艦船紅外目標特性測量航路規(guī)劃研究

劉文鵬，葉宗民

（91404 部隊，秦皇島 066001）

艦船紅外目標特性數(shù)據(jù)的獲取，如溫度分布、輻射亮度、輻射強度等特征參數(shù)，對艦船隱身效果和艦船紅外抑制系統(tǒng)效果的評估研究等至關(guān)重要，而為了客觀反映目標和武器的性能，艦船目標往往處于高速運動狀態(tài)，即使測量平臺已知被測目標的計劃運動路徑，其速度、位置以及高度間的差異也使得連續(xù)保持同一條件跟蹤測量目標變得極為困難[1]。因此，盡管國外進行了大量目標與環(huán)境特性測量系統(tǒng)相關(guān)的建設(shè)和研究工作，擁有地基、機載、球載、彈載、星載等各種測量平臺[2-3]，在實際的紅外特性測量過程中，如何在設(shè)備、環(huán)境等變化因素的影響下，通過有效的測量方法盡可能獲得被測目標真實的、定量化的紅外特性數(shù)據(jù)仍是一個亟待解決的問題[4]。本文針對艦船這一典型目標，根據(jù)其紅外特性易受目標距離、目標表面材料特性、大氣狀態(tài)以及與太陽的相對位置等環(huán)境因素影響的特點，通過對測量航路進行合理的規(guī)劃，有效利用測量設(shè)備和參試資源，提出了相應(yīng)的航路規(guī)劃方法，并設(shè)計了一套較為完備的航跡計算程序和應(yīng)用。

1 測量難點與規(guī)劃假設(shè)

1.1 艦船紅外特性測量難點

目標紅外特性測量容易受到多種因素的影響，如光譜發(fā)射率、空間/體積輻射亮度分布、鏡面反射、反射的直射陽光、反射的環(huán)境光、大氣衰減等等；此外，目標紅外特性還將隨暴曬、內(nèi)部熱源、氣動加熱（空中目標）、導(dǎo)熱、對流和輻射等熱平衡的變化而產(chǎn)生動態(tài)變化[5]。一般，艦船紅外輻射的主要來源有兩類：一類是內(nèi)熱源（發(fā)動機和煙霧、內(nèi)部散熱），一類是外熱源（太陽反射和背景特性），其中海面是自然界中最為常見和復(fù)雜的背景之一，海面背景紅外特性是一個很復(fù)雜的隨機過程，它是隨許多因素和條件而變化的[6-7]。因此，海面艦船目標的紅外特性測量是一個十分復(fù)雜的工作。

要準確測量艦船紅外目標特性，就要做好測量平臺和被測目標的航路規(guī)劃，即利用已知的被測艦船運動軌跡規(guī)劃測量平臺的航路，其原理是首先通過仿真計算得到測量平臺的理想航路，再通過選取航路中的若干離散點，根據(jù)每個點的坐標和對應(yīng)的時刻，按照約束條件規(guī)劃出實際測量平臺的運動狀態(tài)和軌跡。為了保證實際中測量平臺能夠按照要求進行運動，航路中點的數(shù)量要適當(dāng)，點太多則對測量平臺的運動操控要求過高，點太少則無法滿足測量精度要求。

1.2 測量航路規(guī)劃假設(shè)條件

為了規(guī)劃和計算方便，同時符合實際情況，在理想測量航路規(guī)劃的過程中，限定以下假設(shè)條件[8-12]：

（1）不考慮空氣阻力以及風(fēng)力的影響，假定被測艦船相對地面的速度vc恒定，作勻速直線或勻速圓周運動；

（2）為了保證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定，測量平臺在一定時間內(nèi)的航向轉(zhuǎn)角θ有界，即｜θ｜≤θ0，θ0為實際中能達到的最大偏航角；

（3）被測艦船與測量平臺之間保持適當(dāng)?shù)木嚯xR，該距離應(yīng)小于測量儀器最大的探測范圍Rmax；

（4）若采用機載測量，被測艦船與機載測量平臺的距離R還要考慮被測艦船與測量飛機的高度關(guān)系，通過高度差h和俯仰角α可以確定飛機與艦船的最小距離，必要時也可以簡化為水平投影計算。

