基于艦炮光電測偏設(shè)備的數(shù)據(jù)處理與校準方法研究*

黃金濤 楊紹清 劉松濤

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018) (3.海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系 大連 116018)

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基于艦炮光電測偏設(shè)備的數(shù)據(jù)處理與校準方法研究*

黃金濤1楊紹清2劉松濤3

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018) (3.海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系 大連 116018)

彈著方位偏差的測量與校正是提高艦炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的重要手段,其測量精度取決于光電偏差測量設(shè)備的內(nèi)參數(shù),因此如何準確地獲取光電測量設(shè)備的內(nèi)參數(shù)對于提高艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能至關(guān)重要。論文利用高精度經(jīng)緯儀對校準靶標進行數(shù)據(jù)測量,對獲得的高精度測偏校準數(shù)據(jù)進行一系列的誤差分析和處理,最后利用處理后得到的標準校準數(shù)據(jù)對實際光電設(shè)備的相關(guān)內(nèi)參數(shù)進行了實際校準。仿真驗證結(jié)果表明論文給出的方法簡單、精度高,是一種非常實用的方法,對光電設(shè)備角度偏差測量具有很好的參考價值。

方位偏差; 光電測偏; 校準靶標

Class Number TJ391

1 引言

現(xiàn)代化高技術(shù)條件下的海戰(zhàn),要求艦炮武器系統(tǒng)必須保證較高的射擊精度。而武器本身要精確地命中目標,依賴于整個系統(tǒng)中各部分的技術(shù)性能,而系統(tǒng)的角度零位一致性檢查是系統(tǒng)試驗、使用過程中一項重要的基礎(chǔ)性工作,是艦炮武器系統(tǒng)精確探測、跟蹤目標,進行精確火控解算,準確打擊目標的前提和基礎(chǔ)。本文以艦炮射擊為基礎(chǔ),研究如何有效地獲取光電測偏設(shè)備的內(nèi)參數(shù),提高瞄準射擊精度,優(yōu)化艦炮系統(tǒng),提高武器系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能。

2 光電測量在特性參數(shù)測量方面的作用分析

光電測量系統(tǒng)用于對飛行目標的紅外輻射特性、火焰光譜和發(fā)光亮度等光學(xué)物理特性殘素測量。其主要提供目標圖像和位置信息。前者是實時記錄的整個或部分目標的外形、形態(tài)及亮度的空間分布等;后者主要用于自動跟蹤捕獲和實時測偏,而脫靶量測量是圖像測偏技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 面陣CCD攝像機圖像傳感脫靶測量的工作機理

所用的攝像器件不同,圖像測偏的原理也略有差異。一般面陣CCD常采用凝視測量方式,即物—像空間直接對應(yīng)方式。本文所選用的艦艇光電跟蹤儀采用的是較為先進的CCD攝像機。如圖1所示,CCD攝像機光學(xué)系統(tǒng)將目標物體的像成像在CCD靶面上(CCD靶面安置在光學(xué)望遠鏡的像面上),CCD將整個視場內(nèi)(含背景)灰度進行光-電子轉(zhuǎn)換,并進行電荷積累。當(dāng)一場或一幀積累期滿后,通過時鐘控制,將電荷圖像轉(zhuǎn)換成與時間有關(guān)的電信號。信號放大后,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像,對灰度進行量化處理以獲取所需要的脫靶量信息。

圖1 CCD物—像關(guān)系圖

圖2 計算目標脫靶量示意圖

圖2為計算目標脫靶量示意圖,目標脫靶量的計算就是分別計算出目標的行中心和場中心。

視場中的目標被波門套上后,存入目標的特征值,處理后統(tǒng)計出目標最前沿附近的數(shù)值和最后沿附近的數(shù)值,再進行求和運算,便可獲得目標中心x方向上的脫靶量為

(1)

