炮彈炸點坐標檢測技術研究綜述

連細南，陳 棟，石勝斌

(陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室， 合肥 230000)

1 引言

隨著實戰(zhàn)化訓練的深入，實彈射擊訓練不斷貼近實戰(zhàn)，對炮彈炸點坐標檢測精確性、實時性、觀測區(qū)域、觀測距離等提出更高要求。當前，靶場、試驗場主要利用炸點經(jīng)緯儀等設備進行炮彈炸點坐標檢測。但由于炸點經(jīng)緯儀自身缺陷，炮彈落區(qū)環(huán)境復雜及群發(fā)炮彈炸點時空分布密集等因素影響，難以保證炮彈炸點坐標檢測的精度和實時性。本文系統(tǒng)地梳理了代表性炮彈炸點坐標檢測技術，總結了當前檢測技術存在的不足，并進一步探索其解決方法，為炮彈炸點坐標檢測技術的研究提供參考。

2 炮彈炸點坐標檢測基本概念

炮彈炸點坐標檢測包含“炮彈”、“炮彈炸點”和“炮彈炸點坐標檢測”3個主要概念，結合不同學者觀點并參考軍語做以辨析。

1) 炮彈(Artillery shell)指供火炮發(fā)射的彈藥。按用途可分為主要炮彈、特種炮彈和輔助炮彈。其中主要炮彈指用于直接毀傷目標的炮彈，包括榴彈、穿甲彈等。榴彈是殺傷彈、爆破彈和殺傷爆破彈3種彈藥的俗稱，其是遂行火力打擊的主用炮彈，文中炮彈概念指以高能量、高爆速的單質與混合炸藥為裝藥的炮彈。

2) 炮彈炸點在不同文獻中常見彈著點、彈落點和彈炸點3種描述。劉吉等將射彈穿過光靶的坐標定義為彈著點；王鑫和王向軍將彈落點描述為彈丸落地位置；徐韜祜等將炮彈爆炸瞬間坐標點描述為炮彈炸點。軍語中，彈著點(Point of impact)指彈道與目標或地表面的交點；落點(Point of fall)指射彈落回地面時彈道與射擊武器身管口水平面的交點；炸點(Spot of burst)指射彈或其他爆炸物的爆炸點。綜上，炮彈彈著點和彈落點是坐標交匯點，并非炮彈爆炸點。炮彈炸點指炮彈爆炸爆心至地面垂線與地面的交點，即炮彈與目標或地表面爆炸投影點。

3) 炮彈炸點坐標檢測是火炮校射核心環(huán)節(jié)，按不同校射方式，可分為彈道校射、落點校射和炸點校射。同樣，從是否基于炮彈爆炸現(xiàn)象，炮彈炸點坐標檢測可分為基于炮彈爆炸現(xiàn)象和基于炮彈彈道預測2種?；谂趶棻ìF(xiàn)象指利用炮彈爆炸的熱輻射和煙塵等現(xiàn)象進行檢測，如可見光檢測和聲波檢測等?；谂趶棌椀李A測是捕獲炮彈彈道軌跡，計算炮彈與光幕的交匯點或利用趨勢外推預測炮彈炸點坐標，如天幕靶法、光幕靶法和炮位偵察校射雷達法等。其計算結果是炮彈爆炸前與光幕交匯點或推算的炮彈爆炸瞬間坐標，并非真實炸點位置，誤差偏大。因此，檢測必須以炮彈爆炸現(xiàn)象為依據(jù)，在爆炸發(fā)生前提下檢測炮彈爆炸瞬間坐標。

3 代表性檢測技術

炮彈爆炸反應時間極短，爆炸現(xiàn)象主要包含以下4個。一是爆溫。炮彈爆炸時，釋放能量將爆轟產(chǎn)物加熱到最高溫度，它存在時間短、溫度高且伴有破壞作用。二是爆光。炮彈爆炸產(chǎn)生爆溫時，大量熱能形成火球，在此過程中發(fā)出強烈閃光。三是爆煙。炸藥爆燃反應產(chǎn)生黑色濃煙，爆炸沖擊引起巖土拋擲，形成大面積煙塵。四是聲波與地震波。爆炸產(chǎn)生爆轟波經(jīng)由沖擊波轉化為彈性波，彈性波包括高頻部分聲波或超聲波及低頻部分地震波。

炮彈爆炸現(xiàn)象是炮彈炸點坐標檢測的依據(jù)，炮彈炸點坐標檢測技術分類如圖1所示，代表性檢測技術有以下6種，除人工檢測外，基于電磁波檢測有雷達、紅外和可見光檢測技術，基于機械波檢測有聲波和地震波檢測技術。下面綜述不同檢測技術基本原理及研究現(xiàn)狀。

