第二十五届（2009）全国直升机年会论文
电视制导武器系统在武装直升机上发展趋势山东行政学院邱丽莉
王晓卫陆琤朱守深
南画十六观（陆军航空兵学院航空兵器教研室，北京，101123）
摘要：未来战争是高技术条件下的局部战争，电视制导武器利用目标反射的自然可见光信息，对目标进行 捕获和追踪，具有成像分辨率高，制导精度高、结构简单、可靠性高等特点，因此在精确制导领域必会占
有一席之地。本文对电视制导武器系统的特点、分类和发展现状进行了综述，并对其关键技术如目标识别
及跟踪技术进行了阐述，提出了未来电视制导武器的发展思路。 金基德时间
关键词：电视制导；精确制导；导弹；目标识别；目标跟踪
从世界军事局势的发展来看，未来战争是高技术条件下的局部战争，它要求武器装备能够有效地从复杂背景中探测、识别及跟踪目标，并选择目标薄弱部位，高精度地命中目标的要害部位，具有打了不管的特点。海湾战争中因攻击伊水电站一鸣惊人的斯拉姆导弹及南联盟战争中攻击我驻南使馆的都给人留下了深刻印象。
电视制导武器系统利用目标反射的自然可见光信息，对目标进行捕获和追踪，是一种无源跟踪系统，具有隐蔽性好，可高分辨率成像，制导精度高、结构较红外和激光跟踪简单、可靠性高等特点，因此在火控系统、导弹制导和战场侦察等军事领域得到广泛应用。目前，利用雷达低空盲区，避开雷达监测的低空突防武器，已成为现代战争中出奇制胜的绝招，对于新式的制导武器而言，更加需要电视制导系统的辅助和支持。
1 电视制导系统的特点
电视制导系统作为精确制导武器具有下列特点：
(1) 制导精度高。1967年，美国海军“白星眼”电视制导的使用开辟了精确制导武器在实战中使用的先例。1973年10月的第四次中东战争中，以列空军发射了58枚电视制导的AGM一65A “小牛”空地导弹，共击毁埃及52辆苏制坦克，成功率达到90%。在海湾战争中，“小牛”导弹也发挥了重要作用，美国空军共投射精确制导武器7400枚，其中“小牛”为5506枚，占总量的75%。据资料分析，采用空地电
摆线齿轮视制导导弹，首发命中率超过50%，命中点目标的圆概率偏差（CEP ）达到1-2m，命中面目标的圆概率偏差（CEP ）达到3-4m，摧毁目标必须出动的飞机架次可减少60%。
(2)抗干扰能力强。电视制导系统被动地检测目标与背景光能的反差，不发射电磁波，所以比雷达导引攻击方式更为隐蔽。而且，现在一般的军事干扰装备都是针对雷达及红外制导的，所以相对这两种制导武器，电视制导武器具有较好的抗干扰性能，可以达到较好攻击目标的目的。
(3)攻击目标具有选择性。对于人在回路的电视指令制导系统，可以采用人工干预的方法有选择的攻击重要的目标；同时，当攻击目标发生变化时，能够立刻取消攻击任务，不至于产生不必要的损失。
2 电视制导导弹的分类
电视制导有两种方式，一种是电视指令制导，另一种是电视寻的制导。电视指令制导借助人工完成识别和跟踪目标，工作框图如图1所示。它利用装在弹上的电视摄像头摄取目标图像，用无线电波传输到载机，载机上的武器操纵人员观察和监视图像显示屏上的目标图像，从多个目标中选取需要攻击的目标，然后根据相应的导引规律做出正确的判断, 发出导引指令给飞行中的导弹，导弹上的接收装置收到指令后, 由导弹上的控制系统根据具体指令内容调整导弹的飞行姿态。当导弹偏离目标时，操纵人员发出遥控指令，使目标图像保持在显示屏中央，并通过导弹上的自动驾驶仪控
制导弹飞向目标，直至命中。电视指令制导受气象条件限制较大，只能在能见度较好的白天使用，不能全天候使用。美国的“”AGM-54A和“幼畜”AGM-65A/B、俄罗斯的空地导弹X-59，X-59M 及英法合作研制的“玛特尔”AJ168 空舰导弹等均采用了电视指令制导方式。
图1电视指令制导导弹工作框图
目前装备部队的各种电视制导弹药中，大多数采用电视指令制导方式，并有机上锁定和发射后锁定方式：
