基于磁信號的成像探測引信交會目標識別技術(shù)

李 凱， 王西泉， 韓 焱

（1.中北大學 信息探測與處理技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原030051；2.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰714200）

0 引言

成像探測引信是各國爭相發(fā)展的引信技術(shù)，是實現(xiàn)引信智能探測的重要措施。對彈目交會時多目標識別、要害部位選擇具有優(yōu)越性，且兼?zhèn)淇估走_隱身和電磁干擾能力［1］。目前，對紅外、可見光、激光、毫米波、混合式紅外／毫米波等成像探測引信技術(shù)的研究，已進入技術(shù)應(yīng)用階段。成像探測引信融合了成像探測、圖像處理、模糊識別與智能化引戰(zhàn)配合等技術(shù)［2］，其發(fā)展將為武器精確選“點”打擊目標提供技術(shù)支撐，提高殺傷效果。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，各國通過研究多模信息成像技術(shù)，提升了精確制導武器的打擊效果。成像引信在彈目交會時對目標具有更高的探測精度，具備目標易損部位識別、多目標識別、方位判定等功能，可以大幅度提高成像探測引信對目標的分辨能力。

美國的AIM-9X 采用彈載數(shù)據(jù)處理器處理紅外成像導引頭采集的圖像信息，對高幀速序列圖像進行分析，實現(xiàn)彈目交會時目標易損部位的精確識別，進行“點”打擊；俄羅斯的R-73采用了多元紅外成像導引頭，具備了較高的多目標識別和抗熱源干擾能力。在彈道終端快速識別彈目交會時目標的易損部位，實時輸出運動偏置信號，對目標瞄準點方位信息實時更新。該導引頭把目標飛機的駕駛艙和飛行員作為識別目標，以提高武器的殺傷力［3］。

紅外成像一體化引信將紅外成像導引頭探測系統(tǒng)作為彈目交會時的目標探測器，通過與導引頭探測系統(tǒng)的信息融合，實現(xiàn)目標和目標易損部位的精確識別［4-5］。導引頭位于導彈最前端，對目標進行前視探測。導引頭的作用距離比引信遠，可提前獲得彈目交會信息。相比傳統(tǒng)工作方式的引信，紅外成像一體化引信可以更早地獲取更完整的交會目標圖像信息，對后期交會目標圖像處理、目標識別、跟蹤及起爆控制等復雜算法的實現(xiàn)提供更多的時間，從而提高導彈戰(zhàn)斗部精確起爆能力。

激光成像引信技術(shù)可實現(xiàn)彈目交會時的目標測距和目標識別。激光引信主要采用雪崩光電二極管探測器實現(xiàn)成像探測［6］。美國將激光成像引信成功用于AGM-129和AGM-130空射巡航導彈的，顯著提高了制導精度。以色列Rafael公司的空空導彈采用雪崩光電二極管探測器技術(shù)，能夠在發(fā)射后自動鎖定目標，并具有選擇目標易損部位的能力［7-8］。

為了獲取更多的彈目交會信息，三維激光成像圖像識別方法得到發(fā)展，但圖像信息數(shù)據(jù)量大，高分辨、高識別率、快速識別能力較差。

成像探測引信是我國引信技術(shù)的重要組成部分，傳統(tǒng)的程序探測引信在處理交會目標圖像信息時，對識別速度的適應(yīng)性較差。在制導武器各種成像探測引信和傳感器的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，如何利用傳感器的特性實現(xiàn)高精度的引信目標識別，是急需解決的問題。本文通過研究磁傳感器測量武器的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，利用旋轉(zhuǎn)參數(shù)確定圖像匹配的視場方向，縮小目標圖像匹配的范圍，提升彈目交會時目標識別的速率，為成像探測引信的快速圖像處理提供一種新方法。

