張建花

(中國飛行試驗(yàn)研究院測試所, 西安 710089)

小視場條件下武器分離影像測量技術(shù)*

張建花

(中國飛行試驗(yàn)研究院測試所, 西安 710089)

針對某型飛機(jī)上高速攝像機(jī)安裝位置受限,安裝在不同位置的攝像機(jī)畫面不能重疊,無法采用常規(guī)影像測量交會方法計(jì)算武器分離過程的軌跡、姿態(tài)運(yùn)動參數(shù)的問題,提出多視角非交疊影像測量方法。通過增加剛體目標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)之間相對空間關(guān)系不變約束條件,使得秩虧影像測量方程組達(dá)到滿秩條件,實(shí)現(xiàn)了武器運(yùn)動參數(shù)的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,軌跡測量精度可達(dá)到2 cm,姿態(tài)測量精度可達(dá)到0.6°,滿足飛行試驗(yàn)測試要求。

飛行試驗(yàn);武器分離;非交疊視場影像測量;軌跡;姿態(tài)

0 引言

武器離梁段軌跡、姿態(tài)、速度、角速度等外部參數(shù)是評價武器性能的重要技術(shù)指標(biāo),是武器試驗(yàn)中的重要測試內(nèi)容。通常在飛機(jī)上加裝高速攝像機(jī)獲取武器高速運(yùn)動的圖像,對圖像進(jìn)行分析得出武器運(yùn)動參數(shù)。

高速攝像機(jī)安裝位置理想時,可以拍攝到武器的整體外形,測量標(biāo)志可在視場內(nèi)分布開,采用單攝像機(jī)測量或者雙攝像機(jī)交會測量都能獲得較好的測量結(jié)果。但有時由于安裝位置受限,攝像機(jī)視角比較差,武器掛載在彈架上時,攝像機(jī)畫面只能看到彈上的局部位置,利用局部范圍的影像估算武器的整體運(yùn)動參數(shù),由于基線太短,測量精度難以提高甚至出現(xiàn)無解的情況。文中針對小視場非交疊條件下的武器分離測試,提出多視角非交疊影像測量方法,實(shí)現(xiàn)了武器運(yùn)動參數(shù)的精確測量。

1 測量原理

1.1 測量系統(tǒng)組成

武器分離影像測量系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、觸發(fā)調(diào)節(jié)器、時碼分配器組成。高速攝像機(jī)采用千兆網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在分辨率為1 690像素×1 710像素,采樣率500 fps下可記錄7 s的數(shù)據(jù);觸發(fā)調(diào)節(jié)器,以武器發(fā)射信號作為輸入,經(jīng)過信號隔離、驅(qū)動增強(qiáng)后控制多臺高速攝像機(jī)的同步拍攝。時碼分配器接收飛機(jī)上的時碼發(fā)生器輸出的時間信息分配給系統(tǒng)內(nèi)各攝像機(jī),達(dá)到時間統(tǒng)一。

1.2 坐標(biāo)系建立

根據(jù)測試任務(wù)書要求,主要關(guān)注機(jī)彈分離過程中導(dǎo)彈相對于飛機(jī)的軌跡和姿態(tài)。主要涉及到以下幾個坐標(biāo)系:①飛機(jī)坐標(biāo)系:采用三維直角坐標(biāo)系,原點(diǎn)O在飛機(jī)最前端,Y軸與飛機(jī)軸線平行指向機(jī)尾,X軸指向飛機(jī)的左側(cè),Z軸垂直YX平面指向上方,構(gòu)成右手坐標(biāo)系。②彈體坐標(biāo)系:

以彈體的質(zhì)心D為原點(diǎn),

Xm軸為導(dǎo)彈對稱軸并指向彈頭,Zm軸垂直指向安裝面,Ym軸與ZmXm平面構(gòu)成右手系。使用全站儀彈體上測量標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo),并將其轉(zhuǎn)換到彈體坐標(biāo)下。③攝像機(jī)坐標(biāo)系:以攝影中心S為原點(diǎn),x、y軸與像平面上所選定的x、y軸平行,z軸與攝影方向SO重合,構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

1.3 像機(jī)標(biāo)校

對高速攝像機(jī)內(nèi)外方位元素進(jìn)行分步檢校。攝像機(jī)裝機(jī)前在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)校內(nèi)參數(shù),得到攝像機(jī)的焦距f、像主點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)、鏡頭的畸變參數(shù)(K1,K2,K3,P1,P2,B1,B2)[1]。待攝像機(jī)裝機(jī)固定后,通過攝影測量的單像空間后方交會原理[2],計(jì)算拍攝時刻攝像機(jī)的外方位參數(shù)(XS,YS,ZS,a1,a2,…,c2,c3)。

1.4 多視角非交疊影像測量方法

由于導(dǎo)彈可以作為剛體[3]對待,雖然各個攝像機(jī)的視場互相之間獨(dú)立,但是剛體的彈體使得各個視場之間又存在著聯(lián)系,即各個區(qū)域測量標(biāo)志之間的相對空間關(guān)系固定不變。因此,可以在各獨(dú)立視場內(nèi)的測量標(biāo)志之間建立關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)無交疊關(guān)系的不同視場的攝像機(jī)聯(lián)合計(jì)算。假設(shè)攝像機(jī)拍攝到兩個非交疊視場非交疊區(qū)域A和B,如圖1所示。