式中:i為行數(shù),j為像素數(shù)。

按數(shù)學(xué)象限賦予脫靶量的符號,行方向左半行為負值,右半行為正值,下半場為負值。

同理可獲取目標中心y方向的脫靶量Y。

在求得CCD靶面上以像素為單位的脫靶量后,要根據(jù)CCD的成像原理,將其轉(zhuǎn)換為實際的脫靶量,才能進行后續(xù)工作。假設(shè)在空間幾千米甚至幾萬米的光軸外,如圖3(a)所示,有一目標點A1,它在CCD靶面上的成像為點B1,則A0A1即為實際脫靶量。由相似三角形的性質(zhì)可知:

(2)

式中:OA0為目標距透鏡的水平距離,可由測距裝置測得;OB0為透鏡距CCD靶面的距離;B0B1為CCD靶面上脫靶量的象素數(shù)與象元長度的乘積。故可得出實際脫靶量A0A1的值。

同理,由式(1)和式(2)得出的在靶面上的脫靶量X和Y,也可以得出實際脫靶量A0Ax和A0Ay的值。

(3)

式中:OA0為目標距透鏡的水平距離,可由測距裝置測得;l為透鏡距CCD靶面的距離;Δx為CCD靶面上水平方向脫靶量的象素數(shù)與象元長度的乘積,Δy為CCD靶面上垂直脫靶量的象素數(shù)與象元長度的乘積。故可得出實際的水平脫靶量A0Ax和垂直脫靶量A0Ay的值,如圖3(b)。

圖3 CCD成像原理圖

經(jīng)光電跟蹤儀對目標與彈著點進行激光測距,測得距離分別為OA和OP。A′點為OP直線上距O點的距離與A點相等的點,A′P即為距離上的偏差量,如圖3(c)。其值可由下式得出:

A′P=OP-OA

(4)

在基于光電的閉環(huán)校射系統(tǒng)中,火控計算機記錄水平偏差A(yù)Ax和距離偏差A(yù)′P的數(shù)值,并通過分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性,經(jīng)過估計和預(yù)測即將發(fā)射的彈丸的脫靶量,求得校正量。然后將校正后的射擊諸元,輸入到火控計算機中,從而達到校射的目的。

2.2 艦炮武器系統(tǒng)校射的方法

先在炮口安裝一個炮口適配器,保證適配桿的軸線與炮管軸線相一致。再將一望遠鏡套裝在適配管上。望遠攝像機通過適配座,套裝在適配桿上時,可自動保證攝像機光軸與適配桿軸線一致。進而保證攝像機光軸與炮管軸線一致。由于觀測的目標距離較遠,故監(jiān)視器與炮基的距離可忽略。在零飛的工作方式下,當(dāng)跟蹤器鎖定目標后,跟蹤器的光軸應(yīng)該與炮管軸線相平行,同時對準目標。但是由于傳遞系統(tǒng)存在誤差,所以炮管的軸線并不指向目標的中心,即目標在監(jiān)視器上的成像并不在圖像的中央,如圖4所示。

圖4 目標在監(jiān)視器上的成像

圖5 CCD的成像原理

要修正這個誤差,即是要分別修正高低角和方位角。修正角度的大小可由CCD的成像原理得出。如圖5所示,凸透鏡與CCD之間的距離已知,目標成像點與CCD中心點的距離可知,故偏移角度a可以求出,故可以根據(jù)得出的偏移角度a來修正誤差。

精確測量艦炮武器系統(tǒng)動態(tài)誤差一直是比較困難的問題,目前多采用火控計算機按設(shè)計好的參數(shù)模擬目標航路數(shù)據(jù),計算艦炮瞄準諸元,通過隨動系統(tǒng)驅(qū)動艦炮跟蹤瞄準,再將經(jīng)傳感器反饋回來的艦炮方向角和高低角與保存在EPROM中的標準結(jié)果相比較,求出動態(tài)誤差、均值和均方差。由于觀測跟蹤裝置沒參加檢測,未構(gòu)成閉環(huán),所以稱其為半系統(tǒng)動態(tài)模擬檢查。下面研究的檢測方法檢測的是整個系統(tǒng)的動態(tài)誤差,系統(tǒng)所有裝置均參加工作,要求觀測跟蹤裝置跟蹤瞄準指定運動目標,火控計算機工作于“零飛”工作方式,由專用的檢測系統(tǒng)檢測錄取艦炮瞄準諸元的動態(tài)誤差,計算動態(tài)誤差的均值和均方差。