2 旋轉(zhuǎn)圖像交會原理

2.1 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺成像原理

引信在旋轉(zhuǎn)過程中，圖像傳感器采集的連續(xù)相鄰兩幅圖像構(gòu)成立體視覺的一對圖像，相當于圖像傳感器沿著某一中心軸旋轉(zhuǎn)，形成兩個不同視場方位同時觀察同一目標物的情況。成像探測引信獲取的圖像信息取決于視場方位內(nèi)覆蓋的圖像信息。成像探測引信獲取的視場取決于圖像傳感器光軸的方向。引信旋轉(zhuǎn)立體視覺分析時，連續(xù)相鄰兩幅圖像的交會情況由這兩幅圖像的視場方位重疊區(qū)域決定。因此，在成像探測引信結(jié)構(gòu)和圖像傳感器光軸方位確定的情況下，可根據(jù)成像視場方位確定成像探測引信目標圖像交會的幾何重疊區(qū)模型，通過一系列的幾何變換估算出交會圖像中可能存在圖像重疊的最大區(qū)域［9］。其成像原理如圖1所示。

C1、C2分別代表連續(xù)相鄰兩幅圖像成像視場方位，O1、O2代表引信旋轉(zhuǎn)時圖像探測器獲取的連續(xù)相鄰兩幅圖像，θ 為圖像探測器成像時旋轉(zhuǎn)的夾角。

圖1 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺成像模型

圖1所示的交會模型中，由第一個視場方位C1獲取的圖像O1和第二個視場方位C2獲取的圖像O2構(gòu)成立體視覺的交會圖像。成像視場方位交會區(qū)域為以圖像O1的右側(cè)邊界為一條邊，以圖像O2的左側(cè)邊界為另一條邊的矩形區(qū)域。由過第一個視場方位線平行于第二個視場方位線的平面構(gòu)成相交視場方位平面。可以證明，在確定相鄰兩幅圖像視場方位平面的視場角、視場方位在相交視場方位平面的夾角、成像探測引信位置后，圖像重疊的矩形區(qū)域占圖像的比例系數(shù)隨著交會目標與成像探測引信距離的增加趨近于某一極限值。

2.2 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會模型

圖2為圖1中引信旋轉(zhuǎn)過程中相鄰兩個視場方位成像時交會的平面幾何模型。圖中：α 為成像探測引信在相交視場方位平面內(nèi)的視場角；θ為兩個相鄰兩個視場方位成像的夾角；β 為相交視場方位平面內(nèi)連續(xù)相鄰兩幅圖像成像的視場重疊角度；s為兩個相鄰兩個視場方位成像的成像探測引信圖像探測器成像中心點的距離。

圖2 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會幾何模型

x／y 的值為圖像重疊區(qū)域在原圖像中所占的比例。由幾何關(guān)系可知：

當a、θ、s已知時，通過公式β＝α-θ可得相交視場方位平面內(nèi)連續(xù)相鄰兩幅圖像成像的視場重疊角度β，則式中m ＝2ssin（α／2）／sin（β／2）為一確定值。

在圖2中，當彈目交會目標與成像探測引信的距離趨近于無窮時，成像前段距離a 也趨近于無窮大時，m／a 趨于0，式（1）對a 求極限，可得x／y 趨近于：

所以，成像探測引信采集的目標圖像重疊區(qū)域在原圖像中所占比例小于k。

采用上述交會成像模型，成像探測引信旋轉(zhuǎn)某一角度后采集的兩幅圖像O1和O2進行特征匹配分析時，應(yīng)針對重疊區(qū)域的圖像進行。O1圖像搜索區(qū)域為此圖像右上頂點到光軸旋轉(zhuǎn)過角度的邊界，即頂端邊界的像素值乘以k。同理，可得O2圖像的搜索區(qū)。

通過上述方法，使交會目標的圖像匹配區(qū)域縮小，有效限定了目標的匹配范圍，提高了成像探測引信處理速度。

3 系統(tǒng)組成

針對旋轉(zhuǎn)武器的圖像探測引信，引信內(nèi)部安裝磁傳感器，外殼安裝成像探測器部件，通過兩者的信息融合，實現(xiàn)彈目交會時目標的快速圖像識別。

