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1、第2 2 巷第4 期 2 0 0 3 年1 2 月 飞行器测控学报 V o l2 2N o4 D e c2 0 0 3 高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量方法研究“ 苏增立王建军高昕苏建刚 6 3 9 2 1 部队- I E 京1 0 0 0 9 4 ) 弋j 等 3 摘要本文提出了高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量的方法，对设备布站方案、测量原理以及数据处理 方法进行讨论并络出了具体的参数计算公式。 关键词 高速摄像系统；火箭弹；离轨参数 R e s e a r c ho nt h eM e a s u r e m e n to fI n i t i a lT r a j e c t o r
2、 yP a r a m e t e r s b yU s i n gaH i g hS p e e dP h o t o - e l e c t r o n i cC a m e r a S UZ e n g l iW A N GJ i a n - j u nG A OX i n S UJ i a n g a n g ( P L AU n i t6 3 9 2 1 B e ；j ；n gl t i 0 0 9 4 ) A b s t r a c tI nt h i sp a p e r ，am e t h o d0 fm e a s u r i n gt h ei n i t i a lt r
3、 a j e e t o r yp a r a m e t e r so fr o c k e li sd e s c r i b e d ，a n dt h es y s t e m l a y o u t ，m e a s u r i n gp r i n c i p l e s ，d a t ap r o c e s s i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d ，s o m ep r a c t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l aa r ea l s op l s e n t e d K e yw o
4、r d sH i g h - s p e e dc a m e r a ；R o c K e t ；I n i t i a lT r a j e c t o r yp a r a m e t e r s 引言 火箭弹离轨速度、加速度及弹体下沉量等离轨参数是评价火箭弹的重要技术指标，是常规靶场试验中 的重要测试内容。传统的靶场测量方法是采用胶片式高速摄影机将火箭弹离轨时的图像记录在胶片 二， 通过事后对胶片的冲洗、判读完成离轨参数的测量”1 。此种测量手段存在着设备操作使用复杂、数据处 理过程繁琐、试验消耗大等不足。 高速光电成像传感器( C C D 或C M O S 器件) 具有使用方便、实时
5、性强、图像利于保存、数据易于处理、 使用费并= I 低等特点“o ，是胶片式高速摄影机的理想替代品。目前，常规靶场均已配备了采用光电成像传 感器的高速摄像系统，如何有效利用其优势，充分发挥其特点，需要针对高速摄像系统的特点和靶场应用 的实际情况进行具体的研究。本文仅就高速摄像系统在火箭弹离轨参数测量上的应用做一分析，并对设 备布站方案、测量原理、数据处理方法进行讨论。 2 火箭弹离轨参数测量方法 2 1 目标空间位置测量方法 火箭弹离轨参数的测量实际上可归结为目标空间位置和时间的测量。由于靶场高速摄像系统通常都 配置有时码终端，叫间的测量可以由每帧图像对应的绝对时来确定。因此，离轨参数的测量主
6、要是目标空 间位置的测量。 对于高速摄像( 或摄影) 系统而言，通常采用外定标法完成目标空间位置的测量。顾名思义，外定标 法就是在光学设备视场可覆盖范围的空间区域内设置若干( 通常为两个) 参考标志，参考标志上基准点间 的阃距已知或可测。视场内两点间的距离( 例如炮口到目标的距离) 可由参考标志点的间距求得。 这种测量方法通常用于非跟踪式的高速摄像( 或摄影) 设备。 2 2 高速摄像系统布站方式要求 为保证测量精度，通常对设备布站有一定的要求，主要归纳为以下三个方面： 收稿日期：2 0 0 3 0 5 2 0 作者简介：苏增立f 1 9 6 2 一) 男( 汉) ，河北，离级工程师，主要从事
