〈系统与设计〉
李林1,2，张河1
（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.南京农业大学工学院电气工程系，江苏南京 210031）
摘要：引信的目标探测与识别是智能武器系统的重要组成部分。结合当今前沿的目标探测技术与信号处理技术，提出了一种新颖的基于声红外复合引信探测与识别系统的方法，它根据目标的声波和红外辐射特性，从目标的两路信号中提取出目标的各种特征信息，再进行信息融合，得出对目标的识别结果。在介绍复合探测原理的基础上，给出了部分技术难点的实现方法，完成了基于DSP和MCU的硬件电路设计。实验仿真表明，基于声红外复合的引信目标探测与识别系统是可行的，对提高武器系统作战效能，增强常规威慑和实战能力具有关键作用。 关键词：引信；声红外复合探测；目标识别；信号处理
中图分类号：TJ430 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2008)04-0205-03
3837Cc
Study on the Sound-infrared Compound Detection and Identification System for Fuze
LI Lin1 ,2，ZHANG He1
（1.School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210094, China;
2.College of Engineering Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031, China）
Abstract：It is an important component of the intelligent weapon system that the detecting and distinguishing target system for fuze. Combining with forward target detecting technology and signal processing technology nowadays, this paper put forward a new method of compound detection and distinguishing based sound and infrared for fuze. According to the target sound wave and infrared characteristic, the various characteristic information of the target is extracted out from two road sensor and is syncretized to reach to the target identification result. Basing the introduction of the technical principle and characters of compound detection, realization method for part of the difficult technology is presented and finally,Signal process modules are successfully designed with DSP and MCU. That the experiment simulation indicates that the system owing to sound and infrared compound target detection and identification is feasible, and the fuze based compound detection can improve weapon efficacy ability.
Key words：fuze；sound-infrared compound detection；target identification；signal process
引言
引信的目标探测与识别是智能武器系统的重要组成部分。如何在有干扰的情况下，在尽可能远的距离上快速有效地对目标进行可靠检测和准确识别，是现代灵巧弹药系统面临的重要挑战。在相同的弹目交会情况下，采用性能先进的引信会对目标的命中率有很大的提高[1,2]。所以，研究在复杂战场环境下高精度命中目标要害部位的能力和抗干扰能力的声红外复合探测引信系统是有必要的，而且意义重大，必将成为常规威慑力量的重要因素。
近年来，为了提高在战场中武器系统的抗干扰能力、精确制导能力、反隐身能力，各国都在发展高精度的探测系统，都采用了多种多样的复合体制。随着微电子技术、信号处理技术的发展，新的探测手段和探测器件不断产生。基于此，本文提出了一种新颖的针对装甲车辆、坦克以及飞机等目标的声红外引信复合探测识别系统，它不仅利用了声探测传感器对目标
206震动信号、声音信号的有效探测实现对目标的定位、识别, 而且利用红外探测器扫描接受目标的红外辐射信号实现目标自动识别、定距，结合两类探测敏感器的优势，各路探测器接收到的信号由弹上的信息处理装置进行综合分析和处理，提高了抗干扰的能力，从而降低了虚警率。