圖1 炮彈炸點坐標檢測技術分類框圖

3.1 人工檢測

人工檢測是使用觀瞄器材進行輔助測量，觀瞄器材包括經(jīng)緯儀和炮隊鏡等。根據(jù)觀測技術不同，可分為觀目線法和極距法等。通過觀察爆炸火光和煙塵，計算炸點坐標或偏差量。炸點偏差量是炸點與預定射擊目標的偏差，是方向偏差量、距離偏差量和高度偏差量構成的三維向量。如圖2所示，G代表指揮觀察所，M代表預定射擊目標，P代表炮兵射擊陣地。

圖2 人工檢測炮彈炸點示意圖

單炮射擊情況下，由于炮手操作、炮彈固有屬性、炮彈內彈道和外彈道環(huán)境不一致性，射擊散布誤差恒存在，炮彈炸點幾乎不可能在同一位置。其次，采用單炮同時彈著法射擊時，存在爆炸時間差。因此，對于單炮射擊，人工檢測可觀測炸點坐標。但群發(fā)炮彈炸點時空分布密集時，人工檢測只能以炮彈炸點散布誤差中心進行修正，無法精確獲取每發(fā)炮彈炸點坐標。

人工檢測技術是最基礎的檢測技術，同時，其具有以下缺陷。一是觀測盲區(qū)大。受地形影響，觀察所與炮彈落區(qū)無法達到絕對通視，炮彈炸點被地形、地物遮擋產(chǎn)生炸點不明情況比較常見。同時，群發(fā)炮彈炸點時空分布密集時，爆炸煙塵互相粘連遮擋，難以精確計算炸點坐標；二是人為因素影響大。檢測精度依賴于人員專業(yè)訓練水平與主觀能動性，檢測質量難以保證；三是實時性差。從觀察所觀測到炸點到火炮接收射擊口令實施校射，閉環(huán)時間長。隨著檢測需求提高，人工檢測將難以滿足實際應用。

3.2 雷達檢測

雷達檢測波長位于為3 mm至100 m，是由雷達向目標發(fā)射電磁波，再根據(jù)接受目標反射回波確定目標位置。雷達檢測分為2種，一種是基于炮彈彈道預測，如炮位偵察校射雷達檢測。炮位偵察校射雷達工作情況如圖3所示，雷達發(fā)射搜索波束，捕獲炮彈飛行軌跡，跟蹤飛行彈道，測定飛行數(shù)據(jù)，預測炮彈炸點坐標。

圖3 炮位偵察校射雷達工作情況示意圖

另一種是基于炮彈爆炸現(xiàn)象，如活動目標偵察校射雷達檢測。其原理是根據(jù)炮彈爆炸彈片和土塊等運動目標反射的無線電波進行檢測，在雷達顯示屏上顯示目標信息，再由觀測人員實時判定炸點。該技術對觀測人員及地形依賴性強，需人工實時判定炸點和保持通視。為解決對人員的依賴，王博等提出一種炸點自動識別技術，能自動識別炸點目標，實施簡便。

雷達檢測技術成熟，適合超視距條件和大目標跟蹤與測量，對炮彈炸點這類速度快、體積小的目標，以炮彈爆炸彈片和土塊等運動目標反射的無線電波進行檢測并不適用。且雷達檢測技術復雜，價格昂貴，日常維護保養(yǎng)難度大。

3.3 紅外檢測

由熱力學定律可知，只要物體溫度高于絕對零度就會有熱輻射。炮彈炸點熱輻射光譜分布由炸點火焰溫度決定，其光譜分布主要集中在可見光和近紅外區(qū)域。其中，近紅外區(qū)域波長在0.73～1.675 μm，利用紅外傳感器對炮彈炸點反射的近紅外區(qū)域光譜成像，成像背景依據(jù)空間不同，分為天空、水面和地面，通過背景抑制、前景突出分割出炮彈炸點，再計算坐標。紅外圖像中炮彈炸點灰度強度如圖4所示，以理想地面為背景的炮彈炸點灰度強度圖，圖中極值點可視為炮彈炸點質心的像素坐標。

圖4 紅外圖像中炮彈炸點灰度強度圖

基于紅外檢測原理，程君等提出一種基于紅外成像的雙目視覺群發(fā)炮彈炸點自動識別與定位系統(tǒng)。系統(tǒng)通過在靶場架設左右兩個紅外觀測站獲取紅外序列圖像，在預處理后，進行群發(fā)炸點目標的實時自動識別和定位。董濤等提出一種采用6光幕陣列配合火焰探測器測量彈丸空間炸點的三維坐標測試技術，該技術通過檢測炮彈爆炸時紅外信號，確定炮彈爆炸時刻T，再利用光幕陣列測量的6個參數(shù)計算出炮彈炸點坐標。

