光电测量系统在高速运动目标落点测量中的应用研究

2022-07-29孙贵新

光源与照明 2022年4期

孙贵新

中国人民解放军91550部队，辽宁大连 116023

0 引言

拟建设的落区测量系统主要用于完成高速运动目标低高度段弹道、弹头落水点位置的测量，具备获取落区实况景象能力。

系统的主要功能如下：（1）系统具有外弹道测量、弹着点位置测量、实况观测、数据综合处理等基本功能；（2）系统能够完成再入弹道10 km高度以下至弹着点的弹道测量任务，实时记录测量数据，准实时和事后生成高速运动目标外测量弹道；（3）系统能够完成弹头落水时刻和弹着点位置的测量任务，实时记录测量数据，可准实时和事后生成弹头落水时刻和弹着点位置参数；（4）系统能够完成高速运动目标落区景象观测；（5）系统能够实时处理各测量手段的测量信息，生成基于各测量手段的弹道、落点参数；（6）系统能够对各测量手段测量数据进行融合处理，生成统一、完整、较精确的高速运动目标弹道和弹着点（预报）参数。

1 被测目标的光学特性

1.1 结构特性

测量对象为高速运动目标，因此长度、直径、射程、飞行速度，以及末端弹头长度、弹径、型体、末速等特点都是可见光测量要重点考虑的问题。

1.2 红外特性

高速运动目标在大气层内高速飞行，与大气摩擦产生气动热，弹头温度相比背景温度较高，弹头温度T的计算式如下[1]：

式中：T0为大气温度，K，同温层大气温度为216 K（约为-57.15 ℃）；M为目标速度，马赫。

根据式（ 1），计算得到驻点温度为1 951～2 483 K，随着弹道高度进一步降低，驻点温度会继续升高。一般试验实测高速运动目标的温度在2 000 K左右，与公式计算值基本相符。

为了保留设计裕度，高速运动目标的表面温度按1 000 K计算，红外热像仪实际工作波段按3.7～4.8 μm开展技术核算，目标截面积取0.5 m×0.5 m，高速运动目标的红外辐射强度J的计算式如下[2]：

式中：J为红外辐射强度；M为目标速度；ds为目标截面积；λ为红外热像仪实际工作波段；T为弹头温度。

分析高速运动目标红外辐射特性，在弹头末端飞行过程中，表面温度应不小于1 000 K，中波红外辐射强度不小于800 W/sr。

1.3 运动特性

高速运动的弹头从外太空再进入大气层后，由于大气层空气比较稠密，目标头部会形成激波，激波与头部间的空气温度高达几千摄氏度，致使弹头防护层材料及周围空气电离，形成等离子鞘套和尾流。等离子鞘套又称“黑障”，可以阻断无线电通信[3]。目标从高层大气到低层大气的飞行过程中，目标散射面起伏变化，进入黑障的高度与再入角、通信频段等有关。频段越高，进入黑障的高度越低，出黑障的时间越早。在L-X波段的微波频段，进入黑障的高度是60～30 km，出黑障的高度为20～10 km。

为了提升落区测量设备对低高度段弹道和落点位置的测量精准度，深入研究弹道末端弹道，完成高速运动目标末端三维轨迹和落点可达域实时外推和更新，用于预报落点和引导落区设备完成落点测量。

2 光电测量系统的组成及工作原理

2.1 系统组成

落区景象实况观测主要依靠无人机机载光电载荷和无人水面平台艇载光电载荷完成。无人机机载光电载荷分系统由无人直升机子系统、红外/可见光跟踪拍摄子系统、遥测引导跟踪子系统、测控子系统、无人直升机舰面自主起降辅助子系统、综合保障子系统等组成。

（1）无人直升机子系统。无人直升机子系统数量为2架，主要由机体结构、旋翼单元、动力单元、航电单元、电气单元和飞行控制单元等组成。其中，机体结构由主机身和机身尾段组成。

（2）红外/可见光跟踪拍摄子系统。红外/可见光跟踪拍摄子系统数量为2套，主要包括光电转塔、存储记录模块、地面显控设备及数据处理模块等。其中，光电转塔主要由红外热像仪、高速摄像机、稳定平台、高精度惯导、综合控制单元、图像处理模块等组成。

（3）遥测引导跟踪子系统。遥测引导跟踪子系统数量为2套，主要由接收天线阵、频率综合器、多通道遥测信号接收机、信号处理机、电池及二次电源、监控与数据处理模块等组成。

（4）测控子系统。测控子系统数量为2套，主要包括机载测控终端和船载测控站，其中，船载测控站可以嵌入集中控制分系统。机载测控终端为双链路，由数传电台（2台，点频不同）、图像传输电台（1台）、链路管理器及数据存储记录模块等组成；船载测控站由控制台、数传电台（2台）、图像传输电台（1台）、链路管理器及显控单元组成。

（5）舰面自主起降辅助子系统。舰面自主起降辅助子系统数量为2套，主要包括着舰引导设备、舰船运动预测模块和着舰定位锁紧装置。其中，着舰引导设备提供准确的舰机相对位置、姿态及舰船摇摆参数等；舰船运动预测模块可集成在集中控制分系统中，进行舰船运动预估，为无人直升机着舰决策提供依据；着舰定位锁紧装置采用成熟的鱼叉-格栅（或电磁铁着舰装置），可以确保无人直升机在4级海况下安全降落。