1 系统结构及工作原理
系统主要由两个接收模块和一个信号处理电路组成，即声波接收系统、红外接收系统和DSP 信息处理模块。图1为声红外引信复合探测识别系统框图，其中声探测模块部分主要包括声探测阵列、前置放大器、程控放大器、A/D 转换器；红外探测模块由光学系统、红外探测器和低频放大器等部分组成；信号处理部分主要包括信号预处理电路和DSP 处理电路。为了能提高信噪比和抗干扰能力，同时为满足实时性和高精度的要求，设计了以高性能浮点DSP 芯片TMS320C6713为核心的声红外探测模块和信息处理模块电路。
图1 声红外复合探测系统框图
Fig.1 Diagram of the sound and infrared compound detection
system
等离子割
整个系统的工作原理为：在被动声探测通道中，
利用时延估计算法根据传声器阵列所测信号计算各个传声器之间的声程差，进而获得目标的方位或距离。在红外探测通道中，红外信号，即目标和背景的红外热对比度，经过光学系统后到达红外探测器转换成电信号，再由低频放大器放大并由信号处理电路接收。在信号处理电路部分，声波和红外两路低频信号经过A/D 变换后，分别输入到预处理电路中进行同步和简单的数据预处理，最后由DSP 信号处理电路利用D-S 证据理论的融合检测算法对两路同步信号进行数据融合，从而获得目标探测和识别结果。当到达预定的炸点时发出命令给起爆控制电路实现精确打击，完成智能引信功能。
2 声探测模块设计
系统声探测模块主要完成预警功能。当声探测模块探测到目标后启动红外探测模块完成目标的进一步识别和弹药最佳炸点的判断。声信号经前置放大、模拟滤波、AD 转换等一系列预处理之后, 转换成了与声信号相对应的数字量。结合某智能武器要求低功耗、高稳定性、实时性强等特点，设计制作了声
探测模块硬件电路。
传声器对系统的性能影响很大，它将目标声音转换成电信号，系统选用的是MK224型驻极体电容传声器。为方便与后级系统的阻抗进行匹配，需连接高输入阻抗前置放大器。为了提高目标声音的信噪比，要求前置放大器的放大倍数适中，零点漂移小。故选择INA128这种高精度、低功耗的仪表运算放大器[3]
，其零点漂移小于50 µV ，温度漂移小于0.5 µV/℃（－40℃～80℃），共模拟制比为120 dB （当G ≥100时），静态工作电流仅700 µA ，工作电源电压±2.25 V ～±18 V ，增益可在1～10000之间任意调整。其电路连接如图2所示。
图2 传声器与前置放大器INA128的电路连接图 Fig.2 Circuit connection diagram of microphone and
pre-amplifier INA128
由于探测直升机等目标接近的距离可从1000多米远，近至数十米，声音信号的强度变化很大。为了使目标位于远处时具有较大的幅值，放大器必须具有较大的放大倍数；而目标位于近处时，应当降低信号放大倍数，以避免阻塞或削波。因此系统采用程控放大器是必要的，可以使系统随时调整放大倍数。本模块选用AD 公司的程控增益放大器AD526异步调整放大倍数[4]，每路都在零附近调整，避免
或减小信号的畸变。为了满足需要每个通道串联了两片AD526。前一个AD526的输出V OUT 作为下一个AD526的输入V IN ，置B 一直为高，这样增益随着A 0，A 1，A 2的变化而变化。模块中，通过TMS320C6713的外部存储器接口（EMIF ）来控制AD526。
传声器将外界声信号转换成电信号输入到前置放大器，然后经过带通滤波器以及程控放大器处理后
2008年4月 李 林等：引信用声红外复合探测识别系统研究 Apr. 2008
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将其输入到有效值检测器。当输入比较器的电压有效值超过预设值时，则启动微处理器采集信号，并对信号进行识别计算。目标信号从时域来看差别不大，但是从频域来看都有自己特有的、区别于其他目标的特征。若识别为直升机等目标，则控制电源开关将目标识别过程中采集的数据送入DSP 处理器。
3 红外成像探测模块设计
由于红外探测具有全天候、高分辨率、环境适应性好、抗干扰能力强，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在监测等领域被广泛的应用研究[5]。红外成像探测器拟采用某红外成像机芯组件系统，它是以非制冷焦平面探测器UFPA 为核心制成的信号处理、补偿和成像电路及图像识别、跟踪等软件于一体的系统平台。探测元320×240，响应波段8～14 µm ，响应率4 mV/K@30℃，NETD ：<80 mK @25℃。
在声红外引信复合探测中, 红外成像探测模块由红外目标图像探测器、图像处理、目标识别、炸点控制模块等部分组成。其具体的工作原理为：在弹药的飞行过程中，非制冷红外焦平面阵列对目标的红外辐射进行探测，得到一序列的红外图像，通过图像分割处理等技术对目标参数进行估计，从而获取丰富的目标外形和基本结构等信息，进而提取目标的特征与模型特征库匹配，最终实现目标及目标的