2 航路規(guī)劃方法設(shè)計

航路規(guī)劃的基本思想是根據(jù)測量需求，使用仿真手段得到理想航跡，再對航跡進行離散化，取出相應(yīng)的航跡時間點和位置點，以供測量平臺參考。

2.1 圓周測量方法

2.1.1 被測艦船圓周運動

對海面艦船紅外目標特性進行水平方向全方位測量，最簡單的方法就是岸基圓周測量。將測量設(shè)備架設(shè)在岸邊，通過被測艦船作勻速圓周運動來獲取水平方向360°全方位的紅外特征，測量航路如圖1所示，其優(yōu)點是：（1）測量設(shè)備架設(shè)方便，便于穩(wěn)定跟蹤目標；（2）測量光路可以避開逆光情況，艦船也能進行不同工況的勻速圓周運動。缺點是：（1）控制艦船保持圓周運動航行狀態(tài)的難度較高；（2）無法調(diào)整測量俯仰角，艦船航向獲取精度低，方位角間隔大；（3）測量距離較遠時對測量設(shè)備的空間分辨率要求高。因此，當(dāng)艦船尺寸較大，不能離岸太近時，不適合采用該方法進行測量。

圖1 岸基測量示意圖

2.1.2 測量平臺圓周運動

1.艦載測量

水平方向全方位測量還可以采用艦載圓周測量方法：將測量設(shè)備架設(shè)在測量船上，以被測艦船為圓心（被測艦船進行勻速直線運動），測量船做圓周運動以獲取被測艦船水平全方位的紅外特征，測量航路如圖2所示。其優(yōu)點是：（1）方位角精度較高；（2）可以近距離測量，減小大氣衰減的影響。缺點是：（1）海況稍差時被測艦船很難保持航向和穩(wěn)定狀態(tài)；（2）無法測量艦船在不同工況、不同航向條件下的全方位紅外特征。

圖2 艦載圓周測量示意圖

2.機載測量

為了獲取艦船多個俯仰角下的紅外目標特性，可以采用機載圓周測量，測量航路如圖3所示，即通過載機在空中以不同高度圍繞被測艦船（勻速直線運動）進行圓周運動，以獲取指定俯仰角度下艦船全方位的紅外目標特性，因此該方法可以彌補上述兩種測量方法只能獲取水平角度紅外特性數(shù)據(jù)的不足。其缺點是：（1）一般只有旋翼類飛機能夠圍繞艦船做圓周運動；（2）飛機飛行高度受GPS高程定位精度差的影響，難以保證全方位的俯仰角全部滿足設(shè)定值；（3）被測艦船做勻速直線運動時，飛機的實際航路并非圓周，實施起來非常困難。

圖3 機載圓周測量側(cè)視圖

2.2 直線測量方法

2.2.1 測量船菱形運動

針對圓周測量在實際中難以實施的問題，本文設(shè)計了艦載菱形測量方法，如圖4所示，測量船沿A→B→C→D→A的航路運動，被測艦船由M→N往返運動。該方法可以獲取艦船2周360°全方位的紅外目標特性，且能得到艦船左右兩舷分別處于陽面和陰面狀態(tài)下的紅外特征。

圖4 艦載菱形測量示意圖

2.2.2 測量飛機直線運動

一般在對海面艦船進行全空間紅外目標特性測量時，方位角的精度要求可以適當(dāng)降低，選取典型方位角度測量即可；而艦船在俯仰角度上的紅外目標特性，才是紅外導(dǎo)引頭在逼近目標的過程中需要全面掌握的數(shù)據(jù)，因此俯仰角度連續(xù)變化時的艦船紅外目標特性數(shù)據(jù)尤為重要。為此，本文設(shè)計了選取典型方位角度，載機逼近被測艦船方向飛行，俯仰角度為0°～90°的測量航路規(guī)劃，如圖5所示。這樣的運動軌跡不僅適合旋翼類飛機，也適合固定翼類飛機，且飛行難度較小，航跡規(guī)劃簡單。

圖5 機載直線測量示意圖

3 航路規(guī)劃仿真結(jié)果

由于被測艦船圓周運動和艦載菱形運動的航路規(guī)劃及運動狀態(tài)相對簡單，因此本文主要針對比較復(fù)雜的機、艦載圓周測量和機載直線測量進行航路規(guī)劃仿真，假定測量時段內(nèi)海上風(fēng)向固定，為x軸正方向，被測艦船沿正風(fēng)向運動。