3 光電實測數(shù)據(jù)處理與誤差校準

圖6 流程圖

實驗過程中對一面鋪設(shè)長方形墻磚的墻面,選取其中13×16塊墻磚的一部分墻面作為觀測標校靶,用光電經(jīng)緯儀對其進行測量。主要是使用經(jīng)緯儀對實際測量得到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理,繼而研究光電側(cè)偏校準方法。其主要工作流程圖如圖6所示。

3.1 校準數(shù)據(jù)的獲取與弧度轉(zhuǎn)換

使用經(jīng)緯儀測量記錄觀測標校靶各位點水平角和高低角數(shù)據(jù),其實際測量分為橫線測量和豎線測量兩種測量,每次測量有兩組,一組為順時針測量,另一組為逆時針測量。在橫向測量全測的情況下,豎線測量三組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理的時候,對不同方向測得的數(shù)據(jù)求取平均值,這樣獲得的測量值就有效地消除了儀器的回程誤差,使測量的結(jié)果更加準確。

為了簡化數(shù)據(jù)處理,根據(jù)已知角度和弧度的轉(zhuǎn)換公式:rad=θ/π,將測得的度、分、秒角度數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為弧度值,然后相加得到弧度值結(jié)果。繼而將數(shù)據(jù)變成矩陣。

3.2 數(shù)據(jù)方位基準與高低基準的處理

每一條橫線是在一次測量中完成的,每一條豎線也是在一次測量中完成的,但是不同的橫線或豎線是在不同次的測量中完成的。因為每次測量時經(jīng)緯儀擺放的位置存在著微小的誤差,所以不同次測量得到的數(shù)據(jù)基準不統(tǒng)一,接下來就要對數(shù)據(jù)進行處理,使數(shù)據(jù)的基準統(tǒng)一。

利用加權(quán)平均法計算誤差值:

(5)

(6)

豎線測量結(jié)果中的數(shù)據(jù)在同一次測量中完成,得到的數(shù)據(jù)基準統(tǒng)一。提取橫線測量結(jié)果中y=1、y=6、y=13的三組數(shù)據(jù)分別與豎線測量結(jié)果中相應(yīng)的數(shù)據(jù)做差,分別得到三組水平角、高低角的差值對三組數(shù)據(jù)求平均值,再分別求兩組數(shù)據(jù)的平均值,此時如果反復(fù)使用加權(quán)平均法進行計算來消除誤差,數(shù)據(jù)的精度會不斷提高,因為該測量數(shù)據(jù)的誤差較小,所以在不影響理論研究的情況下,只進行了一次平均值計算,然后將得到基準誤差的值。

表1 橫線測量

表2 豎線測量

水平角的基準差值Y′=0.671265mrad

高低角的平均差值X′=-0.041613mrad

然后將得到的水平角、高低角的平均差值補償?shù)街暗玫降臋M線測量結(jié)果表中得到最終數(shù)據(jù)表格。

X=Xn+X′Y=Yn+Y′

(7)

為了能夠更簡便、精準地實現(xiàn)校準的功能,對已誤差補償?shù)臄?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)中心化處理。在第13列、16行的表格中選取第7列、8行為中心點(零點),其他位點數(shù)據(jù)均與零點數(shù)據(jù)做差。

X″=Xn-X基準Y″=Yn-Y基準

(8)

表1、表2給出的是校準表中的一部分數(shù)據(jù),這張校準表上的每一組數(shù)據(jù),對應(yīng)如圖的每一個交點。以x=8,y=7為零點,圖上的每一個交點都有一個與之相對應(yīng)的水平角、高低角弧度值數(shù)組。將校準表中的全部數(shù)據(jù)輸入Matlab中,繪圖程序生成一幅描繪各坐標點的圖片;得到的圖片,就是將觀測標校靶中的各個焦點篩選出來所構(gòu)成的。