磁信號作為成像探測引信的周期校正數(shù)據(jù)時，采用圖3所示的快速目標識別流程。

引信外殼成像探測器采集目標圖像。獲取的目標圖像通過旋轉(zhuǎn)信息和圖像聯(lián)合識別目標圖像的方位信息，其結(jié)果和先期交會的目標信息匹配，進行目標識別。系統(tǒng)啟動時，先對交會的目標信息進行圖像特征提取，該目標圖像需要多幅不同角度的信息共同構(gòu)成目標特征信息。利用磁傳感器獲取的旋轉(zhuǎn)信息，得到引信旋轉(zhuǎn)時成像的視場方位信息，融合目標的圖像特征信息和目標在連續(xù)圖像中的位置信息，進行實時目標圖像識別。若不是目標則再進行成像識別，直到正確識別目標，然后提取目標的方位信息。

圖3 旋轉(zhuǎn)武器的圖像探測引信快速目標識別流程

對圖1所示的成像探測引信所獲取的相鄰兩幅圖像進行交會目標圖像特征匹配，采用引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會模型，在相鄰兩幅圖像中分別選取與另一幅圖像成像視場方位信息一致的交會區(qū)域進行特征點提取。根據(jù)特征點的分布情況對目標圖像進行特征匹配，可有效減少圖像匹配搜索區(qū)域，快速確定目標方位。

4 仿真分析

為了比較旋轉(zhuǎn)信息和成像探測引信的快速目標方位解算的效果，使三軸線圈式磁傳感器和圖像傳感器勻速旋轉(zhuǎn)，模擬武器旋轉(zhuǎn)時獲取磁傳感器信號和圖像信息。以20（°）／s2的勻加速旋轉(zhuǎn)，加速到400（°）／s的旋轉(zhuǎn)速率，運行一段時間后，以20（°）／s2減速到停止，測得磁傳感器信號的原始數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 三軸轉(zhuǎn)臺模擬圖像探測引信旋轉(zhuǎn)時的磁傳感器輸出信號

模擬成像探測引信旋轉(zhuǎn)時獲取彈丸目標圖像，如圖5所示。圖像傳感器先采集到圖中所示的實線區(qū)域A，之后采集到圖中所示虛線區(qū)域B。按圖3所示的處理流程，對成像探測器采集的圖像進行區(qū)域劃分，傳感器旋轉(zhuǎn)的角度決定了圖像交會的區(qū)域C，圖像匹配時只需對區(qū)域C 進行分析，這樣可以有效減少運算量。

圖5 三軸轉(zhuǎn)臺模擬圖像探測引信旋轉(zhuǎn)時 采集的相鄰兩幅圖像示意圖

從圖5的圖像區(qū)域分割可以看出，無論待匹配圖像中的目標物角點分布情況如何復雜，使用本文的方法可取得良好的匹配效率。相對于傳統(tǒng)的在整幅圖像區(qū)域內(nèi)進行圖像特征的提取與匹配方法，在視場方位重疊區(qū)內(nèi)進行圖像特征的提取與匹配能大大減少特征提取的工作量，縮短匹配用時，如表1所示。匹配結(jié)果消除了圖像可能的最大重疊區(qū)域外的明顯的誤匹配點。降低了錯誤識別概率。

表1 圖像匹配數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

采用磁傳感器獲取的周期信號對采集的目標圖像進行融合，利用目標圖像特征進行匹配，可以克服常規(guī)成像探測引信需要全圖像搜索識別用時多的問題。采用成像視場方位對交會目標進行圖像識別，有效降低了誤識別的概率，快速確定目標方位。

本文設(shè)計的基于磁信號的成像探測引信交會目標圖像識別技術(shù)也可用于紅外、激光等成像探測引信。

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