光電測量系統在高速運動目標落點測量中的應用研究

孫貴新

中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023

0 引言

擬建設的落區測量系統主要用于完成高速運動目標低高度段彈道、彈頭落水點位置的測量，具備獲取落區實況景象能力。

系統的主要功能如下：（1）系統具有外彈道測量、彈著點位置測量、實況觀測、數據綜合處理等基本功能；（2）系統能夠完成再入彈道10 km高度以下至彈著點的彈道測量任務，實時記錄測量數據，準實時和事后生成高速運動目標外測量彈道；（3）系統能夠完成彈頭落水時刻和彈著點位置的測量任務，實時記錄測量數據，可準實時和事后生成彈頭落水時刻和彈著點位置參數；（4）系統能夠完成高速運動目標落區景象觀測；（5）系統能夠實時處理各測量手段的測量信息，生成基于各測量手段的彈道、落點參數；（6）系統能夠對各測量手段測量數據進行融合處理，生成統一、完整、較精確的高速運動目標彈道和彈著點（預報）參數。

1 被測目標的光學特性

1.1 結構特性

測量對象為高速運動目標，因此長度、直徑、射程、飛行速度，以及末端彈頭長度、彈徑、型體、末速等特點都是可見光測量要重點考慮的問題。

1.2 紅外特性

高速運動目標在大氣層內高速飛行，與大氣摩擦產生氣動熱，彈頭溫度相比背景溫度較高，彈頭溫度T的計算式如下[1]：

式中：T0為大氣溫度，K，同溫層大氣溫度為216 K（約為-57.15 ℃）；M為目標速度，馬赫。

根據式（ 1），計算得到駐點溫度為1 951～2 483 K，隨著彈道高度進一步降低，駐點溫度會繼續升高。一般試驗實測高速運動目標的溫度在2 000 K左右，與公式計算值基本相符。

為了保留設計裕度，高速運動目標的表面溫度按1 000 K計算，紅外熱像儀實際工作波段按3.7～4.8 μm開展技術核算，目標截面積取0.5 m×0.5 m，高速運動目標的紅外輻射強度J的計算式如下[2]：

式中：J為紅外輻射強度；M為目標速度；ds為目標截面積；λ為紅外熱像儀實際工作波段；T為彈頭溫度。

分析高速運動目標紅外輻射特性，在彈頭末端飛行過程中，表面溫度應不小于1 000 K，中波紅外輻射強度不小于800 W/sr。

1.3 運動特性

高速運動的彈頭從外太空再進入大氣層后，由于大氣層空氣比較稠密，目標頭部會形成激波，激波與頭部間的空氣溫度高達幾千攝氏度，致使彈頭防護層材料及周圍空氣電離，形成等離子鞘套和尾流。等離子鞘套又稱“黑障”，可以阻斷無線電通信[3]。目標從高層大氣到低層大氣的飛行過程中，目標散射面起伏變化，進入黑障的高度與再入角、通信頻段等有關。頻段越高，進入黑障的高度越低，出黑障的時間越早。在L-X波段的微波頻段，進入黑障的高度是60～30 km，出黑障的高度為20～10 km。

為了提升落區測量設備對低高度段彈道和落點位置的測量精準度，深入研究彈道末端彈道，完成高速運動目標末端三維軌跡和落點可達域實時外推和更新，用于預報落點和引導落區設備完成落點測量。

2 光電測量系統的組成及工作原理

2.1 系統組成

落區景象實況觀測主要依靠無人機機載光電載荷和無人水面平臺艇載光電載荷完成。無人機機載光電載荷分系統由無人直升機子系統、紅外/可見光跟蹤拍攝子系統、遙測引導跟蹤子系統、測控子系統、無人直升機艦面自主起降輔助子系統、綜合保障子系統等組成。

（1）無人直升機子系統。無人直升機子系統數量為2架，主要由機體結構、旋翼單元、動力單元、航電單元、電氣單元和飛行控制單元等組成。其中，機體結構由主機身和機身尾段組成。

