一种多传感器反直升机智能雷伺服跟踪系统

摘  要: 讨论一种基于多传感器的反直升机智能雷AHM(Anti-Helicopter Mine)系统。为了提高智能雷的全自动智能跟踪能力和打击精度，在传统的被动声探测技术的基础上，结合图像传感器的视觉信息和激光测距仪的深度信息，提出一种基于声-光-电多传感器联合的自动目标探测、识别、跟踪算法。首先将五元十字声源定位技术用于低空目标探测和初始定位，然后对目标进行图像处理与特征提取，最后基于图像特征的视觉伺服跟踪算法得出伺服机构的旋转角以实现精确跟踪。
关键词: 反直升机智能雷；多传感器；声源定位；图像雅克比；视觉伺服
       随着现代武装直升机作战性能的不断提高，其高机动性、高灵活性、全天候作战和有效的攻击火力，使之成为现代武器系统和地空联合作战中越来越重要的突击力量。军事雷达很难探测到超低空飞行的武装直升机，且由于其向外辐射电磁波，易被敌方侦查并实施电子干扰。反直升机智能雷AHM(Anti-Helicopter Mine)正是在这种需求背景下提出来的武器系统概念，基本任务是自主探测、识别并攻击敌方超低空飞行的直升机，其布防灵活、安全隐蔽、全天候作战等特点，使之有效弥补了现有防空武器系统的不足[1]。
     目前，反直升机智能雷常用的探测手段是复合式探测方法，其中被动声探测技术是主要探测手段。国内在距离探测方面精度还不高,存在难以对目标的位置、速度等信息进行准确估计等缺点。参考文献[2-3]提出基于被动声的直升机定位方法，通过对声传感器阵列的声信号进行处理估算出目标的位置角；参考文献[4-5]提出基于角跟踪方法的AHM跟踪系统，实现了智能雷最佳指向角的估计。以上方法都是基于单一被动声探测体制，而本文将基于图像传感器的电视跟踪系统引入AHM的设计，将被动声目标定位技术和视觉伺服理论有机结合，目标声源特征和图像特征有机结合，实现多传感器、多引导源的智能雷伺服跟踪系统。
1 多传感器AHM的系统结构设计
1.1 多传感器在AHM中的分布
　    图1是一种多传感器反直升机智能雷示意图，在一个专门设计的二自由度旋转台上，加入声传感器系统和图像传感器系统，其中将1个CCD摄像机安装于AHM弹药部平面中央（如图中黑色圆区域），使得图像传感器位于旋转机构末端，并且CCD靶面中心与战斗部火力中心重合。由5个声传感器组成的声传感阵列安装在AHM本体及四周展开的直支架腿末端，控制板和驱动电路均分层安装在本体内底座中。
   
   1.2 多传感器AHM的系统组成
　    本文将基于多传感器的反直升机智能雷跟踪系统作为研究对象，构建了一个两旋转自由度的伺服跟踪系统（如图2），以图像传感器、声传感阵列和测距仪等作为目标探测装置，可作俯仰和旋转运动的跟踪转台作为伺服机构，共同组成一个空中目标的目标检测和伺服跟踪系统。
   
         在传统反直升机被动声探测基础上，提出了一种基于图像信息、声音信息、距离信息等多信息综合跟踪算法，使得伺服机构能够在无人干预的情况下自动对准目标，通过对目标特征提取和运动轨迹预测，对空中运动的特定目标，如低空飞行的敌机、武装直升机等，进行精确跟踪。首先将声源定位技术用于低空目标探测和初始定位，当满足武装直升机等目标的声引信特征时，给出目标预警信号并启动视觉跟踪系统转动至该方位；然后进入视频跟踪阶段，进行目标图像处理和特征提取后，预测目标下一时刻的特征轨迹，最后通过推导基于图像信息的视觉伺服控制器，得出战斗部在两个自由度上的旋转角度，转至该位置后引爆战斗部，从而实现反直升机智能雷自主、智能防空作用。
2 被动声定位技术的目标探测
2.1 基于声压特征的低空目标预警
     本系统应用中，多传感器AHM智能雷初始化时，只开启低功耗的被动声探测系统，实时检测并计算声传感器的声压强度,当武装直升机低空飞行接近防空区域时，声波大于设定阈值时，认为目标进入防空区域[7]，发出预警信号并立刻开启视觉跟踪系统，结合目标声源特征和图像特征再次确认目标。这样既利于减小AHM智能雷系统的整体功耗,又能提高系统整体智能化程度，减少目标探测和后续图像识别跟踪的复杂度,防止AHM智能雷产生误动作。声压级特征定义为：
   
  
2.2 五元十字声源定位法求目标位置角
　    当系统产生预警信号后，需要通过进一步处理声阵列声信号，采用被动声定位算法估计出目标大致方位，并驱动伺服机构迅速转至该角度，使得目标大致出现在摄像机视野中央。对低空飞行的直升机在系统初始状态下进行迅速、准确的定位，是进行后续的运动目标视频检测和跟踪的前提。声源定位方法主要包括到达时延(TDOA)声源定位方法、定向波束形成法和高分辨率谱估计技术等。
　    由于摄像机一般具有一定范围的可视角，因此目标初始声源定位要求算法简单，实时性好，且易于数字信号处理器的硬件实现。考虑以上要求，采用到达时延法（TDOA）声源定位法，该算法计算量小，易于实时处理，并且实验表明可达到精度要求。
　    本文采用基于TDOA的五元十字声传感器阵列定位方法[8]。被测目标位于离声传感器较远的低空，可假设目标为点声源，位于远场。平面五元十字阵的阵形结构如图3所示，由五个无方向性的声波传感器0、1、2、3和4组成。其中1、3号传感器线阵和2、4传感器线阵正交，两线阵交点为声传感器0。每组传感器线阵的阵元距离为D。以0号传感器所处的位置为原点建立直角坐标系。目标声源入射波到达阵元1、2、3和4相对于到达阵元0的时间延迟分别记为τ1、τ2、τ3和τ4。目标方位角为θ,定义为目标入射方向在xoy平面的投影与x轴正向的夹角；俯仰角为φ,定义为目标入射方向与z轴正向的夹角，目标距声阵中心o的距离记为R，空气声速为C。由声阵和目标的几何关系并运用余弦定理可导出目标的定位方程如下：