(1) 机上锁定方式是指发射导弹前，电视导引头把目标和背景图象拍摄下来，直接传回操纵台，由操纵员判定画面上是否有目标，并由操纵员选定瞄准点，然后发射导弹攻击。电视导引头则自动跟踪和测量目标偏差信息，控制导弹飞向目标。
(2) 发射后锁定则是制导弹药飞行过程中，电视导引头把目标和背景画面拍摄下来，通过无线电传输到控制台，再由操纵员判定和选择，操纵员选择瞄准点后再把瞄准点信息传回弹药，完成瞄准，然后导弹自动跟踪目标。
电视寻的制导是由导弹电视导引头摄取目标图像，在导弹发射前传输到飞行员电视图像显示屏上，当目标图像与图像显示屏上的十字线重合时，目标被截获，若在导弹的允许发射距离内即可发射。导弹发射后，目标图像不再发送到载机，而由导弹自动导引。导引头对目标锁定、自动跟踪并形成控制指令，或通过图像识别（将自动导引过程中摄取的目标图像进行比较），形成控制指令。与电视指令制导方式相比，电视寻的制导在导引过程中不发射无线电波，较为隐蔽，不易被干扰。
3 国内外电视制导武器发展现状与发展方向
3.1 发展现状
庄启传按照电视跟踪器的性能划分，电视制导系统的发展可以分为两个阶段：
第一阶段是五十年代到七十年代末。这一时期的电视导引头主要采用体积大、比较难以实现直接稳定且强光下容易受损的硅靶管摄像机。跟踪模式为单一的，非自适应性的简单的相关或对比度跟踪器，目标跟踪锁定只能按操作员命令实现。利用这种非自适应性的跟踪算法跟踪目标时常会造成在杂波干扰区中目标丢失，且丢失跟踪后重新捕获目标仍采用人为参与的控制回路方案。这一代跟踪器大都是现在服役的军用跟踪器，比如幼畜，，KH-29，KH-59，KAB-1500T等等。
第二代为现在正在研制的具有“打了不管”功能的智能化电视制导导弹。其用直接稳定CCD 摄像机方案取代传统的硅靶管摄像机，并采用高速DSP直接对图像目标进行实时处理，具备自动目标识别能力，多目标跟踪能力，瞄准点选择能力。从2003年开始，美军一直在研制世界上最小的“发射后不管”精确制导导弹——“长钉”，现已完成了该弹攻击移动目标的试验，验证了该弹截获、跟踪
和攻击移动目标的能力。“长钉”导弹使用电视摄像制导，所使用的摄像机可以对目标进行放大，每秒产生30帧图像，并可实时更新目标轨迹，具有发现和击中诸如小艇、直升机、掩体、机掩体以及小型装甲车之类的目标的能力。美国专家曾设想：在今后20年里，无人机攻击编队将能像杀人蜂那样蜂拥至敌人的阵地，发射导弹。如果这种情形真的成为现实的话，“长钉”无疑是美军最为理想的首选弹药：价格低、重量轻、威力大、精度高。
3.2 发展方向
由于电视制导有着自身不可避免的缺陷，如只能在良好的能见度下工作，不是全天候的武器系统；易受强光和的干扰，在实战中是当目标与背景反差较小时区分不出目标，遇到烟雾、沙尘或阴雨等恶劣条件时性能更差、甚至失效。1991年海湾战争期间，F/A-18“大黄蜂”战斗攻击机的飞行员就纷纷抱怨“白星眼”在伊拉克多沙尘的环境中屡屡攻击失败。所以它将朝着复合制导、自主寻的、高精度及智能化的方向发展。如可以采用雷达-电视复合制导方式，现在的微波波段的雷达制导头能够做到在30KM左右捕获小型舰艇，这在目前是可见光电视、红外、激光、等技术上无法达到的，而且良好的全天候工作能力对空地弹药来说是十分重要的。雷达-电视制导的特点：（1）可充分发挥雷达制导、电视制导各自优点；（2）具有一定智能识别能力；（3）抗干扰能力强，捕获概率大；（4）技术难度不大，容易实现。
4 电视制导关键技术
电视制导武器的核心是寻的导引头，它完成目标的捕获、识别、跟踪、提取目标位置与运动参数，并根据导引规律形成控制指令引导导弹飞向目标。目标自动识别技术和跟踪技术是电视制导武器系统的关键技术。
4.1 目标自动识别技术
目标自动识别技术是“发射后不管”导弹的重要一环，属于模式识别范畴，目前该技术已被国内外公认