紅外檢測技術不輻射電磁波，不易被探測。其次，紅外傳感器具備全天時全天候工作能力，在光線條件好或能見度低的環(huán)境中都能正常工作。但爆炸火光出現(xiàn)時間短，消失快，不易被檢測，對攝像機的幀速率要求高。目前，以炮彈炸點為對象的紅外檢測研究還非常少。

3.4 可見光檢測

可見光檢測波長位于400～730 nm，是利用攝像機等可見光成像器材對炮彈爆炸可視現(xiàn)象進行成像，再計算炸點三維坐標。炮彈爆炸具有爆炸火光和煙塵(水柱)2種可視現(xiàn)象，由于裝定引信不同和跳彈現(xiàn)象，其可視現(xiàn)象稍有不同。如裝定瞬發(fā)引信，炮彈觸及地面約0.001 s爆炸，爆煙濃厚低寬，下部混有土色，上部為灰白色，天氣較暗時，能看到爆炸火光；裝定短延引信，炮彈觸及地面約0.01s爆炸，可觀察到明顯爆煙和高飛土塊，爆煙呈樹狀分布，帶灰黃色；裝定延期引信，炮彈觸及地面約0.1～0.15 s爆炸，爆煙稀薄，煙塵向上飛散。

可見光檢測是坐標檢測研究的熱點，可分為主動光檢測和被動光檢測2種，如在空中炸點三維坐標檢測中，李翰山和雷志勇使用4個光幕與相機主動捕獲空中炸點三維坐標，賈添丹提出一種基于被動光檢測原理的空中炸點三維坐標檢測方法。同時，可見光檢測研究可歸納為以下幾個方面：

一是檢測內容豐富，包括炮彈炸點圖像檢測框(不計算炸點三維坐標)、炮彈炸點二維坐標、炮彈炸點距離與方向偏差和炮彈炸點三維坐標；

二是檢測圖像數(shù)量包括單幀圖像和多幀圖像，多幀圖像又分為基于多幀圖像關系檢測、時序匹配檢測和多幀圖像中選取單幀炸點圖像檢測。

三是檢測炸點數(shù)量包括單發(fā)炮彈炸點和群發(fā)炮彈炸點。

四是檢測平臺包括地面和空中2種。從2012—2020年，以時間發(fā)展為序，梳理代表性研究著作的有關情況于表1。

表1 可見光檢測技術代表性研究

可見光檢測技術符合人眼觀測習慣，檢測精度和實時性好，但可見光檢測受能見度影響較大，難以保證全天時運用。同時，野外大視場環(huán)境復雜，群發(fā)炮彈炸點時空分布密集，爆炸煙塵容易產(chǎn)生粘連和遮擋，造成目標混亂。

3.5 聲波檢測

炮彈爆炸時向周圍輻射爆炸沖擊波，隨著爆炸沖擊波傳播距離增加，能量不斷減小轉變?yōu)槁暡ǎ哉c為中心向四周傳播。因此，在炮彈落區(qū)位置布設聲音傳感器，感知炮彈爆炸聲波信號，再通過算法求解出炮彈炸點坐標。

聲波檢測精度主要與聲測陣列布設、時延估計算法和群發(fā)炸點影響相關。聲測陣列主要有直線陣、圓陣、雙直角三角形陣、四方陣、正四面體陣、立體五元陣法等，其中五元陣列更合適作被動聲定位系統(tǒng)基本陣列；時延估計算法包括DOA、TOA和TDOA算法，其中TDOA法具有隱蔽性好，作用距離遠等優(yōu)勢，在檢測中廣泛應用?，F(xiàn)有研究中多采用音箱、鞭炮、禮花、炸藥爆炸點和實彈進行單發(fā)或多發(fā)炮彈炸點定位實驗，多發(fā)炮彈炸點定位中，聲源信號互相粘連干擾，定位難度大。

聲波檢測技術，檢測陣列布設靈活，檢測范圍廣，距離遠，不受能見度和觀測視野遮蔽影響，可全天時全天候使用。但爆炸聲波受炮彈落區(qū)地形影響大，對于群發(fā)炮彈炸點時空分布密集的情況，聲波信號容易粘連混淆，定位誤差大。目前，對粘連聲波信號的精確分割是研究的關鍵問題。