根據(jù)攝影測量中像點(diǎn)、攝影中心點(diǎn)以及物方點(diǎn)共線原理[2],可列出A區(qū)的條件方程為:

(1)

同理,B區(qū)的條件方程為:

(2)

(x01,y01,f1)和(x02,y02,f2)為兩臺攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù);(Δx1,Δy1)和(Δx2,Δy2)是兩臺攝像機(jī)鏡頭畸變改正;(XSA,YSA,ZSA,a1,a2,…,c2,c3)和(XSB,YSB,ZSB,A1,A2,…,C2,C3)為兩臺攝像機(jī)的外方位參數(shù)。通過1.3所述方法得到。另外,(x1,y1)和(x2,y2)分別為兩臺攝像機(jī)視場內(nèi)測量標(biāo)志的像點(diǎn)坐標(biāo),通過圖像判讀可得到。(X,Y,Z)則為要求解的測量標(biāo)志在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

因?yàn)閯傮w的彈體上測量標(biāo)志點(diǎn)之間相對關(guān)系不變,所以測量標(biāo)志之間有如下的關(guān)系:

1.5 測量標(biāo)志布設(shè)

在彈體的測量標(biāo)志布設(shè)時,為了使每臺攝像機(jī)可以看到3個以上測量標(biāo)志,用于非交疊影像的測量計(jì)算,特在彈上的9個截面均勻布設(shè)4個測量標(biāo)志,如圖1所示。這樣在同一個像機(jī)的視場內(nèi)至少能看到3個以上標(biāo)志點(diǎn),因此可以實(shí)現(xiàn)此算法。

1.6 姿態(tài)數(shù)據(jù)解算

測量標(biāo)志點(diǎn)在彈體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值在武器試驗(yàn)之前已測定,用(Xmi,Ymi,Zmi)表示;(Xi,Yi,Zi)為標(biāo)志點(diǎn)在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo),兩個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為:

(3)

式中：ΔX、ΔY、ΔZ和φ、ω、κ就是要求的軌跡和姿態(tài)參數(shù)。

1.7 速度解算

由以上方法可以得到武器的軌跡、姿態(tài)運(yùn)動參數(shù),速度和角速度則是通過對軌跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行微分得到的。由于武器的運(yùn)動速度極快,高速攝像機(jī)的采樣時間很短,使得直接通過對時間微分的測量結(jié)果對測量誤差非常敏感,數(shù)據(jù)起伏很大。為此通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行Kalman濾波,以提高速度與角速度的精度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過武器投放地面仿真試驗(yàn),將地面某坐標(biāo)系假設(shè)為飛機(jī)坐標(biāo)系,應(yīng)用文中提出的非交疊影像測量方法得到了武器相對于地面坐標(biāo)系的軌跡參數(shù)和姿態(tài)參數(shù),某次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

在地面上攝像機(jī)視場內(nèi)布設(shè)固定不動的點(diǎn)作為參考點(diǎn),用全站儀測量其坐標(biāo)值,通過上述方法計(jì)算得到固定點(diǎn)的坐標(biāo)值,比對測量值和計(jì)算值,最大誤差是2 cm。根據(jù)誤差傳播理論,可估算出姿態(tài)誤差為0.6°,滿足飛行試驗(yàn)測試要求,可在飛行試驗(yàn)中應(yīng)用。

3 結(jié)束語

文中通過增加剛體目標(biāo)空間約束條件,實(shí)現(xiàn)了對不重疊影像的計(jì)算,解決了狹小空間內(nèi)武器分離過程精確測量的難題。后續(xù),對某型武器進(jìn)行了多個架次投放試驗(yàn),完成了武器分離過程中圖像獲取、軌跡、速度、姿態(tài)等參數(shù)的解算。相關(guān)參數(shù)是彈廠改進(jìn)武器設(shè)計(jì)的主要依據(jù),促進(jìn)了新型武器的盡快研制,縮短了科研試飛時間。

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ImageMeasurementTechnologyofWeaponSeparateinSmallField

ZHANG Jianhua

(Test Institute, China Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

The high-speed cameras installated on a certain type of aircraft are limited, the field of cameras cannot overlap, so the routine intersection measurement method cannot be used. For this problem, the paper presents a multi-view un-overlap image measurement method. Through adding the constraint of relative spatial relations invariant between two marks on rigid object, the rank-defect image measurement equation set can reach full rank condition and then achieve the measurement of weapons separate moving parameters. The experimental results show that the accuracy of track measurement can achieve 2 cm and attitude measurement can achieve 0.6°, and which meet the fight test requirement.

fight test; weapon separate; un-overlap image measurement; track; attitude

PT391

A

2016-03-06

張建花(1983-),女,陜西商洛人,工程師,碩士,研究方向:飛行試驗(yàn)光電測試、影像測量、數(shù)字圖像處理技術(shù)。