7、光学设备甚俸设计曩研究。 万方数据万方数据 第4 期苏增立等：高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量方法研究 8l ( 1 ) 设备应布设在炮位侧方一定距离处。为数据处理方便，摄像系统光学视轴应与目标飞行方向所 在的铅垂而( 本文中定义为弹道射面) 垂直，这样可保证弹道射面与摄像系统光电探测器靶面平行。 ( 2 ) 在射面内或在射面与高速摄像系统之间布设两个参考标志( 通常为标杆) ，参考标志应设置在摄 像系统视场可覆盖的范围内，两个标杆基准点的连线应在同一水平面内，且与弹道射面平行，由此可形成 数据处理时坐标系的水平基准线。 ( 3 ) 应保汪炮口( 或整个炮身) 包含在摄像机的视场内。 2 3
8、 测量原理 假定摄像机所用探测器的单个像元尺寸为WX W ( 方型) ，则在同一列( 或行) 上相距F t 个像元的两个 点在探测器上的距离为n W 。若摄像机的设置使得弹道射面上目标的缩小率为1 7 1 , ，则在弹道射面上相距 为s 的两点在探测器靶面上的成像点位置相距为s = s m 。其中，s 可通过图像处理方法精确得到，m 可由 两个标杆基准点之间的空间距离和在探测器靶面上的成像距离f7 求得。因此，可采用图像处理的方法 计算出图像上的两个点在探测器靶面上的间隔，反推出两点在弹道射面上的实际间隔。 对于运动目标的情况，若能够计算出目标在不同图像帧( 对应不同时刻) 的位置，可很容易的
9、求出目 标的速度、加速度值。通过上述原理可以计算出在弹道平面内不同时刻的目标( 例如：弹尖或弹尾) 位置 坐标( 相对于炮口) ，从而可获得目标的速度、加速度；采用中轴线方法”o 可以提取出目标在高低方向的姿 态角；如果在目标表面涂上特殊结构的标志点，通过对不同时刻记录的图像进行处理，可以计算出目标的 转速。 高速摄像系统采用固定指向、等待工作方式。当布设在发射阵地后方的红外探测器探测到火箭弹发 射时的火焰后，即给出一触发信号，控制高速摄像机的拍摄过程。 3 数据处理方法 由高速摄像系统拍摄的图像实时存储在系统本身的内存( D R A M ) 中，事后可转存到光盘或活动硬盘。 光盘或活动硬盘中
10、的这些图像可方便地在计算机上进行处理和显示。图1 示出了一帧高速摄像系统实际 拍摄的火箭弹发射时的图像，火箭炮、弹体及参考标志( 标杆) 都在图像中，同时该帧图像对应的绝对时也 可同步记录下来。 田1高速摄像系统拍摄的火箭弹发射时的圈像 利用计算机图像处理方法计算出的图像上某点( 例如弹尖) 的“原始”坐标值，实际上是该点相对于图 像坐标原点( 通常为图像左下角) 在横向和纵向的像元个数。在计算该点在实际空间上的位置坐标时，必 须根据布站方式和实际参数进行换算。下面讨论给出了数据处理的方法和过程。 3 1 坐标系定义 在对数据处理方法进行讨论之前，首先需要对用到的坐标系进行定义。 ( 1 )
11、图像坐标系 万方数据万方数据 E 行器测控学报 第2 2 卷 坐标原点：图像左下角； z 轴：水平方向，向右为正； Y 轴：垂直方向，向上为正。 某点的坐标值代表该点相对于原点的“像元”个数。 ( 2 ) 探测器靶面坐标系 坐标原点：对应图像坐标系原点； z 轴：与图像坐标系一致； Y 轴：与图像坐标系一致。 靶面坐标系与像面重合，用于表示目标的成像尺寸。 ( 3 ) 炮1 3 坐标系 标原点：炮1 ：3 ； x 轴：射面内过原点与水平面平行的射线，指向射击方向为正； Y 轴：射面内过原点与水平面垂直的射线，向上为正； z 轴：与z 、Y 轴组成右手螺旋关系。 坐标值代表目标点相对于炮1 ：3
12、 的位置。 3 2 有关术语定义 1 ) 射面：过炮口的铅垂线和弹道射向构成的平面。 2 ) 射角( 币) ：炮身管与水平面之间的夹角。数据处理时，该值取实际射击时的装定值。 3 ) 姿态角：弹尖与弹尾连线( 弹轴线) 相对于水平面的夹角。 4 ) 下沉角：射角与姿态角之差。 5 ) 弹体下沉量：弹丸重心偏离理论飞行高度的程度。若能够给出弹丸重心相对于弹尖或弹尾的位 氍，弹体下沉量可由弹尖或弹尾坐标、姿态角及射角求出。 33 数据处理步骤及计算公式 ( I ) 目标在图像坐标系中的坐标值计算 图像判读时，原始图像数据实际上代表了像点在图像坐标系中的坐标，其坐标值为该点在图像中水平 和垂直方向上
13、距原点的“像元“数，可表示为( 凡，n ) 。 ( 2 ) 目标在靶面坐标系中的坐标值计算 目标在图像坐标系中的值只是代表目标点相对原点的“像元”个数，换算到靶面坐标系则需要乘以像 无尺寸。 x = W J n _ Y7 = w ，xn r( I ) 其中，w ，”，分别为探测器像元在* 和Y 方向的宽度； n n 分别为目标点在图像坐标系中z 轴和Y 轴的取值； ( 3 ) 目标在炮口坐标系中的坐标值计算 目标在炮1 ：3 坐标系中的位置需要分别计算出目标和炮口在靶面坐标系中的坐标值，然后根据成像光 学系统影像缩小率，通过坐标变换得到。 a 成像光学系统影像缩小率计算 如图2 所示，像面上相
