采用圖像匹配技術的彈目攻擊姿態(tài)分析方法

劉 娟，張 健，任 波

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

近程防空導彈是對戰(zhàn)役戰(zhàn)術目標進行攻擊，其射程通常在40千米以內[1-2]。在近程防空導彈末端制導中快速識別出目標，并根據目標的姿態(tài)參數確定導彈攻擊的姿態(tài)，對提高毀傷效果十分重要。

目前，國內外研究者對近程防空導彈技術做了大量的研究。但就近距離彈目交會下的末端制導問題，國外由于技術保密的問題，沒有見到詳細的研究報道。本文主要就近距離導彈末端制導情況展開研究，為近程防空導彈準確攻擊目標提供技術支持。

文中重點研究近程防空導彈攔截飛行速度低于亞音速的飛行器目標(如巡航導彈、武裝直升機等)時，利用彈載激光成像系統(tǒng)實時獲取數張目標圖像，經過陣列DSP圖像匹配技術處理，快速識別目標，利用彈目之間特征點的幾何關系求解目標姿態(tài)，以此確定接近最佳炸點的引爆方向。

1 彈目攻擊姿態(tài)分析系統(tǒng)模型

彈目攻擊姿態(tài)分析系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 彈目攻擊姿態(tài)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由6個處理單元組成，其中彈載激光成像系統(tǒng)構成彈目攻擊姿態(tài)的前視目標探測裝置。彈載激光成像系統(tǒng)近距離(如3000米)實時拍攝完整目標圖像后，將圖像輸送到陣列DSP信息處理模塊。信息處理模塊利用陣列DSP進行并行圖像處理，此方案中采用4個DSP核進行圖像信息處理。當第n幅圖片經過圖像預處理進入特征點提取模塊(DSP2)時，第n+1幅圖片在同一時間進入圖像預處理模塊(DSP1)，……依次類推，形成流水式的陣列DSP并行處理結構，實現姿態(tài)參數解算的實時性。

2 圖像匹配算法及仿真

由于本文重點研究近程防空導彈近距離攔截低亞音速飛行目標，短時間內飛行器的運行軌跡可近似為平行移動并帶少許轉動，因此采用比例導引法可得目標圖像如圖2所示。

圖2 目標原圖

2.1 圖像預處理

由于成像環(huán)境是多變的，彈載激光成像系統(tǒng)輸出的圖像總伴有模糊、明暗度、噪聲等干擾問題，因此在對圖像特征提取前進行圖像預處理是非常必要的。圖像預處理主要包括幾何修正、圖像除噪、圖像增強、均值濾波、中值濾波、閾值分割等，因中值濾波除噪能力強且除噪后圖像清晰明亮而被廣泛應用，文中采用中值濾波，其仿真結果如圖3所示。

圖3 圖像預處理

2.2 特征點提取

圖像特征點提取一般分為基于圖像邊緣和基于圖像灰度的兩種方式[3]?；趫D像灰度的特征點提取算法一般有Harris算子、Moravec算子、SUSAN算子和SIFT算子。

本文利用Harris算子進行圖像特征點提取仿真結果如圖4所示。

圖4 特征點提取

2.3 圖像匹配

圖像匹配[4]是指把不同敏感器或同一敏感器在不同時間、不同成像條件下對同一景物獲取的兩幅圖像在空間上對準，或根據已知模式到另一幅圖像中尋找相應的模式。陣列DSP圖像匹配過程如圖5所示。

圖5 圖像匹配

SIFT算法的內容主要包括：創(chuàng)建尺度空間、極值點檢測、特征點精確定位、確定特征點主方向和生成特征描述子。采用上述圖像匹配流程進行SIFT圖像匹配仿真結果如圖6所示。

圖6 圖像匹配

3 圖像姿態(tài)計算

3.1 姿態(tài)特征點的選取

利用匹配成功后的圖像計算圖像的姿態(tài)，理論上講，只要獲取圖像3個以上的特征點就能計算出圖像的姿態(tài)，本文以飛機目標為例，選取機頭、機尾和飛機的重心三個特征點。首先對匹配后的飛機圖像進行預處理，得到二值化圖像，在此基礎上利用重心計算公式得到飛機的重心坐標g(xg,yg)。

重心計算公式:

(1)

(2)

式中I(x,y)是圖像函數，當(x,y)∈R時，I(x,y)=1,否則I(x,y)=0。

由重心開始向四周做直線，到重心距離最短的設為機頭，其坐標為a(x1,y1)，由a和g連接的直線向機尾延伸搜索，得到與重心g距離最遠的設為機尾點b(x2,y2)，這樣在目標上找到了重心、機頭和機尾三個特征點。三個特征點選取結果如圖7所示。

圖7 三個特征點

3.2 彈目姿態(tài)透視投影模型

透視投影模型[5]如圖8所示。

圖8 透視投影

3.3 目標姿態(tài)角的計算

目標的三個空間特征點分別是重心G(XG,YG,ZG)機頭A(X1,Y1,Z1)，機尾B(X2,Y2,Z2)，這三個特征點的投射投影點分別為g(xg,yg),a(x1,y1),b(x2,y2),如圖9所示。