3.6 地震波檢測

地震波檢測是基于炮彈近地爆炸時導致地面震動引起單元體震動，通過震動傳感器采集、存儲地震波信號特征，再計算炮彈炸點坐標。

通過地震動傳感器，馬朝軍、劉新愛和劉曉青對炮彈落點定位展開了相關研究。他們在南京理工大學射擊靶場30 m×30 m的范圍內使用15 kg重錘，底面直徑15 cm的重錘敲擊地面，模擬單發(fā)炮彈爆炸對地面的沖擊，進行模擬定位試驗。

地震波檢測技術應用局限性大，實彈射擊中，炮彈落區(qū)通常為巖土地質，巖土是一種不均勻的介質，隨爆炸深淺、土質不同，地震波復雜多變，會產(chǎn)生縱波、橫波等，土質混雜情況下，將難以確定使用哪種波進行檢測，如表2所示。

表2 不同介質內波型及特征

3.7 代表性技術總結

人工檢測是通過觀測爆炸火光與煙塵混合體，計算炸點坐標，其實質是對炮彈爆炸可見光信號特征的感知。即6種代表性檢測技術基本結構可歸納為輸入、傳感器和輸出3部分。炮彈炸點坐標檢測基本結構如圖5所示，輸入為炮彈爆炸時的不同信號特征，運用相應傳感器采集，輸出炮彈炸點特征信息，經(jīng)分析處理后，計算炮彈炸點坐標。

圖5 炮彈炸點坐標檢測基本結構示意圖

不同檢測技術的優(yōu)點和缺點如表3所示。檢測實時性上，可見光檢測實時性強，人工檢測實時性較差；檢測炮彈炸點數(shù)量上，不同檢測技術均能檢出單發(fā)炮彈炸點，但在群發(fā)炮彈炸點時空分布密集情況下，聲波檢測與地震波檢測適用性急劇降低；在檢測全天時應用上，較其他技術，可見光檢測受能見度影響較大。

表3 代表性檢測技術特點

4 檢測技術研究展望

通過代表性技術總結分析，基于可見光的炮彈炸點坐標檢測相對于其他檢測技術，在檢測精度和實時性上更具優(yōu)勢，能夠更好地應對日趨復雜的應用環(huán)境。因此，對可見光檢測技術的深入挖掘，仍是研究的主要趨勢，主要可從以下幾個方面對該技術做進一步的研究和提升。

1) 信息感知精確與融合。傳感器從炮彈爆炸現(xiàn)象中感知信號特征是檢測第一步，傳感器靈敏度和精度一定程度上決定檢測精確性。因此，研究與應用性能更好的傳感器是發(fā)展的必然。同時，單一檢測技術均具有局限性，集多傳感器于一體的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)將逐漸成為發(fā)展趨勢。通過多傳感器檢測炮彈炸點，可克服單一檢測技術固有缺陷，提高檢測精確性和復雜環(huán)境適應性。

2) 檢測平臺的空間提升。大部分可見光檢測觀測平臺設置于地面，存在通視性不足，觀測視野小和觀測站位置選擇困難的問題。隨著旋翼無人機技術逐漸成熟，性能日臻完美，其可靠穩(wěn)定、操縱簡單和勤務性高的突出優(yōu)勢，使得運用旋翼無人掛載攝像機檢測炮彈炸點坐標成為一種可能。通過旋翼無人機掛載攝像機檢測炮彈炸點坐標，自上而下觀測成像，在旋翼無人機垂直投影條件下，可提高觀測通視性和視野范圍，有效減小群發(fā)炮彈炸點時空分布密集時爆炸煙塵遮擋帶來的影響。

3) 機器視覺算法的應用

隨著人工智能技術發(fā)展，機器視覺算法取得了許多成功應用，如人臉閘機、無人停車場等。在炮彈炸點坐標檢測中，炮彈炸點坐標的計算需要進行炸點像素坐標、攝像機坐標和世界坐標的轉換，炮彈炸點圖像檢出是計算炸點像素坐標的第一步。目前，機器視覺算法與炮彈炸點坐標檢測相結合的應用取得了一定成果，但仍有很大發(fā)展空間。機器視覺算法中具有代表性的R-CNN和SPP-Net等基于分類的算法及YOLO系列和SSD等基于回歸的算法在炮彈炸點坐標檢測中的應用仍屬空白。

5 結論

本文詳細分析和歸納了炮彈炸點坐標檢測的原理、研究進展和技術特點，并對6種代表性技術進行分析對比和展望?？梢姽鈾z測技術作為一種研究熱點，在群發(fā)炮彈炸點時空分布密集問題、炸點快速檢測處理問題上具有更強的實用性，能有效提高檢測精度和實時性；對目標毀傷評估，校正射擊偏差，提高實彈射擊訓練效率具有重要意義，是未來炮彈炸點坐標檢測發(fā)展的重要方向。