14、距为z 的两点对应射面内空间两点的间距为，定义高速摄像系统的影像缩小 率为m ，m = 寺。 由三角形相似性可得到弹道平面内目标影像缩小率为： m2 丁L ”譬) 2 而磊寿丽。( + 警) 万方数据万方数据 第4 期苏增立等：高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量方法研究 8 3 其中2 为两标杆基准点之间的距离； z 为两标杆基准点在像面上的间距； d 为高速摄像系统到两标杆基准点连线所在垂面的距离； d 为两标杆基准点连线所在垂面与弹道射面间的距离； 缸# f T 、A y7 镕# 分别为两标杆基准点间距在靶面坐标系中z 轴和Y 轴方向的分量。 z 标杆2 z 标杆2 一x 标杆1 y 标扦
15、= A y 标竹一y 标扦】 h 靶面坐标系与炮 _ I 坐标系间夹角的计算 由于高速摄像系统在水平方向不可能调整到绝 对水平，因此，炮口坐标系与靶面坐标系间不可避免 的存在一角度。 标杆基准点连线与炮口坐标系x 轴平行，从而构 成了炮口坐标系坐标轴的基准。设“为标杆基准点 连线与靶面坐标系z 轴的夹角，亦即炮口坐标系与靶 面坐标系的夹角，其值可表示为： ， n = a r c t a n 芸掣塑( 4 ) c 目标在炮口坐标系中的坐标值计算 图2 光学系统成像示意图 根据( 1 ) 式，可以得到炮口和目标在靶面坐标系 中的坐标值。通过坐标变换后可以得到目标在炮F 1 坐标系中坐标表达式： x
16、 = ( 月一x 炮口) C 0 8 任+ ( Y 目- y 炮口) s i n “ m y2 ( y7 目一y 炮口) C 0 8 “+ ( x 目吖炮n ) s i na m 式中，r 目、Y 目为目标在靶面坐标系中的坐标值； z m 。、y m 为炮口在靶面坐标系中的坐标值； a 为标杆基准点连线与靶面坐标系x 轴的夹角。 m 为高速摄像系统对弹道射面内目标的缩小率。 d 姿态角计算公式 在图像坐标系下，可以通过中轴线图像处理方法得到目标轴线的直线方程 n ，= k n ：+ b 式中， 为目标轴线的斜率；b 为目标轴线在y 轴上的截距。 剧标轴线与靶面坐标系X 轴夹角为p = a r
17、c t a n 月，因此姿态角为： 臼= 口一d e 下沉角计算公式 日= 击一目 f 弹体下沉量 A y j I 伴= 。弹共一( 。弹尖一。弹尾) 7 t a n 臼一 y 弹尖一( y 弹央一Y 弹尾) - y 式中，7 是弹尖到弹体重心占弹长的比例。 g 目标速度 一= 何可= 业- 芒掣 ( 3 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 式中，Y 。，x 。Y 。分别为第i 帧和i 一1 帧图像上目标点( 火箭弹) 对应的坐标值t t “ t t ；分别为第i 帧和；一l 帧图像对应的时间。 h 目标加速度( 下转第9 3 页) 万方数据万方数据
18、 第4 期徐冰霖等：软件配置管理工具的数据库设计与实现 9 3 开发和使用，对干软件配置管理的理论和作用有了更进一步的认识，也更好地保证了软件产品的开发效率 和质量。 参考文献 1 G J B4 3 9 4 i 8 军用软件质量保证规范国防科学技术工业委耐会，1 9 8 8 4 ) 2 - 2 总装备部软件工狂技术规范中国人民解放军总装备部司令部，2 0 0 1 4 ) 2 3 s Q LS E I V E R2 0 0 0 设汁与T - S Q L 编程北京：清华大学出版社，2 0 0 2 4 1 ( 上接第8 3 负) = ( K V i 。) ( t 。一H ) ( 1 1 ) 34 判
19、读顺序 1 ) 输入布站参数、探测器像元尺寸、显示放大倍率、判滨帧数、拍摄帧频、间隔帧数等。 2 ) 判读两标志点位置，以确定炮口坐标系的坐标轴方向。 3 ) 判读炮口位置，以确定炮口坐标系原点位置。 4 ) 判读目标点( 弹尖、弹尾等) ，得到其在炮口坐标系中的坐标值。 5 ) 结果计算，输出打印。 4 结束语 根据以上讨论结果我们专门设计了火箭弹离轨参数测量数据处理软件，并且已在工程中得到了检 验。实际应用证明，高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量具有胶片式高速摄影机不可比拟的优势。主 要表现在： 1 ) 实时性强：拍摄完毕后，可立刻重放拍摄结果，可免去胶片式高速摄影机胶片的繁琐冲洗过程。
20、2 ) 数据处理过程简单：利用计算机可以很容易地对拍摄的图像进行分析和实施各种数据处理。 3 ) 拍摄结果易于保存和查询。 4 ) 记录介质( D R A M ) 可重复使用，降低了使用成本。 5 ) 容易实现多台摄像机之间的同步。 参考文献 1 谭显样光学高速摄影测试技术北京：科学出版社，1 9 9 0 ， 2T h m 出DI H i g h - s p e e de l e c t r o n i cm e m 0 1 Tv i d H l 眦o r d i n gt e c h n i q u e s1 6 4 S P I EV o l1 5 3 9 3 于起峰，孙样一等用光测图像确定空闸日标俯仰角和偏航角的中轴线法国防科技大学学报，2 0 0 0 万方数据万方数据