基于紅外觸發技術的外彈道目標微動參數估計研究

王紅敏，寧生科，董 濤

(1.西安工業大學 工業中心， 西安 710021; 2.西安工業大學 光電工程學院， 西安 710021)

1 引言

微動指外彈道目標在外力影響下出現的錐旋、擺動等運動，此運動不包含主體徑向運動。外彈道目標在飛行時，常常出現誘餌，因為彈頭與誘餌的質量分布存在差異，致使兩者的進動周期與進動角之間不存在一致性[1-3]。此種情況下，有效估計目標的微動參數屬于導彈保護系統目標識別的核心。

外彈道目標識別屬于防空反導的核心，外彈道目標在彈道中飛行時間較長，為了保障姿態平穩，彈道目標在飛行時存在自旋，遭到擾動作用，彈頭出現錐旋，目標的錐旋角速度低于自旋角速度[4]。為了準確估計外彈道目標微動參數，本文提出基于紅外觸發技術的外彈道目標微動參數估計方法，以此提取外彈道目標的微動特征與結構特征，為防空反導提供理論基礎。

2 基于紅外觸發技術的外彈道目標微動參數估計方法

2.1 基于紅外觸發式數碼成像的外彈道目標圖像獲取方法

基于紅外觸發式數碼成像的外彈道目標圖像獲取方法主要使用紅外觸發式數碼成像系統獲取外彈道目標圖像，具備一觸發便拍照的功能[5-7]，能夠實時捕捉外彈道目標。

紅外觸發式數碼成像系統使用ZORAN公司的COACH6芯片，以此構建和數碼相機類似的成像子系統，COACH6屬于ZORAN公司所設計具有針對性的DSP芯片。COACH6能夠支持多種CCD相機和CMOS(互補金屬氧化物半導體)，支持很多記憶卡類型。且在成像子系統里使用合理的CMOS傳感器、SDRAM(同步動態隨機存取內存)、NAND FLASH存儲器[8]。

為了完成自主觸發，紅外觸發式數碼成像系統使用熱釋電紅外傳感器建立硬件觸發模塊，此模塊中也采用菲涅爾透鏡，實現外彈道目標捕捉聚焦[9-11]。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 紅外觸發式數碼成像系統結構框圖Fig.1 Schematic diagram of infrared triggered digital imaging system

如圖1所示，紅外觸發式數碼成像系統通過前端紅外檢測模塊，完成外彈道目標檢測，通過成像子系統獲取外彈道目標圖像，MCU屬于系統的中樞神經，用于控制系統實現外彈道目標檢測與拍照，拍照結果中會對目標進行標注，最后呈現于LCD(液晶顯示器)中。

2.2 基于紅外觸發式數碼成像的外彈道目標微動參數估計方法

2.2.1外彈道目標在紅外觸發式數碼成像平面中投影關系

假定φ是紅外觸發式數碼成像系統所獲取外彈道目標圖像中目標的初始相位，O-XYZ為外彈道目標在紅外觸發式數碼成像中的坐標系。那么紅外觸發式數碼成像中外彈道目標的錐體頂點B在坐標系O-XYZ里坐標是：

(xB,yB,zB)=(|OB|sinα(φdt+φ),

-|OB|sinαcos(φdt+φ),|OB|cosα)

(1)

其中：φd是外彈道目標錐旋運行的角速度；外彈道目標的質心是旋轉中心O；α是自旋軸和錐旋軸的夾角；t是錐旋時間。根據以上參數信息，制作外彈道目標空間位置模型。圖3是在坐標系O-XYZ范圍內，以外彈道目標的錐體頂點B為中心而設計的空間位置模型示意圖。

