王雷　計世勛

設(shè)計了一種基于多旋翼無人機的靶機陣地發(fā)射回收的航拍方法，對高速后上方拍攝、高速側(cè)方拍攝、常速后上方拍攝、常速側(cè)方拍攝四種拍攝模式進行了計算，對搭載的攝錄平臺進行了選型比對，對類似目標拍攝具有借鑒意義。

靶機是一種動態(tài)實物模擬器，替代真實的空中飛行器，用于防空武器系統(tǒng)的試驗鑒定、部隊演習等。靶機的使用貫穿于各型防空武器系統(tǒng)科研試驗和軍事訓練的始終，不僅為武器系統(tǒng)試驗提供一個攻擊目標，其性能更具有一個尺度作用，直接關(guān)系到對武器裝備的正確評價與應(yīng)用，對部隊防空武器的發(fā)展和防空能力的提高起著至關(guān)重要的作用。目前靶機發(fā)射回收觀測方法主要基于地面的長焦攝像機及操控人員目測，其觀測范圍較近且在靶機回收時不易捕捉到目標。利用多旋翼無人機搭載高速攝錄設(shè)備進行航拍將大為提高觀測視場范圍，利于觀察整個發(fā)射陣地態(tài)勢，同時便于更早發(fā)現(xiàn)回收返航的靶機。本文對基于多旋翼無人機的靶機陣地發(fā)射及回收的航拍方法展開研究。

基本模型建立

以現(xiàn)有某型靶機基本為例，該機長3m，翼展1.6m，發(fā)射初速度為87m/s。陸上發(fā)射時，發(fā)射場風力情況：年平均風速5m/s，4-5月平均最大為6m/s.1月和12月平均最小為4m/s，最大風力33m/s;發(fā)射場氣溫情況：最低溫度-25.40C，最高溫度34.30C;發(fā)射前15min鎖定目標，發(fā)射后2min懸停跟蹤攝像，目標從視場中消失后停止攝像。目標回收前10min升空至回收區(qū)域待命，發(fā)現(xiàn)回收目標后跟蹤攝錄，順利回收后停止攝錄。要求拍攝分辨率達到能夠識別目標的程度，拍攝時間希望盡可能長。在靶機發(fā)射段，其運動軌跡可認為是仰角15。的直線，設(shè)TO時刻助推器點火，（TO+2）時刻目標脫離助推器（加速度為59），之后目標繼續(xù)以4m/s加速度加速運動。靶機回收過程為飛臨預(yù)定回收地域上空后空中停車，然后開傘飄落到預(yù)定回收位置或者附近位置，飄出范圍通常為2-3km。整個回收過程中，目標的速度很低。

拍攝方案設(shè)計

由于回收過程的拍攝對載荷要求相對較低，只需要載荷具備搜索跟蹤功能并滿足分辨率要求即可，因此，下面重點針對發(fā)射過程制定拍攝方案。側(cè)方拍攝時，必須與發(fā)射彈道垂面保持300m以上的水平距離，后上方拍攝時，必須在發(fā)射點后方30m以外進行拍攝。初步設(shè)定拍攝目標為：至少拍攝到目標脫離助推器之后2s的運動軌跡（直線距離約182m，仰角15。），先分兩種情況進行方案論述，再綜合對比拍攝效果選取最終的拍攝方案。

后上方拍攝

后上方拍攝時，拍攝示意圖如圖1所示。

其中，AO=s為無人機離開發(fā)射點后方的水平距離（≥30m），h為無人機拍攝的相對高度，設(shè)定拍攝時攝像機的光軸對準發(fā)射點O、橫向視場（圖中未示出）為w，則FG=v為等效縱向視場，BC=（X+y）為實際拍攝到的縱向視場大小，OE段為實際能夠拍攝到的發(fā)射過程。實際載荷選型時，給定AO=s的距離、作業(yè)高度h以及期望的橫向視場大小，即可根據(jù)圖1的幾何關(guān)系計算出各項參數(shù)或指標。

側(cè)方拍攝

側(cè)方拍攝時，拍攝示意圖如圖2所示。其中，DP為拍攝的光軸，同時也近似為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x（≥300m），ABFC為拍攝時截止到發(fā)射垂面的視場大小，OE段為實際能夠拍攝到的發(fā)射過程。

