基于炸點紫外成像融合的火炮校射方法研究

汪陽，黃克明，胡軍

(解放軍炮兵學(xué)院，安徽 合肥230031)

目前對地面火炮等常規(guī)兵器的校正射擊和毀傷評估，多采用火炮觀察所人工逼近作業(yè)和以無人機、偵察炮彈為平臺的可見光電視偵察校射等手段，而這些偵察校射手段都存在一定的局限性:人工作業(yè)速度慢，其觀測結(jié)果易受人為因素干擾;可見光電視偵察校射受天氣影響較大等。

與可見光探測技術(shù)相比，紫外探測技術(shù)起步相對較晚，但由于紫外探測屬于無源探測，隱蔽性好，且具有虛警率低、不需低溫冷卻、凝視和探測器體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，正逐步受到各國軍方的重視。目前，通常采用的目標(biāo)紫外探測設(shè)備是日盲型增強型電荷耦合器件(日盲紫外ICCD)，探測波段為200～290 nm 的紫外光，且被探測的目標(biāo)多為較遠(yuǎn)距離探測，這樣一來，目標(biāo)紫外成像具有其他光譜成像所不具備的特點。

炮彈炸點雖然成像時間較短，但具有較強的紫外輻射，便于紫外探測器在較遠(yuǎn)距離獲取。另外，日盲紫外光炸點圖像可消除日光和其他光譜的干擾，獲得清晰的紫外光炸點圖像，而可見光則包含有豐富的成像背景信息，通過對二者的融合便可實現(xiàn)炸點的較精確定位。本文正是基于這樣的思路，提出一種基于炸點紫外成像融合的火炮偵察校正射擊的方法。

1 炮彈炸點紫外圖像的預(yù)處理

1.1 對目標(biāo)落彈區(qū)炸點紫外成像的降噪處理

圖1和圖2分別為利用紫外輻射成像儀探測到的4 門火炮一次齊射炸點的可見光圖像和紫外圖像。

由于每個炸點紫外輻射成像的持續(xù)時間很短(約為0.16 s，4 幀)，另外，這4 個炸點的位置是固定的，而噪聲則是隨機出現(xiàn)的，為此，將這4 個炸點的多幀紫外圖像的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行前后的圖像融合，并根據(jù)前后幀炸點紫外圖像的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行圖像融合，并在頻域內(nèi)采用3 階Butterworth 低通濾波器對目標(biāo)的紫外輻射圖像進(jìn)行降噪，處理結(jié)果如圖3所示。

通過降噪處理，原紫外圖像的噪聲明顯下降，突顯了目標(biāo)的有效圖像信息，為下一步處理奠定良好基礎(chǔ)。

圖1 炸點的可見光圖像Fig.1 Burst point visible image

圖2 炸點的紫外圖像Fig.2 UV image of burst points

圖3 頻域濾波降噪后的圖像Fig.3 Denoised image after Frequency domain filtering

1.2 對各炸點紫外成像進(jìn)行邊緣提取和灰度質(zhì)心計算

對降噪后的目標(biāo)區(qū)炸點紫外圖像進(jìn)行圖像分割，分別進(jìn)行邊緣提取、灰度質(zhì)心計算等圖像預(yù)處理，然后再與可見光圖像進(jìn)行小波圖像融合。其圖像處理和融合結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 邊緣提取與灰度質(zhì)心計算處理后圖像Fig.4 Centroid of edge extraction and image after computing

圖5 處理后圖像與可見光圖像小波融合Fig.5 Wavelet fusion of processed image and visible light image

2 基于紫外成像觀測的炮彈炸點修正量計算

由圖5可知，4發(fā)炮彈炸點的灰度質(zhì)心(圖5中的黑點)與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)點在方向和距離上均有偏差。為此，需要通過一定方法讀出炸點相對于目標(biāo)點在方向和距離上的偏差量，并轉(zhuǎn)換成火炮射擊諸元的修正量，然后再進(jìn)行第2 輪射擊。