圖2中，m是法線；θ是目標和紅外觸發式數碼成像系統的俯仰角，r是外彈道目標錐旋時底面半徑。根據圖2模型研究紅外觸發式數碼成像系統所獲取外彈道目標圖像中目標的空間幾何關聯性，能夠獲取目標運行時，錐體散射點在成像平面中的坐標，下文將圍繞錐體頂點B實施推導。O-X′Y′Z′為外彈道目標在紅外觸發式數碼成像中投影的坐標系，B點在成像平面X′OY′中投影是B′，B′在空間里的坐標是：

圖2 外彈道目標空間位置模型示意圖

(xB′,yB′,zB′)=(xB,yB,zB)-((xB,yB,zB)·m)·m=

(xB·yBsin2θ+zBsinθcosθ,zBsin2θ+yBsinθcosθ)

(2)

式中，m為沿著法線的矢量。散射點在紅外觸發式數碼成像中坐標通過散射點在空間里Y、Z軸中位置設置，那么B′在紅外觸發式數碼成像平面中坐標能夠近似成：

(3)

其中，散射點在投影平面中有關X軸、Y軸的坐標是(xB-q,yB-q)。

按照錐體頂點B的位置，能夠把外彈道目標近視點q在空間里的坐標描述成：

(4)

則近視點q在紅外觸發式數碼成像平面中坐標能夠描述成：

(5)

根據以上算法，得出外彈道目標與投影平面的幾何關系，圖3是在X′OY′成像平面中外彈道目標的投影情況。

圖3 外彈道目標與投影平面的幾何關系示意圖

通過基于紅外觸發式數碼成像的外彈道目標圖像獲取方法，對微動參數進行估計，提取外彈道目標微動特征和結構特征。

2.2.2微動特征和結構特征估計

紅外觸發式數碼成像的初始成像時間設成t0，通過自相關法粗估計微動周期，獲取錐旋周期分量Td，Td=mdΔt，md描述粗估計后續周期中紅外觸發式數碼成像序列的數量，紅外觸發式數碼成像的成像時間平均值是Δt。

本文使用灰度匹配算法實現紅外觸發式數碼成像匹配與目標特征提取。詳細流程是：

2) 精估計階段，通過簡化的歸一化積相關度量方法，依次提取候選子圖，在它的擴展區間中實施灰度匹配[13-15]。運算外彈道目標點(a,b)中歸一化積相關系數，a、b依次描述目標點像素。

(6)

其中，n×n的模板圖是Yj,i，n×n的基準圖是Xj,i；外彈道目標散射點的種類與幅數是j、i。

3) 獲取最優匹配結果的序列號md，則重新估計的錐旋周期分量是Ti=mdΔt。

B′點在紅外觸發式數碼成像的X軸中坐標和在空間里X軸中坐標不存在差異。構建參考坐標系o-xy。假定在紅外觸發式數碼成像序列里得到的點坐標集是：

(7)

其中，外彈道目標散射點的種類是j。將第i幅外觸發式數碼成像和初始時刻間隔作為分析目標Δyi，則：

kssinα(acosφ+bsinφ)

(8)

(9)

使用式(9)能夠獲取結構特征未知變量kssinα。

在紅外觸發式數碼成像平面中，投影軌跡有關YOZ平面對稱，散射點在空間里的旋轉軌跡中心處于Z軸，旋轉軌跡中心在外彈道目標序列像中散射點投影軌跡的對稱軸中，按照紅外觸發式數碼成像平面序列周期性，使用間隔半個周期的紅外觸發式數碼成像規則，在紅外觸發式數碼成像序列中能獲取2個目標點的距離pAn：

(10)

(11)

其中，μ是近視點像素。解得：

(12)

3 仿真及結果分析

為了測試本文方法對外彈道目標微動參數估計的有效性，在MATLAB軟件中建立仿真成像場景兩組，分別為單目標模擬場景和多目標模擬場景，各組30個目標點隨機設置，隨機抽取其中一組目標點場景如圖4、圖5所示。