3.1 機、艦載圓周測量仿真結(jié)果

機、艦載圓周測量方法的核心是：使測量平臺和被測艦船盡量保持不變的距離，而只有方位角在變化。以機載測量為例（艦載測量可以視為機載測量的水平面投影）。如圖6所示，以被測艦船為原點，被測艦船沿x軸正向做速度為vc（含當(dāng)?shù)仫L(fēng)速）的勻速直線運動，運動方程如下：

圖6 機載圓周測量俯視圖

飛機初始位置為被測艦船正前方半徑r處，為了保證測量飛機與被測艦船始終保持不變的距離s，設(shè)定飛機和船一樣沿x軸正向做速度為vc的勻速直線運動，同時沿順時針做速度為vfc的勻速圓周運動，最后飛機的實際速度vf為兩者的合成。

根據(jù)上述參數(shù)方程和運動方程，本文利用MATLAB的APP設(shè)計功能模擬了被測艦船在直線航行時，飛機保持同一俯仰角繞艦船的運動軌跡，初始參數(shù)如表1所示，計算示例結(jié)果如表2和圖7所示。圖7中直線軌跡為艦船運動軌跡，圓周軌跡為飛機運動軌跡。圖7（a）是三維軌跡，圖7（b）是投影到水平面上的二維軌跡。同時程序還可以輸出測量時間點、被測艦船橫縱坐標、測量飛機橫縱坐標、相對方位角、絕對方位角、飛機實際速度、飛機與艦船實際距離等逐點參數(shù)，并自動記錄在Excel中。根據(jù)以上圖表數(shù)據(jù)的對比分析，可見飛機與艦船實際距離始終保持1 000 m，俯仰角始終保持30°，因此在實際測量時，可以根據(jù)飛機性能和測量精度的要求，合理選擇離散的時間和位置數(shù)據(jù)，進行航路規(guī)劃。

表1 機載圓周測量初始參數(shù)

表2 機載圓周測量仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

圖7 機載圓周測量仿真結(jié)果示意圖

3.2 機載直線測量仿真結(jié)果

機載直線測量方法的核心是：使測量平臺的運動方向盡量始終指向被測艦船，保持相對方位角和飛行高度不變，而只有俯仰角變化，如圖8所示，測量航路共有8條，方位角以x軸正向為基準確定。被測艦船位于原點，沿x軸正向做速度為vc（含當(dāng)?shù)仫L(fēng)速）的勻速直線運動，運動方程同式（3）；為了保證測量飛機與被測艦船始終保持不變的相對方位角θ，設(shè)定飛機同樣沿x軸正向做速度為vc的勻速直線運動，同時沿方位角θ以速度vfc向被測艦船做勻速直線運動，最后飛機的實際速度vf為兩者合成，如圖9所示。

圖8 機載直線測量俯視圖

圖9 機載直線測量運動示意圖

根據(jù)上述參數(shù)方程和運動方程，本文模擬了艦船在直線航行時，飛機保持不變的方位角60°向艦船飛行的運動軌跡，計算參數(shù)如表3所示，計算示例結(jié)果如表4和圖10所示，程序可以輸出測量時間點、被測艦船橫縱坐標、測量飛機橫縱坐標、相對方位角、飛機與艦船的實際距離等逐點參數(shù)，并自動記錄在Excel中。根據(jù)以上圖表數(shù)據(jù)的對比分析，飛機從逼近到遠離目標艦船的整個過程中，相對艦船的方位角都沒有發(fā)生變化，且運動軌跡是一條直線，實施測量時非常方便。

表3 機載直線測量初始參數(shù)

表4 機載直線測量仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

圖10 機載直線測量二維仿真投影軌跡

4 結(jié)論

本文根據(jù)海面艦船紅外目標特性測量的要求，確定了艦船紅外特性的測量難點，根據(jù)航路規(guī)劃假設(shè)條件，提出了相應(yīng)的航路規(guī)劃方法，包括岸基圓周測量法、機艦載圓周測量法、艦載菱形測量法以及機載直線測量法，并重點對機艦載圓周測量法和機載直線測量法進行了航路規(guī)劃仿真，分析了相應(yīng)測量平臺的運動過程，設(shè)計了航跡模擬仿真的APP程序，為實際測量提供了有益參考。