圖7 x-y校準靶

4 實際光電測偏設(shè)備的校準

4.1 校準方法步驟

在光學(xué)儀器中,以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點,以被測的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角,稱為視場角。利用視場角校準光電設(shè)備。

1) 圖像數(shù)據(jù)信息的獲得:使用sobel算法對圖像進行二值化處理,以獲取圖像內(nèi)方格信息。已知光電測偏設(shè)備的ccd的分辨率為1280、768,鏡頭焦距分為三種:長焦距、中焦距和短焦距。

2) 根據(jù)第2節(jié)計算校準靶的視場角:水平方向即兩條豎直邊緣水平角差值的絕對值,豎直方向即上下兩條水平邊緣的高低角差值的絕對值。得:

水平視場角A=88.229mrad

豎直視場角B=67.253mrad

3) 在第2節(jié)中的數(shù)據(jù)處理得到了16*13個墻面方塊的視場角的弧度值,所以每一方塊的水平角和高低角分別為

(9)

得到:α=6.786mrad,β=4.203mrad

4) 實際操作,現(xiàn)在使用一臺不知道內(nèi)參數(shù)的相機替代光電經(jīng)緯儀,在同一位置分別使用三種不同的焦距情對同一面墻拍照,得到三幅不同的圖像,分別對其進行分析。

已知每一個方塊的水平角與高低角的弧度值就可以計算出相機在三種不同焦距情況下拍照時的視場角。

4.2 短中長焦距情況下的校準

將不同焦距圖片讀入Matlab,通過程序得到其數(shù)據(jù)信息:長m有1024個像素點,寬n有768個像素點。

圖8 短、中、長焦距情況下的測量

利用Matlab對圖像進行處理后得到其對應(yīng)二值圖像。通過方塊的個數(shù)計算其視場角:其短中長焦距情況下水平方向分別有13、9、6個方塊,豎直方向分別有16、10、7個方塊,所以:

分別為短中長焦距下相機的視場角。其每一個像素點的弧度值分別為:水平角分別為0.1149mrad、0.0795mrad、0.0530mrad;高低角分別為0.0657mrad、0.0410mrad、0.0287mrad。

通過上述的實踐得出結(jié)論,這種校準方法能夠快速、方便地測出光電設(shè)備所生成圖像中各點的位置,可以實現(xiàn)光電測偏與校準。

5 結(jié)語

論文給合當(dāng)前光電測量以及圖像處理領(lǐng)域所取得的成果,對光電測偏校準方法進行了研究,結(jié)合本單位的光電測量儀器,實際測量并獲取了測量數(shù)據(jù),對光電測偏校準方法研究進行了初步探討,同時也對艦炮武器系統(tǒng)測偏校準提供借鑒和參考。

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Data Processing and the Calibration Method of Partial Equipment Based on the Naval Gun Photoelectric Measurement

HUANG Jintao1YANG Shaoqing2LIU Songtao3

(1. Department of Graduate Management, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Naval Gun, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (3. Department of Information Operations, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

Measurement and calibration impact bearing deviation is important means to improve the naval gun weapon system operational effectiveness, while its measuring accuracy depends on parameters of photoelectronic deflection measurement equipment. So how to accurately obtain the parameters of photoelectric measuring equipment in improving the operational effectiveness of naval gun weapon system is very critical.This paper uses high-precision theodolite to take actual measurements for calibration targets, analyzes and deals with the calibration data of a series of high precision measurement error obtained. Finally the standard calibration data obtained after the processing is used to carry out the calibration of the the relevant parameters within actual photoelectric equipment. Simulation results show that the proposed method is very practical means for the simple and high-precision features ,demonstrating its wally reference value in angular deviation measurement of photoelectric equipment.

azimuth deviation, photoelectric measuring partial, calibration target

2015年3月1日,

2015年4月17日

黃金濤,男,碩士研究生,研究方向:圖像處理。

TJ391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.041