为决定成像制导武器能否取得成功的关键技术。目标识别具体地说就是从不相关的细节背景中，抽取数据特征，根据这些特征对数据进行分类，把其特征相同的数据归属为同一类。所以，目标识别通常包括特征提取和决策判断。常用的目标识别算法有Hough变换法[2]、矩识别法[3]、统计特征识别法[4]等。一个目标自动识别系统应该具有在复杂背景以及各种天气情况下的检测、分类、识别目标的能力，这样才能有针对性地对目标进行持续的跟踪。电视制导采用光学制导，受目标颜和光照程度的制约较大，在有烟、尘、雾等能见度低的情况下，有时不能成功制导。而且由于目标所处场景的复杂性，以及目标本身可能发生的姿态变换、缺损、模糊和遮挡，使得目标识别技术是一个复杂的过程，短时间内实现全自动的通用性较大的自动识别系统的可能性不大，今后应结合各种实际应用开发各种的计算机图像目标识别系统。
4.2 目标自动跟踪技术
目标跟踪，就是在一段序列图像的每帧图像中实时地到感兴趣的目标所处的位置。通过目标跟踪，可以实时地提供目标的运动轨迹和准确的位置，控制导弹的飞行姿态和移动方向。通常使用的目标跟踪算法有：
(1) 相关跟踪算法。相关跟踪算法是一种实际中应用广泛的算法，具有许多优点，如对图象质量要求不高，可在低信噪比的条件下正常工作；操作简单，无需复杂的图像预处理，可直接利用像素灰度特征
对外经济贸易大学车祸
进行相关运算；能适应复杂的目标和背景等。但计算量大，实时性差也是该方法一直困扰人们的一个重大问题。针对这一问题出现了许多改进算法，如通过减少在每一个搜索位置处的计算量来减少计算时间，提高实时性的序贯相似度检测算法[5]，以及改变搜索策略的分层搜索算法[6]和基于运动预测的目标跟踪算法[7-9]。为了提高跟踪的稳定性，不少学者还提出的模板更新策略或利用图像的其他特征（如具有不变性的奇异值、不变矩和角点等特征）。
(2)光流跟踪算法：基于光流的跟踪算法主要采用加约束的梯度模板从序列图像中抽取光流场，并结合区域合并、区域连通或聚类算法，自动筛选出光流较大的运动目标区域，从而实现复杂背景
下运动目标的跟踪[10,11]。如Subbarad通过把对噪声敏感的空间信息转成相对具有鲁棒性的时间信息，即用光流场的一阶时间导数代替二阶空间导数，提出用时间——空间法解决非刚性机动目标的运动估计问题[12]。曹三省提出一种基于区域平滑约束和运动边缘检测的算法，该算法结合局部平滑约束和全局平滑约束条件来提取运动的局部特征，并在图象分割后所得到的各个运动区域上，将光流场估计转化为大型稀疏矩阵方程组求解问题[13]。Jincheol等通过计算位移向量光流场来初始化基于轮廓的跟踪算法，从而有效地提取和跟踪运动目标。基于光流的跟踪算法的优点是不需要对图像进行预处理，抽取特征，而是直接对图像本身进行处理，但大多数的光流计算方法相当复杂，且抗噪能力差，如果没有特别的硬件装置就不能被应用于全帧视频流的实时处理，而且由于光流法容易产生虚警，所以它不适合目标只有几个像素的情况。
虽然目标跟踪理论的研究已经进行了很多年，但研究一种鲁棒性强、适应性广且运算简单的实时跟踪算法依然是该研究领域所面临的一个巨大挑战。现有的目标跟踪算法很难兼顾各方面的要求，一些比较简单的算法往往实时性比较好，但准确性和鲁棒性较差；复杂的算法往往准确性和鲁棒性有了很大的提高，但是由于其理论性强，运算量大，实时性不够理想，很难投入到实际应用中。因此打破各种跟踪算法的局限性，将多种算法融合在一起，充分发挥其各自的优点，从而研究出一种实时性好、鲁棒性强的跟踪算法已成为目标自动跟踪技术实用化迫切需要解决的问题。
5 结束语
电视制导系统可对超低空目标或低辐射能量的目标进行探测和跟踪，并具有在广泛的光谱波段上工作，无线电干扰对它无效等特点，因此在精确制导领域必会占有一席之地。但由于其自身不可避免的缺陷，其必然会朝着复合制导、自主寻的、高精度及智能化的方向发展。
参考文献
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