圖9 投影坐標系

已知量分別為機型長度，g、a、b的坐標已知，G到A的距離設為M，G到B的距離設為N，M和N也是已知的，過G點做像平面c的平行平面C1，投影線oa交面C1于A1，ob交面C1于B1，設∠OA1B1=α，∠OB1A1=β，∠A1OB1=γ,∠OAB=θ,∠OBA=ψ,k=ZG/f,GA=M,GB=N,ga=m,gb=n,GA1=km,GB1=kn,AB=M+N,α、β、γ可由三角形Oab的正弦、余弦定理求的，由目標姿態(tài)角的計算方法得

(3)

sin2γ=sin2θ+sin2ψ-2sinθsinψcosγ

(4)

k=sinγ/

(5)

XT=xt×k，YT=yt×k，ZT=k×ft

(6)

(7)

X1=x1×k,Y1=y1×k

(8)

利用計算機圖形學理論對目標坐標系進行坐標變換，設GA為物體坐標系的x軸，z軸與物體坐標系的平面垂直，方向垂直向下，將G點進行平移，與O點重合，則特征點A、B兩點在新物理坐標系下的坐標為A(X11,Y11,Z11)，B(X22,Y22,Z22)，即

X11=X1-XT,Y11=Y1-YT,Z11=Z1-ZT,X22=X2-XT,Y22=Y2-YT,Z22=Z2-ZT

(9)

3.4 目標相對地面坐標系的姿態(tài)角

3.3已求得目標相對彈載攝像機的姿態(tài)角，要求出目標相對地面坐標系的姿態(tài)角，則要把攝像機坐標系轉換到地面坐標系。設由導彈自身的陀螺儀測得的導彈相對地面的姿態(tài)角分別是：俯仰角λ，偏航角μ。攝像機坐標系繞X軸順時針旋轉的角度為α(α=λ+π/2)，繞Z軸逆時針旋轉的角度為β(β=μ)，由坐標變換得攝像機向地面坐標系的轉換矩陣為L，

(10)

機身的單位向量在攝像機坐標系下的坐標為

(X,Y,Z)T=(cosφcosω,sinφcosω,sinω)T

(11)

則坐標轉換后在地面坐標系下的坐標為

(x,y,z)T=(cosφcosω,sinφcosω,sinω)T

(12)

飛機的俯仰角

(13)

偏航角

φ1=arctan(y/x)

(14)

4 姿態(tài)調整仿真分析

導彈遠處攻擊時，可以有足夠的時間做姿態(tài)調整，使其達到攻擊目標的最佳位置；但近距離攻擊時，因沒有足夠的時間調整，不足以對目標造成最大的毀傷；然而，此時短時間內如果根據目標姿態(tài)信息確定引爆點的引爆方向，使引爆方向與目標飛行方向之間的夾角盡可能接近90度，則仍可達到最大毀傷目的，彌補了前者的不足之處。

在彈目近距離交會下的戰(zhàn)斗部中預設多個定向引爆點，根據彈目交會姿態(tài)軌跡求出引爆點與目標之間的夾角，得出夾角接近90度的引爆點，便可提高對目標的毀傷效果，如圖10所示。

圖10 彈目交會

本文首先采用“小山法”在Matlab平臺上做出彈目交會軌跡，再在TMS320C6678多核DSP和EVM仿真環(huán)境下進行近程防空導彈攔截目標三維仿真，其結果如圖11所示。

圖11 仿真結果

由彈目交會軌跡可計算出導彈戰(zhàn)斗部各個引爆點與目標之間的夾角，部分設置的引爆點與飛行器飛行方向的夾角結果如表1所示。

表1 仿真基本參數

由表1可得引爆點3、6便是接近最佳炸點的引爆點，近程防空導彈點燃該引爆點，便可對目標造成極大的毀傷效果。

5 結束語

論述了一種基于陣列DSP的圖像匹配技術分析彈目攻擊姿態(tài)、確定最佳引爆方向的具體方法。該方法充分利用彈載激光成像系統(tǒng)提供的大量目標圖像信息，采用陣列DSP并行處理平臺，能準確的識別目標，確定目標的飛行姿態(tài)，繼而采用小山法得出彈目交會軌跡，確定最佳引爆點，以便對目標造成更有效威脅，提高毀傷效果。由于圖像包含的信息量多，在對圖像做一些預處理、特征匹配、姿態(tài)角計算等方面會花費大量的時間，如何在陣列DSP的設計中合理利用所有的DSP核進行數據處理將是進一步研究的關鍵。

[1] Kim M,Grider KV.Terminal guidance for impact attitude angle constrained flight rejectories [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1973,9 (6):852-859.

[2] 張意，馬清華.反坦克導彈近距離頂攻彈道設[J],彈箭與制導學報，2010,30(2)：187-189.

[3] 王紅梅,張科,李言俊.圖像匹配研究進展[J]．計算機工程與應用，2004,20(19):42-47.

[4] 王繼方,王向軍,張世海.一種基于目標特征點的姿態(tài)角測量方法[J].宇航計測技術，2008,28(2):71-72.

[5] 楊麗梅,郭立紅,曹西征.單站光測圖像確定空間目標三維姿態(tài)方法綜述[J].微計算機信息,2006(5):186-188.