實際載荷選型時，給定DP=d的距離、期望的橫向視場w大小，即可根據(jù)圖2的幾何關(guān)系計算出各項參數(shù)或指標。

載荷選型

考慮旋翼機的帶載能力現(xiàn)狀，按照高速攝錄裝置和常速攝錄裝置兩種配置分別進行選型。

高速攝錄裝置

（1）后上方拍攝

要實現(xiàn)對目標的精確識別，目標翼展方向至少要在傳感器上占到8個像元以上，因此，系統(tǒng)分辨率至少要優(yōu)于1 .61 4m/8≈0.2m。如果橫向視場達到100m，則傳感器橫向的分辨率至少為100/0.2=500，由此初步選定美國VisionResearch公司R系列Micr0 120型高速攝像機.性能指標如下所示。

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系，選定不同的AO=s距離、作業(yè)高度h和橫向視場，判別條件為：所計算的視場是否已經(jīng)覆蓋目標脫離助推器后2s的運動軌跡。在計算過程中，選定Micr0120型高速攝像機的分辨率為1024×1024，對應(yīng)的幀頻為1530fps，計算結(jié)果表明只有兩組數(shù)據(jù)滿足上述判別條件，因此拍攝方案為無人機離開發(fā)射點后方水平距離100m，懸停高度100m，攝像機焦距7.2mm，光軸與水平線夾角45°，視場角為70.5°，拍攝到的實際視場大小為200m×565.7m，橫向分辨率為0.2m，縱向分辨率為0.55m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約3000幀圖像。

（2）側(cè)方拍攝

側(cè)方拍攝仍選定美國VisionResearch公司R系列Micr0120型高速攝像機，根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，給定不同的DP=d距離，可得到表1的計算結(jié)果。

判別條件為：所計算的視場已經(jīng)覆蓋目標脫離助推器后2s的運動軌跡。在計算過程中，選定Micr0 120型高速攝像機的分辨率為1280×800，對應(yīng)的幀頻為1600fps，拍攝方案為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x300m，懸停高度75m，攝像機焦距16mm，橫向視場角為43.6°，拍攝到的視場大小為240m x150m，分辨率為0.19m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約3200幀圖像。

常速攝錄裝置

如果考慮實時回傳，則只能選擇常速攝錄裝置，此時載荷選型盡可能保證傳感器的分辨率較高、吊艙的穩(wěn)定精度較高，以達到較好的攝錄效果?？紤]到無人機的帶載能力，選擇某型光電吊艙，其性能指標如下：

（1）后上方拍攝

根據(jù)圖1幾何關(guān)系，選定不同的AO=s距離、作業(yè)高度h和橫向視場，可以得到表2的計算結(jié)果，其中的判別條件同上。在計算過程中，選定攝像機的分辨率為1920×1080，對應(yīng)的幀頻為25fps，計算結(jié)果顯示只有一組數(shù)據(jù)滿足上述判別條件，無人機離開發(fā)射點后方水平距離300m，懸停高度100m，攝像機焦距6.1mm，光軸與水平線夾角18.4。，視場角為25.1°，拍攝到的實際視場大小為250m×801.2m，橫向分辨率為0.13m，縱向分辨率為0.74m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約50幀圖像。

（2）側(cè)方拍攝

根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，給定不同的DP=d距離，可得到表2的計算結(jié)果。

判別條件同上。在計算過程中，選定攝像機的分辨率為1920×1080，對應(yīng)的幀頻為25fps.拍攝方案為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x300m，懸停高度75m，攝像機焦距5.4mm，橫向視場角為47.9。，拍攝到的視場大小為266.7m×150m，分辨率為0.14m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約50幀圖像。

結(jié)束語

綜合對比上述4種拍攝方案（即高速后上方拍攝、高速側(cè)方拍攝、常速后上方拍攝、常速側(cè)方拍攝），從拍攝效果來看，可以得出以下結(jié)論：如果可以進行機載錄制，不要求實時回傳，推薦高速拍攝，能夠拍到足夠多的幀數(shù)，視頻非常連貫。后上方拍攝能更清楚地觀察目標的翼展方向，而側(cè)方拍攝可以更清楚地觀察目標的機長方向。如果必須進行機載錄制，則只能選取常速拍攝，只能拍到很少的幀數(shù)，很可能還會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。拍攝方位的選取則與高速裝置情況下有相似的結(jié)論。

（參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部）