靶載光電脫靶量測量系統(tǒng)設(shè)計

李桂芝，鄭重，商國勇

（1.92941部隊91分隊，葫蘆島 125000；2.91202部隊，葫蘆島 125000）

靶載光電脫靶量測量系統(tǒng)設(shè)計

李桂芝1，鄭重1，商國勇2

（1.92941部隊91分隊，葫蘆島 125000；2.91202部隊，葫蘆島 125000）

針對靶場試驗需求，在靶船上設(shè)計了脫靶量測量系統(tǒng)。基于雙站交會測量方法，采用4臺高速攝像系統(tǒng)，將其分別布置在靶船的艏艉，實現(xiàn)方位360°周視成像；不同作用距離下對成像大小進(jìn)行了計算，得出在50m作用距離下，最小交匯角達(dá)10°時，交會測量誤差不大于3m；計算了靶船搖擺帶來的系統(tǒng)誤差。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對試驗中目標(biāo)著靶末段落點偏差測量。

靶船；光電測量系統(tǒng)；脫靶量；測量精度

目前脫靶量一般采用兩臺經(jīng)緯儀交會測量的方法，雖然經(jīng)緯儀脫靶量測量采用基于同幀畫幅處理的原理，可抵消一部分系統(tǒng)誤差，但是，實際試驗中靶點都距經(jīng)緯儀較遠(yuǎn)，并且受海面復(fù)雜氣象條件的影響，造成目標(biāo)圖像成像質(zhì)量較差，導(dǎo)致中靶點的圖像判讀誤差都很大。再加上經(jīng)緯儀基于測角原理設(shè)計，隨著距離的增大，脫靶量測量誤差必然增大。其次，傳統(tǒng)經(jīng)緯儀基于事后數(shù)據(jù)處理方式設(shè)計，實時性差，不能滿足當(dāng)前高效率、短周期的試驗要求，因此，針對以上問題，提出了一種利用四個圖像傳感器完成近距離測量脫靶量系統(tǒng)的設(shè)計方案［1，2］?！鞍休d光電脫靶量測量系統(tǒng)”基于可視化定位技術(shù)、高速攝像技術(shù)、實時多模式存儲技術(shù)以及遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)，采用四傳感器交會測量方式，對目標(biāo)著靶過程的實況景象進(jìn)行高速成像和記錄；可根據(jù)獲得的圖像數(shù)據(jù)處理出目標(biāo)與靶心的偏差量。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由高速可見光相機(jī)、等角投影光學(xué)鏡頭、視頻存儲及輸出分系統(tǒng)、時統(tǒng)分系統(tǒng)、近程綜合管理分系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。靶船為長方形結(jié)構(gòu)，在其前后有兩座桅桿，用于安裝和固定測量系統(tǒng)的兩臺攝像機(jī)，兩臺攝像機(jī)相互交會實現(xiàn)對著靶區(qū)域景象全覆蓋。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 測量方法

2.1 兩站交會處理測量目標(biāo)坐標(biāo)

垂直于船首船尾的縱向上各布置一臺成像測量站，每臺成像測量站的視場角為180°×180°，兩個測量站光軸都指向?qū)Ψ?，試驗前將每臺測量成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校后進(jìn)行測量。建立靶船坐標(biāo)系：原點為靶船中心桅桿與甲板交點，以船尾指向船首為x軸，垂直向上為y軸，z軸與x軸，y軸成右手坐標(biāo)系，以靶船坐標(biāo)系為運(yùn)算坐標(biāo)系進(jìn)行后續(xù)處理，D為成像測量系統(tǒng)距離甲板的高程，P1/T1、P2/T2分別為船艏、船艉成像測量系統(tǒng)的觀測視線。布站與測量示意圖如圖2所示：

圖2 布站與測量示意圖

對事后圖像進(jìn)行判讀，獲得目標(biāo)的像面脫靶量(x,y)，然后按照下式進(jìn)行目標(biāo)角度合成計算：

式中，x,y為目標(biāo)的像面脫靶量，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，經(jīng)過標(biāo)校安裝后A0,E0都可確定。根據(jù)各站的站址坐標(biāo)(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，按照光測設(shè)備中常用的空間目標(biāo)交會處理方法進(jìn)行交會處理得到目標(biāo)在所建立的靶船坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（X、Y、Z），水平投影公式如下：

2.2 控制點設(shè)計

控制點用于對測量相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，其設(shè)計的合理性將影響實際應(yīng)用中有關(guān)誤差的標(biāo)校，對后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來誤差［3，4］。將控制點設(shè)置在靶船的桅桿和兩個煙囪上，通過控制點的高低與水平搭配實現(xiàn)對每一個相機(jī)的精確標(biāo)定和其誤差量的測量。

3 測量指標(biāo)分析

3.1 成像大小分析

根據(jù)前面設(shè)計知所采用鏡頭為等角鏡頭，其視場為180°×180°，鏡頭的成像靶面覆蓋為12.3mm× 12.3mm，高速相機(jī)的像元尺寸為14μm，那么單個像素的視場覆蓋為：