2.1 基于紫外圖像處理的炸點偏差量計算

根據(jù)實驗的鏡頭參數(shù):焦距f' =105 mm，視場角2ω=9°，F(xiàn) 數(shù)為4.5，物鏡成像范圍3 m～∞，圖像分辨率為720 像素×486 像素，以及由激光測距機測定的觀察所至目標(biāo)中心點的距離為1 500 m，可計算出4 個炸點相對于預(yù)設(shè)目標(biāo)點在方向和距離上的偏差量，進(jìn)而由預(yù)設(shè)目標(biāo)點的坐標(biāo)求得4 個炸點的坐標(biāo)。

2.2 炸點修正量的計算

炸點修正量是與炸點偏差量對應(yīng)的射擊諸元改變量，包括距離修正量ΔD(m)、方向修正量ΔF(mil)和炸目高差修正量ΔHc(mil)，如圖6所示。

圖6 炸點修正量組成示意圖Fig.6 Sketch of burst point correction

由于測定炸點的方向、距離偏差量，是測定其對某一坐標(biāo)系的方向、距離分量，所以只有根據(jù)以目標(biāo)為原點、以炮目線為縱軸的直角坐標(biāo)系、即用炮目線法測定時，其距離偏差量與修正量才在數(shù)值上相等(方向修正量等于方向偏差量與方向比之積)，符號相反。

由圖6可以求出炸點的坐標(biāo)，設(shè)炸點的坐標(biāo)為XZ，YZ，HZ，根據(jù)炮陣地坐標(biāo)(XP，YP，HP)和炸點坐標(biāo)，通過坐標(biāo)逆運算，求得炮炸測地諸元:

式中:αPZ為P 點到Z 點的坐標(biāo)方位角;DPZ為P 點至Z 點的距離;FPZ為炮目測地方向;αJ為基準(zhǔn)射向坐標(biāo)方位角;(ΔX ＜0)、(ΔY ＜0)、［(αPZ－ αJ)＞3 000］和［(αPZ－αJ)＜－3 000］均為邏輯表達(dá)式，其值為真取1、為假取0.

比較炮炸測地諸元與炮目測地諸元，得到相對炮陣地的炸目距離偏差ΔDZM，炸目方向偏差ΔFZM和炸目高差ΔHZM:

因此，得炸點修正量為:

式中:ΔXα為開始距離對應(yīng)于高角變化1 mil 時的距離變化量，簡稱高變量，可由目標(biāo)的開始距離和相應(yīng)的裝藥號數(shù)在射表中查得;ΔHd為炮目高差10 m的高低修正量，可由目標(biāo)的測地距離和相應(yīng)的裝藥號數(shù)在射表中查得。

這樣，根據(jù)已知炸點坐標(biāo)、目標(biāo)點坐標(biāo)、炮陣地坐標(biāo)和火炮的裝藥號數(shù)等參數(shù)，代入以上公式，即可計算出每個炸點的修正量，達(dá)到校正射擊的目的。

表1列出了基于紫外圖像計算的炸點修正量與實際炸點修正量。比較表1的數(shù)據(jù)可知，基于紫外圖像計算的炸點修正量的誤差均在精度要求以內(nèi)，完全能夠滿足火炮等打擊兵器校正射擊的要求。

表1 炸點修正量與實際炸點修正量對比Tab.1 Comparison of burst point correction and actual correction

3 結(jié)論

本文利用日盲區(qū)紫外成像的獨特優(yōu)點，通過獲取的火炮射擊目標(biāo)落彈區(qū)的紫外圖像與可見光圖像的融合，提出并研究了一種新的火炮校正射擊的方法，實際觀測實驗結(jié)果表明:通過紫外成像探測落彈區(qū)的炸點偏差，計算炸點修正量進(jìn)行火炮射擊的校正是可行的，其誤差也能夠保持在火炮射擊精度范圍之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果，也為校正火炮射擊增加了一種簡易可行的方法。

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