（2）紅外/可見光跟蹤拍攝子系統。紅外/可見光跟蹤拍攝子系統數量為2套，主要包括光電轉塔、存儲記錄模塊、地面顯控設備及數據處理模塊等。其中，光電轉塔主要由紅外熱像儀、高速攝像機、穩定平臺、高精度慣導、綜合控制單元、圖像處理模塊等組成。

（3）遙測引導跟蹤子系統。遙測引導跟蹤子系統數量為2套，主要由接收天線陣、頻率綜合器、多通道遙測信號接收機、信號處理機、電池及二次電源、監控與數據處理模塊等組成。

（4）測控子系統。測控子系統數量為2套，主要包括機載測控終端和船載測控站，其中，船載測控站可以嵌入集中控制分系統。機載測控終端為雙鏈路，由數傳電臺（2臺，點頻不同）、圖像傳輸電臺（1臺）、鏈路管理器及數據存儲記錄模塊等組成；船載測控站由控制臺、數傳電臺（2臺）、圖像傳輸電臺（1臺）、鏈路管理器及顯控單元組成。

（5）艦面自主起降輔助子系統。艦面自主起降輔助子系統數量為2套，主要包括著艦引導設備、艦船運動預測模塊和著艦定位鎖緊裝置。其中，著艦引導設備提供準確的艦機相對位置、姿態及艦船搖擺參數等；艦船運動預測模塊可集成在集中控制分系統中，進行艦船運動預估，為無人直升機著艦決策提供依據；著艦定位鎖緊裝置采用成熟的魚叉-格柵（或電磁鐵著艦裝置），可以確保無人直升機在4級海況下安全降落。

（6）綜合保障子系統。綜合保障子系統數量為2套，主要由無人直升機轉運與艦面顯控一體化方艙、艦面保障設備、手持電氣檢測終端、安全防護裝置、無人直升機飛行模擬訓練設備等組成。

2.2 系統工作原理

空中平臺主要為長續航時（不低于3 h）大載荷無人直升機，具備抗6級風的能力，能搭載光電載荷、遙測導引設備及無線中繼通信設備。無人直升機平臺主要用于獲取高速運動目標落區水柱景象及色散劑景象，主要采用以下兩種形式獲取高速運動目標落區景象。

（1）依據理論彈道（或集中控制系統轉發的測量彈道數據）控制飛行軌跡，結合無人機飛行姿態，調整搭載光電載荷指向，設置截獲屏，待捕獲彈頭后轉入跟蹤狀態或采用遙測數據持續引導，完成彈頭飛行姿態影像獲取直至落水。

（2）機載遙測導引設備捕獲到彈頭后，實時引導光電載荷指向，捕獲跟蹤彈頭飛行彈道直至落水。

3 關鍵技術

3.1 彈著區無人測量技術

空中平臺選用無人直升機的光電吊艙完成落區景象實況拍攝。鑒于光電視場小，依據高速運動目標理論飛行彈道、母船轉發的彈道數據和機載遙測導引設備完成對落區景象的實況拍攝。根據理論彈道完成遠距離引導，提前設置截獲屏，捕獲目標后轉入程控引導；根據母船轉發的彈道數據進行中距離持續引導；遙測導引設備完成彈頭快入水時的精確引導。

考慮彈著區人員安全，為了提升落區平臺作業效率，采用水面無人和空中無人裝備，實現對彈著危險區測量設備水面和空中快速機動布設。由單艇單機向集群跨度，實現集群控制，提升系統任務可用度。機載光電布設于落點區域上空，機動效果和拍攝視場較好，作為落區景象的實況拍攝的主要手段；水面無人平臺光電載荷作為補充，系統可以接入水面艦艇上的光電載荷視頻，艦載光電的優勢在于受艇載重量限制較小，探測性能較強，能在更遠距離發現彈道，尤其在目標處于黑障區區域內、遙測信號中斷后，通過艦載光電載荷可以實現在黑障區內目標的探測跟蹤、定位和引導。