（6）综合保障子系统。综合保障子系统数量为2套，主要由无人直升机转运与舰面显控一体化方舱、舰面保障设备、手持电气检测终端、安全防护装置、无人直升机飞行模拟训练设备等组成。

2.2 系统工作原理

空中平台主要为长续航时（不低于3 h）大载荷无人直升机，具备抗6级风的能力，能搭载光电载荷、遥测导引设备及无线中继通信设备。无人直升机平台主要用于获取高速运动目标落区水柱景象及色散剂景象，主要采用以下两种形式获取高速运动目标落区景象。

（1）依据理论弹道（或集中控制系统转发的测量弹道数据）控制飞行轨迹，结合无人机飞行姿态，调整搭载光电载荷指向，设置截获屏，待捕获弹头后转入跟踪状态或采用遥测数据持续引导，完成弹头飞行姿态影像获取直至落水。

（2）机载遥测导引设备捕获到弹头后，实时引导光电载荷指向，捕获跟踪弹头飞行弹道直至落水。

3 关键技术

3.1 弹着区无人测量技术

空中平台选用无人直升机的光电吊舱完成落区景象实况拍摄。鉴于光电视场小，依据高速运动目标理论飞行弹道、母船转发的弹道数据和机载遥测导引设备完成对落区景象的实况拍摄。根据理论弹道完成远距离引导，提前设置截获屏，捕获目标后转入程控引导；根据母船转发的弹道数据进行中距离持续引导；遥测导引设备完成弹头快入水时的精确引导。

考虑弹着区人员安全，为了提升落区平台作业效率，采用水面无人和空中无人装备，实现对弹着危险区测量设备水面和空中快速机动布设。由单艇单机向集群跨度，实现集群控制，提升系统任务可用度。机载光电布设于落点区域上空，机动效果和拍摄视场较好，作为落区景象的实况拍摄的主要手段；水面无人平台光电载荷作为补充，系统可以接入水面舰艇上的光电载荷视频，舰载光电的优势在于受艇载重量限制较小，探测性能较强，能在更远距离发现弹道，尤其在目标处于黑障区区域内、遥测信号中断后，通过舰载光电载荷可以实现在黑障区内目标的探测跟踪、定位和引导。

采用经过无人实装设备验证的成熟技术能力，无人平台自主航行能力强、自主执行任务能力强；应急预案全面，核心设备防护充分，数据保护措施和通信系统加密方案可靠，通过多重防护确保安全，提供可靠的海上无人装备。

3.2 超快目标实况景象观测技术

针对落区弹道和弹头入水实况观测，采用无人平台搭载光电载荷的方式。鉴于目标飞行速度快，为使系统完成对快速目标末端飞行和落水景象的观测，无人平台采用多平台分布式布设，平台上具备实时引导功能，并采用无线宽带、卫星通信双平面传输机制保障数据的实时可靠传输。

优化航迹起始的跟踪波门算法，降低虚警率；情报处理软件增加突现目标判断功能，集控设备增加目指数据解算模型、角速率信息快速解算模型，信息可以快速解算完成，引导光电设备稳定跟踪拍摄。

3.3 高速目标稳定跟踪技术

在光电实况光测分系统中，为了满足拍摄高速目标的要求，可见光/红外摄像机应具备对高速目标的稳定跟踪能力，保证落区实况拍摄。

（1）用基于背景建模的运动目标检测方法。采用基于背景建模的运动目标检测方法，当监视场景的相机固定时，背景可以认为几乎保持不变。在这种情况下，场景中的运动目标会成为前景。为了提取这些运动的前景目标，首先需要对背景进行建模，然后将当前视频帧的模型与背景模型进行比较，以检测前景物体。由于大部分情况下背景信息也会随时间变化，采用动态背景模型，可以通过长时间的监视场景来构造这个模型。例如，采用定期更新背景模型的动态场景建模方法，通过计算背景的滑动平均值可以实现检测，对像素计算均值时总是考虑接收到的最新值。

（2）CST算法。在地面复杂背景或天空云层的干扰下，基于目标单一灰度特征的跟踪算法常常会出现跟丢目标或跟错目标的现象，因此需要利用目标的更多特征信息来有效地消除背景干扰。

CST算法结合了压缩感知理论与半监督学习理论，采用广义Haar-like特征、随机稀疏采样、二值贝叶斯分类器的判别跟踪算法。该算法使用的目标外观模型是基于目标的广义Haar-like特征空间（高维度）和压缩感知稀疏采样的线性投影空间（低维度）。采用压缩感知稀疏采样理论，可以保证使用少量随机线性投影值时能够保留目标的大部分显著特征信息。二值贝叶斯分类器是根据目标（正）样本和背景（负）样本的特征进行在线学习得到的，利用该分类器可以将当前帧划分为目标和背景区域，并且能够在跟踪过程中不断地更新目标模型，适应目标尺度、姿态、光照等变化，如图1所示。

图1 CST算法框图

CST算法跟踪效果图如图2所示。在火箭发射中，跟踪位置初始点选定为弹尾，跟踪区域的设定有效排除了弹头脱落物的干扰。在目标出山后，由于太阳光照射，目标本体上出现柱状亮带和点状亮斑，如果采用相关跟踪或波门内亮目标跟踪，都会出现跟踪点漂移，导致跟踪点跳动。采用CST方法实时对正负样本特征进行学习更新，很好地解决了光照和目标姿态变化带来的跟踪点不稳定问题。