霍丽鹏,刘晓科

(西安机电信息技术研究所， 西安 710065)

1 引言

巡飞弹集无人机与弹药优点于一身，既能执行侦察监视任务，又具备自主攻击的能力，在战争初期承担摧毁或压制敌军防空系统和轻型装甲车辆等任务，是一种高科技武器系统。较低的研制成本使它成为当前灵巧弹药装备的研究热点之一。在现代战争中激光近距探测以其优越的性能发挥着越来越重要的作用,激光近炸引信遂成为近炸引信三大体制之一。三角夹差定距是激光近炸引信常用的定距方法，目前国内外利用该方法实现近距离测距已有较高的成熟度。在巡飞弹武器系统中搭载激光近炸引信，可以起到适时引爆战斗部的重要作用，而起爆时机直接影响了对目标的毁伤效果。目前国内外巡飞弹机载传感器的研究主要集中在调频连续波雷达和毫米波/红外成像技术等方面，而三角夹差激光测距引信在要求定距距离较小时应用较多。由于三角夹差激光定距对激光发射系统和接收系统的基线距离有一定的要求。在定距距离大于20倍基线距离的条件下应用的公开报道的较为少见，这主要是由于弹的外型尺寸限制。因此对小基线探测技术更有待深入研究。本研究中提出一种利用目标散射回波光斑质心识别算法来提高线阵CCD三角夹差定距精度的方法，对应用于小弹径中需要大距离定距的激光近炸引信的定距起爆控制精度有一定的提高作用。

2 定距方法及光斑质心位置求解分析

三角夹差定距是利用发射系统发散视场与接收视场在探测空间形成的类似菱形区域完成测距或定距。随着发射系统光轴与接收系统光轴之间的基线距离的减少，探测空间形成的类似菱形区域被拉伸，面积增大，其定距误差将逐步增大，最终导致无法定距。激光近炸探测系统原理如图1所示。

图1 激光近炸探测系统原理示意图Fig.1 Light path diagram of triangulation

图1中：为发射与接收基线距离；为三角夹差区域长度；为收发光轴的夹角。由图1可以看出，用CCD作为接收器件的夹差定距实现了对探测空间菱形区域的像元细分，不同像元视场与发射视场在空间菱形区域内交会在不同位置，实现了定距范围内的距离分割。从定距角度来说，希望像元在整个菱形区域内分布曲线越接近线性越好，但实际结果并非如此，距离越远定距精度越低。

基于线阵CCD像素细分定位算法有很多种，其中质心求解是一种比较普遍的应用方法。传统的质心算法也有多种类型。对于小基线条件下的激光近炸引信线阵CCD定距而言，加权平均算法更有利于提高定位精度。依据激光三角定距系统的定距原理，系统在激光光束的发散角、接收视场角、激光发射和接收部件空间位置确定后，其定距空间的三角区域便已确定，像元位置对应的测试距离也随之确定。通过对线阵三角夹差光路的分析可以看出，在近距离条件下，单位距离长度内参与空间划分的线阵CCD像元数量多，定距分辨率和精度比相对距离远的区域高。距离越远像元覆盖区域越大，定距精度随之下降。

用于引信的激光三角测距或定距系统由于受到空间尺寸、测量时间等的严格限制，无法通过改变硬件进一步提升精度。在基线距离确定后，通过对像元的分布计算可知，在定距距离小于20倍基线距离时，其定距精度容易控制，能够满足定距离精度要求。当定距距离大于20倍基线距离时，像元分布比较少，特别是在40倍基线距离的位置，这种靠像元位置进行定距的方法有较大的偏差1个像元，依据目前CCD探测器的分辨率和像元尺寸，由此带来的相对距离偏差达到8%的水平。例如：要求的最大定距距离在6 m时，在该距离处的距离偏差达到0.48 m。对激光引信而言，这难以满足要求高精度炸点控制的应用场合。

为了采用现有的图像分析软件对不同算法的定距精度进行分析，并便于直观地观察和测量，采用成像分辨率和所使用的线阵CCD相同的面阵CCD成像器件对基于激光三角测量的探测系统的回波光斑进行二维成像，并抽取位于面阵器件中心一行的数据进行分析。测试中，分别对0.5 m、3 m、5 m三个距离点的光斑按照加权平均算法对波形中心进行光斑的质心求解算法仿真，仿真结果如图2—图4所示。

图2 目标距离0.5 m时光斑质心的仿真曲线Fig.2 The situation of spot centroid at target distance is 0.5 m

图3 目标距离3 m时光斑质心的仿真曲线Fig.3 The situation of spot centroid at target distance is 3 m