采用經過無人實裝設備驗證的成熟技術能力，無人平臺自主航行能力強、自主執行任務能力強；應急預案全面，核心設備防護充分，數據保護措施和通信系統加密方案可靠，通過多重防護確保安全，提供可靠的海上無人裝備。

3.2 超快目標實況景象觀測技術

針對落區彈道和彈頭入水實況觀測，采用無人平臺搭載光電載荷的方式。鑒于目標飛行速度快，為使系統完成對快速目標末端飛行和落水景象的觀測，無人平臺采用多平臺分布式布設，平臺上具備實時引導功能，并采用無線寬帶、衛星通信雙平面傳輸機制保障數據的實時可靠傳輸。

優化航跡起始的跟蹤波門算法，降低虛警率；情報處理軟件增加突現目標判斷功能，集控設備增加目指數據解算模型、角速率信息快速解算模型，信息可以快速解算完成，引導光電設備穩定跟蹤拍攝。

3.3 高速目標穩定跟蹤技術

在光電實況光測分系統中，為了滿足拍攝高速目標的要求，可見光/紅外攝像機應具備對高速目標的穩定跟蹤能力，保證落區實況拍攝。

（1）用基于背景建模的運動目標檢測方法。采用基于背景建模的運動目標檢測方法，當監視場景的相機固定時，背景可以認為幾乎保持不變。在這種情況下，場景中的運動目標會成為前景。為了提取這些運動的前景目標，首先需要對背景進行建模，然后將當前視頻幀的模型與背景模型進行比較，以檢測前景物體。由于大部分情況下背景信息也會隨時間變化，采用動態背景模型，可以通過長時間的監視場景來構造這個模型。例如，采用定期更新背景模型的動態場景建模方法，通過計算背景的滑動平均值可以實現檢測，對像素計算均值時總是考慮接收到的最新值。

（2）CST算法。在地面復雜背景或天空云層的干擾下，基于目標單一灰度特征的跟蹤算法常常會出現跟丟目標或跟錯目標的現象，因此需要利用目標的更多特征信息來有效地消除背景干擾。

CST算法結合了壓縮感知理論與半監督學習理論，采用廣義Haar-like特征、隨機稀疏采樣、二值貝葉斯分類器的判別跟蹤算法。該算法使用的目標外觀模型是基于目標的廣義Haar-like特征空間（高維度）和壓縮感知稀疏采樣的線性投影空間（低維度）。采用壓縮感知稀疏采樣理論，可以保證使用少量隨機線性投影值時能夠保留目標的大部分顯著特征信息。二值貝葉斯分類器是根據目標（正）樣本和背景（負）樣本的特征進行在線學習得到的，利用該分類器可以將當前幀劃分為目標和背景區域，并且能夠在跟蹤過程中不斷地更新目標模型，適應目標尺度、姿態、光照等變化，如圖1所示。

圖1 CST算法框圖

CST算法跟蹤效果圖如圖2所示。在火箭發射中，跟蹤位置初始點選定為彈尾，跟蹤區域的設定有效排除了彈頭脫落物的干擾。在目標出山后，由于太陽光照射，目標本體上出現柱狀亮帶和點狀亮斑，如果采用相關跟蹤或波門內亮目標跟蹤，都會出現跟蹤點漂移，導致跟蹤點跳動。采用CST方法實時對正負樣本特征進行學習更新，很好地解決了光照和目標姿態變化帶來的跟蹤點不穩定問題。

圖2 CST算法跟蹤效果圖

4 結束語

文章通過分析高速運動目標入水時的光學特性，論證落區景象實況拍攝主要依靠光學設備，認證了通過空中無人機平臺搭載光電載荷完成實現對入水點位置的測量的可行性，分析了光電測量系統的組成及完成測量任務的關鍵技術方案，具有一定的參考價值。