即單個像素對應(yīng)的視場為0.2°×0.2°。則其在距離L處的視場覆蓋為：

表1 目標(biāo)成像大小分析

根據(jù)上表知，在距離30m處3m×1m的成像大小達(dá)到了27.8×9.3個，在距離100m處，3m×1m的成像大小達(dá)到8.3×2.8個，在距離200m處，3m×1m的成像大小仍達(dá)到4.2×1.4個。

3.2 測量精度分析

理論上交會測量時：兩線交會角為90°最好，交會精度最高，交會角越大（或越?。粫仍讲睿?，6］。測量精度公式如（6）所示：

其中，a為系統(tǒng)的測角誤差；d為交會角為90°時，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的交會誤差；D為交會角為90°±A時，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的交會誤差。在不同的測量距離和不同的交會角度下誤差如表2～4所示（當(dāng)判讀精度為0.5個像素，即0.1°）：

表2 測量距離30m情況下的測量精度

表3 測量距離50m情況下的測量精度

表4 測量距離60m情況下的測量精度

根據(jù)誤差分析可知，只有在交會角度為10°時交會誤差較大，但在50m測量范圍內(nèi)仍能滿足3m的精度要求。

3.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

靶船水平坐標(biāo)系的定義為：以靶船甲板的中心為原點（與靶船坐標(biāo)系的原點重合），以船尾指向船頭為x軸正向，以在水平面內(nèi)、垂直于x軸向左方向（迎著x軸看）為z軸，y軸垂直與水平面向上，x軸，y軸，z軸成直角右手坐標(biāo)系。根據(jù)定義知，在實際中，將靶船坐標(biāo)系通過兩次旋轉(zhuǎn)可以與靶船水平坐標(biāo)系重合；將靶船坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)a（以逆時針旋轉(zhuǎn)為正），使靶船坐標(biāo)系x軸與靶船水平面坐標(biāo)系的x軸重合，a角為船的前后搖擺角度；將靶船坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)b（以逆時針旋轉(zhuǎn)為正），使靶船坐標(biāo)系的z軸與靶船水平坐標(biāo)系的z軸重合，b角為船的左右搖擺角度。假設(shè)靶船坐標(biāo)系用(x′,y′,z′)表示，靶船水平坐標(biāo)系用(x,y,z)表示，則有：

靶船搖擺帶來的影響：相機(jī)的工作幀頻為500fps，假設(shè)靶船的左右搖擺速度為5°/s，前后搖擺假設(shè)為0°，則兩幀間靶船的搖擺角度為b=5×3600/ 1000×2=36″。

4 結(jié)論

設(shè)計的靶載光電脫靶量測量系統(tǒng)，采用四臺幀頻為500Hz的高速攝像機(jī)，實現(xiàn)對高速運(yùn)動目標(biāo)的精確測量，在作用距離不大于50m的情況下，測得目標(biāo)落點偏差測量精度小于3m，最小交匯角可達(dá)10°，在極端情況下還可采用單站測量實現(xiàn)目標(biāo)著靶的脫靶量測量。因此，該系統(tǒng)具有高速、高精度、低盲區(qū)和全向探測等優(yōu)點，能夠完成試驗中靶實況和脫靶量的測量任務(wù)，滿足試驗鑒定對脫靶量測量提出的實時性強(qiáng)、視場大、精度高的新需求。

［1]張三喜.彈道特征參數(shù)攝像測量［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014：12-70.

［2]何照才，胡保安.光學(xué)測量系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：40-66.

［3]張博，段錦，景文博.基于CCD的光學(xué)測角精度檢測方法［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，33（4）：55-57.

［4]王喜軍，王軍，楊會玲，等.基于多CCD拼接相機(jī)測角精度檢測［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，28（4）：36-38.

［5]閆海霞，劉巖俊，王東鶴.大視場紅外光電經(jīng)緯儀精度標(biāo)定［J］.紅外與激光工程，2015，44（3）：832-836.

［6]劉利生.外測數(shù)據(jù)事后處理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000：230-257.

Design of Photoelectric Miss Distance Measurement System Based on Target Ship

LI Guizhi1，ZHENG Zhong1，SHANG Guoyong2
（No.92941 Unit of PLA，Element 91，Huludao 125000；No.91202 Unit of PLA，Huludao 125000）

According to the test requirements of target range，a photoelectric miss distance measurement system was designed on the target ship.Based on the method of double station intersection，the azimuth 360°panoramic imaging was realized by using 4 high-speed video cameras arranged on the starboard of the target ship.The image size was calculated in different action distance，it was concluded that the minimum intersection angle was 10 degrees under the action distance of 50m and the intersection mea?surement error was not more than 3m.The error was calculated caused by the target ship swing.The measurement of the terminal target point deviation can be realized by the system in experiment.

target ship；photoelectric measure system；miss distance；measurement accuracy

TH741

A

1672-9870（2017）02-0057-03

2016-11-02

李桂芝（1967-），女，碩士，高級工程師，E-mail：331964015@qq.com