图4 目标距离5 m时光斑质心的仿真曲线Fig.4 The situation of spot centroid at target distance is 5 m

从仿真测试的结果可以看出，采用光斑质心求解算法在0.5 m和3 m距离具有较高的精度。在5 m距离处计算所获得的光斑质心位置和实际情况存在明显偏差。

3 基于加权平均算法的CCD三角定距方法

3.1 加权平均算法分析

原理分析结合仿真结果表明在3 m以下2种算法的差距不大，但在定距范围的远端，由于CCD像元的分布不均，越远越稀少，所以各个像元应该具有不同的权重系数。采用加权平均的方法可以缩小这种CCD分布不均带来的误差。根据激光引信距离60倍。在这样的条件下，对于质心位置求解方法分以下2种情况讨论：

1) 对于测试距离小于20倍基线距离的情况，通过对回波信号数字化后，找到波形的最大值(对应像元为)，见图5所示，其质心位置求解方法

图5 测试距离<3 m的光斑质心曲线Fig.5 The solution of the spot centroid with a distance <3 m

=(+)2

2) 对于测试距离大于20倍基线距离的情况，通过对回波信号数字化后，找到波形的最大值(对应像元为)，其质心位置求解方法

=·+·+·+

·+·

其中：、、、、为加权系数。

加权系数的取值依据不同的系统不同，与系统的具体设计参数有关。针对具体的线阵CCD三角定距系统，为获得加权系数的取值，采用相同分辨率、相同光敏单元尺寸及间距的面阵CCD进行等效试验，以决定加权系数初始取值，然后在线阵CCD三角定距系统中，对加权系数进行微调，使定距精度达到最佳。在具体的线阵CCD三角定距系统中，给出的一组加权系数典型的取值：

=10,=10,=20,

=30,=40

采用该组数据，对算法效果进行验证，结果如图6所示。

图6 测试距离>3 m的光斑质心曲线Fig.6 The solution of the spot centroid with a distance >3 m

3.2 定距实时性分析

采用CCD器件作为接收端时，曝光(积分)时间越长，输出的回波信号也越强。由于面阵器件帧输出时间过长而不能满足系统实时性要求，故在定距系统的接收端采用线阵器件。在回波信号信噪比为3 dB条件下，线阵CCD一帧输出时间约为850 μs。

激光近炸引信定距系统安装完成后，对线阵CCD的像元与测试距离进行标定，依据标定值来确定光斑几何中心对应的像元位置，建立定距系统的像元与距离对应关系。然后将距离-像元对应关系写入引信信号处理器的存储器中，引信信号处理器在完成光斑位置求解算法后，通过查表法完成定距功能，并进一步实施定距起爆控制。信号处理采用并行处理方式，在线阵器件输出一帧850 μs内可以采集到足够多像元的输出数据，保证在1个像元上得到1次采样并完成数据处理运算，具有较高的信息获取速度及处理速度。例如，在巡弹平台中，由于其速度一般不超过100 m/s。线阵CCD输出数据的时间以及引信信号处理的时间合计不超过1 ms，由此带来的定距误差小于0.1 m，对激光引信定距误差的影响在系统可接收范围内，满足定距实时性要求。

4 试验

在基于某型巡飞弹外形尺的基线要求下搭建定距平台，对用波形中心法和加权平均法的2种定距系统进行比较。定距样机的总体结构和实物如图7所示。

图7 定距系统的结构及实物简图Fig.7 Structure and physical sketch of ranging system

在发射端、接收端及光学系统保持一致的条件下，用2种定距样机对目标板进行定距精度室内外测试。目标板反射系数为40%，根据夹差系统结构定距范围确定为0～6.5 m。每个距离点测量10次取平均值，分别计算出定距误差和测量的标准差，如图8、图9所示。

图8 2种方法10次定距误差曲线Fig.8 Comparison ofrange errors for 10 times between the two methods

图9 2种方法10次定距标准差曲线Fig.9 Comparison ofrangestandard deviation for 10 times between the two methods

通过对定距结果分析可以看出：CCD线阵三角夹差定距时在0～3 m范围内，2种定距方法差别不大。在3～6.5 m的距离范围中利用加权平均的目标质心算法定距，误差明显小于波形中心算法。

5 结论

对线阵CCD三角夹差原理进行了分析，提出在小基线条件下采用加权平均法优化三角夹差定距区域内远端的定距精度，试验结果表明：采用加权平均法的三角夹差定距系统不仅提高了定距精度而且具有更小的多次测量标准差。

该方法可应于用巡飞弹等小口径弹药外型尺寸限制下的激光近炸引信定距。定距精度的提高使激光近炸引信能更加精确地控制起爆时机，提升武器系统的引战配合效能。