圖4 外彈道單目標模擬場景圖

使用本文方法獲取圖4、圖5中外彈道目標圖像時，設置紅外觸發式數碼成像系統中參考坐標系O-XYZ里方位角與俯仰角依次是90°與30°。初始相位設成15°，錐高設成3.0 m，底面半徑設成1.0 m，進動角設成20°，錐旋頻率設成2πrad/s，目標質心和頂點間距在1.0～10.0 m隨機取值。

如圖6、圖7所示，本文方法可使用紅外觸發式數碼成像系統準確獲取外彈道單目標、多目標圖像，且拍照結果中會對目標進行標注，有效縮小獲取微動參數估計的范圍，優化估計精度與效率。

圖6 外彈道單目標圖像

圖7 外彈道多目標圖像

成像效果對外彈道目標微動參數估計精度存在一定影響，若外彈道目標成像模糊不清，則目標檢測精度較差。為了測試本文方法在提取外彈道目標圖像時的魯棒性，在外彈道目標圖像中引入噪聲，此噪聲點是模擬天氣條件對成像系統的干擾所出現，測試本文方法在噪聲環境下，對圖像中目標的標注結果，以此測試本文方法是否可有效獲取外彈道目標有效圖像。結果如圖8所示。

圖8 噪聲干擾下本文方法魯棒性測試效果圖

如圖8所示，噪聲干擾下，本文方法仍舊準確提取外彈道目標，獲取有效目標圖像，魯棒性滿足使用需求。

將進動角設成20°，信噪比設成10 dB，在俯仰角依次是35°、65°、125°條件中，在所提取外彈道目標成像序列里獲取散射點坐標集合，估計外彈道單目標的微動特征和結構特征，結果如圖9所示。

圖9 外彈道單目標的微動特征和結構特征直方圖

表1是本文方法對外彈道單目標的微動特征和結構特征估計差值。

表1 本文方法估計差值

如圖9、表1所示，本文方法在估計外彈道單目標微動參數時，當成像系統和外彈道目標錐旋軸的俯仰角依次是35°、65°、125°時，錐旋旋轉中心底面圓半徑、外彈道目標方位角、旋轉中心和底面圓心距離、目標質心與頂點的距離四種特征參數估計結果和預設值差異較小，平均誤差在0.614%以內，驗證本文方法可準確估計外彈道單目標微動參數。本文方法對外彈道多目標微動參數的估計結果如表2所示。

如表2所示，本文方法對外彈道多目標的微動特征和結構特征估計結果，因不能完全排除噪聲干擾，導致和預設值存在一定誤差，平均誤差在0.36%以內，和預設值也十分接近，差值極小。

表2 本文方法對外彈道多目標微動參數的估計結果

對比結果可知，對單目標的微動特征估計結果和預設值的平均誤差比對多目標的微動特征估計結果和預設值的平均誤差要高出一些，主要是由于外彈道目標方位角的估計值誤差較高，這是因在對單目標進行跟蹤時，在方位角上轉動角度較小，所以易產生些許誤差，但此誤差依舊在精度允許范圍內，還是比較精準的。

綜上，本文方法可準確估計外彈道單目標、多目標的微動參數。如果對轉角進一步反饋式精準控制，結果誤差還將進一步減小。

4 結論

本文提出了基于紅外觸發技術的外彈道目標微動參數估計方法，并將該方法在仿真實驗中進行性能測試，測試結果顯示：

1) 本文方法可使用紅外觸發式數碼成像系統準確獲取外彈道單目標、多目標圖像，且拍照結果中會對目標進行標注；

2) 噪聲干擾下，本文方法仍舊準確提取外彈道目標，獲取有效目標圖像；

3) 在俯仰角依次是35°、65°、125°條件中，本文方法在估計外彈道單目標、多目標微動參數時，錐旋旋轉中心底面圓半徑、外彈道目標方位角、旋轉中心和底面圓心距離、目標質心與頂點的距離四種特征參數估計結果和預設值差異較小，估計結果有效。