要害部位识别，然后将识别的结果传递给控制模块，一方面对目标进行跟踪定位，另一方面当到达预定的炸点时发出命令给起爆控制电路，实现精确打击，完成智能引信功能。
4 信号处理电路设计
由于声红外复合引信要在短时间内完成探测、处
理、控制全过程，最关键的问题就是引信信号处理的实时性。同时受引信工作环境的限制，传统的信号处理电路难以满足小型化和低功耗等要求，而DSP 芯片体积小、功能强、功耗小、运算速度快，特别适合于引信信号的实时数字处理[6,7]。根据智能引信的技术要求，设计了基于FPGA ＋DSP 的引信目标探测识别系统的小型化电路，并获得了较好的效果。
DSP 芯片是高速数字信号处理器件，拥有众多接口功能，再加上DSP 仿真系统应用的方便，DSP 已经越来越得到广泛的重视与应用。核心处理器选用TI 公司的32位高性能浮点DSP 芯片TMS320C6713, 适合电池供电的低功耗小体积引信技术的需要，能满足引信中的实时性应用要求，可处理大量实时数据。并在设计中扩展了1M 的静态RAM 芯片CY7C1021和
8M 的FLASH 芯片SST39VF800[8]。DSP 芯片主要完成声信号时延估计算法识别定位、红外图像的增强和分割，获得被攻击目标的空间位置信息和炸点信息，通过数据融合获得目标识别的最终结果，并将实时目标信息存在外部数据存储器，与预定炸点信息比较发出起爆控制命令。
5 实验与分析
利用上述方案，在硬件电路制作以及软件调试完成以后，进行了一些静态实验。实验的声源利用的是直升机的录音，在距系统10 m 的不同角度播放。试验的主要目的是对系统方位角探测以及频率跟踪等的有效性及精度进行检测。图3就是0°时某一点的测试结果，数据记录利用的是DSP 的CCS 软件的图形窗口功能[9]。从图中可以看出，频率跟踪比较理想，有力地保证了后续的相关数据计算。对0°时测得的数据进行统计，求得均值为0.29°，均方差0.26。
图3 0°时所测方位角 Fig.3 Measured azimuth for 0 degrees
6 结语
本文结合声、红外探测技术的优势，从智能引信的原理出发，研究了声红外引信复合探测识别电路系统。声探测模块采集和处理声信号，通过特征提取判断是否为目标信号，实现了预警；红外探测模块则进一步判断是否为目标信号，确定最佳炸点，实现起爆功能。实验结果表明，该系统在有干扰的情况下，在尽可能远的距离上能快速有效地对目标进行可靠检测和准确识别，尽早为弹药系统提供精确的目标信息。
（下转第220页）
2008年4月 Infrared Technology Apr. 2008
2204）将迭代次数count置0，各τijl和∆τijl初始化；5）将M1×N1×L1只蚂蚁置于各区域中，每个蚂
甲胺基苯丙酮
蚁按概率p ijl移动至其他区域或在本区域内搜索；
6）以每只蚂蚁对应向量计算目标函数，并记录
各区域的最好解；
7）计算∆τijl，按更新方程(9)更新各区域的吸引强度；
8）count←count＋1，若count＜预定的迭代次数，
则返回到4）；
9）输出目前的最优解。
其中第1步到第3步为图像预处理；参考图只需
处理一次。而每一帧实测图则都要进行预处理；第4
步到第9步为使用蚁算法进行匹配参数寻优。对每
一帧实测图都要进行这样的搜索过程。
5仿真试验
为了验证该算法的有效性，本文对图2所示图像
进行试验配准，得到结果如表1所示。
从表1中给出了4组数据，每组第一行为改进前
结果，第二行为改进后结果。可以看出，总体上来说，
第二行误差比第一行小很多，一般是平移的误差为1
个像素。而旋转角度误差小于0.25，缩放比例小于0.1。
如果要提高精度只要将搜索区间再分细。
显然，使用侧抑制对红外图像进行增强滤波，能
增强噪声红外图像的边缘特征，同时也能降低噪声对
图像影响。
表1 匹配结果 Table 1 The result of matching
平移角度/°比例
精确实际精确实际精确实际
5,5 6,5 2 1.875 1.1 1.15 1
飞行棋棋盘
5,5 5,5 2 1.875 1.1 1.1
8,8 9,8 4 3.875 1.1 1.10 2
8,8 8,9 4 4.0 1.1 1.10
10,10 10,10 15 15.25 1.1 1.10 3
10,10 10,10 15 15.125 1.1 1.10
20,20 21,21 15 14.875 1.2 1.95 4
20,20 20,21 15 14.875 1.2 1.2
6 结束语
侧抑制具有马赫带效应，在视觉上能突出边框，
灰度表现力强，经它滤波处理平滑性较好，边界明显，
且邻域较大时具有抑制噪声的效果。本文使用其对噪
声红外图像增强滤波，所得到的二值图像在保持足够
灰度信息同时，更多的保持了边界信息，也抑制了噪声，使结果图像在配准时有较好的精度。同时本文也对使用欧氏距离作进行相似度度量作了改进，加强了有重要作用的交叉点、分叉点等结构信息的权重，提高了配准精度。进一步的工作是对配准4个参数全部使用四维蚁算法进行寻优，并可以将旋转、缩放参数区间编码，提高精度。
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（上接第207页）
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