上有重要的意義，而且在各種數字信號處理的運算方法中，越來越起到核心的作用。離散傅里葉變換有多種快速算法，本文采用快速傅里葉變換算法FFT。
FFT并不是一種新變換，只是DFT的一種快速算法。由于DFT的運算量太大，很多年來一直沒得到應用。直到1965年庫利和圖基等學者提出并完善的快速算法FFT，使DFT的運算大大簡化，從而使DFT在實際中真正得到廣泛應用，同時也促進了數字信號處理突飛猛進的發展。
3 識別應用過程中幾點問題研究
本文是基于目標翻滾特征分析結論進行應用研究的。目標翻滾特征分析結論為：探測能量序列值的頻譜能量分布在兩個或多個頻率上存在頻譜能量峰值，可作為判別目標翻滾的有效識別特征。下面的仿真計算分析以此結論為標準。
理想空間目標模型主要分為3類。一類是軸對稱幾何體，代表軸對稱幾何結構的彈頭、與軸對稱外形相似的誘餌、廢棄母艙等；一類是薄板形目標，代表發射碎片；最后一類是球體，代表球形的誘餌、球形目標。彈道目標的運動姿態可分為3類：進動、自旋和翻滾。因篇幅所限，不能對所有類在所有運動姿態下的理想空間目標進行仿真分析。這里以軸對稱幾何體中的圓柱體在翻滾運動姿態下為例進行仿真分析，其他情況可用類似的方法。
3.1 觀測角度的選取
這里觀測角度的定義為探測器視點和目標對稱中心的連線與目標翻滾軸所形成的角。為了更有效地識別存在特征差異的目標，選擇合適的觀測角度能比較好地反應差異；在可能的情況下，可以調整探測器的位置和方位以達到調整觀測角度。選取圓柱這一類理想空間目標模型在不同觀測角度下進行試驗和分析；觀測角度分為0°，18°，36°，54°，72°和90°，并作仿真計算結果分析。以類似的方法對其他類在所有運動姿態下的理想空間目標進行仿真分析，可以得到在各種情況下比較理想的觀測角度和觀測角度范圍，并可進行綜合分析，為探測器的可能調整提供參考和依據。
3.1.1 圓柱在翻滾運動姿態下及其FFT變換后的仿真計算結果
3.1.2 仿真計算結果分析
觀測角度在0°、18°時，能比較清楚地看出探測能量序列值的頻譜能量分布在三個頻率上存在頻譜能量峰值，觀測角度在36°、54°和72°時，能看出探測能量序列值的頻譜能量分布在頻率上存在頻譜能量峰值，但不能確定數量。觀測角度在90°時，看不出探測能量序列值的頻譜能量分布在非零頻率上存在頻譜能量峰值。相比較而言，觀測角度為0°時效果最好。下面抽樣點數的選擇是建立在圓柱體翻滾運動姿態和觀測角度為0°的基礎上。
3.2 抽樣點數的選擇
在滿足能夠辨別的情況下，抽樣點要足夠少，因為對處理時間是有要求的：整個識別過程是包含多個環節，包括圖像預處理、融合目標檢測、融合目標識別等環節，每個環節需要相應的處理時間，在總的時間要求越少越好的情況下，對任何環節采取有利于減少處理時間的嘗試都是有意義的，不過和許多工程實踐一樣，提高某項性能指標往往會以犧牲其他一項或多項性能指標為代價，因此在時間指標和其他性能指標上要找到一個平衡。這里所采用的辦法是在能清楚辨別出探測能量序列值的頻譜能量分布在兩個或多個頻率上存在頻譜能量峰值的前提下，盡可能減少抽樣點數。
圓柱體理想空間目標模型在翻滾運動姿態下，選取觀測角度為0°，采用不同抽樣間隔作FFT變換。總采樣時間為8 s，基準采樣間隔為005 s，由此可得基準總點數為160點，在此基礎上，采取增大抽樣周期或采樣時間間隔的辦法進行試驗仿真比較分析，抽樣間隔分別為005 s，010 s，015 s，020 s，025 s，030 s和035 s，抽樣點數相應為160點、80點、53點、40點、32點、27點和23點。
3.2.1 圓柱在翻滾運動姿態下，觀測角度為0°，采用不同抽樣間隔作FFT變換后的仿真計算結果
3.2.2 仿真計算結果分析
抽樣間隔分別為005 s，010 s，抽樣點數相應為160點、80點時，非常清楚地看出頻譜能量分布在3個頻率上存在頻譜能量峰值；抽樣間隔分別為015 s，020 s，025 s，抽樣點數相應為53點、40點、32點時，雖然頻譜能量分布中間段有一些細微波動，但仍能比較清楚地看出頻譜能量分布在3個頻率上存在頻譜能量峰值；抽樣間隔分別為030 s和035 s，抽樣點數相應為27點和23點時，難以確定探測能量序列值的頻譜能量分布在頻率上存在頻譜能量峰值的數量。仿真計算結果表明，抽樣間隔越小，抽樣點數越多，經過處理后的特征越明顯。相比較而言，抽樣間隔為005 s和010 s效果比較好。
4 結 語
由于對識別精度和時間的實戰要求以及各種條件的限制，要實現彈道目標識別是不容易的，存在許多問題需解決，這個領域仍有大量的工作待思考和深入研究。本文是在現有技術限制條件下，在前人研究成果的基礎上進行了應用研究，試圖盡力去挖掘，以期為將來的研究提供線索和參考。
參 考 文 獻
［1］張志勇.彈道導彈防御中的空間目標光學特性仿真研究[D].長沙：國防科技大學，2006.
［2］周立偉.目標探測與識別[M].北京：北京理工大學出版社，2002.
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作者簡介 田 男，1982年出生，土家族，國防科技大學碩士研究生。主要研究方向為實時系統與專用集成電路技術。
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
