顧 捷，仇 杰，曹奕濤，邱亞峰

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.上海機電工程研究所，上海 201100)

引言

國家領(lǐng)土主權(quán)長期以來都是各個國家關(guān)注的焦點，為了更好地保護領(lǐng)土主權(quán)，近年來各個國家都在為無人值守的重要島嶼及軍事基地努力研發(fā)一種可以自動進行跟蹤鎖定、敵我識別、打擊評估以及實施自動打擊的新型模塊化武器系統(tǒng)。

現(xiàn)有的自動打擊武器系統(tǒng)主要有兩種：一種是針對區(qū)域打擊的大規(guī)模殺傷型武器如火炮、導(dǎo)彈等，這類武器系統(tǒng)的特點在于殺傷面積大、針對的目標(biāo)區(qū)域大，從而容易提取到目標(biāo)區(qū)域的特征信息，便于進行打擊評估反饋；另一種是針對人體的輕武器如步槍、機槍等，這類武器系統(tǒng)的特點在于針對的目標(biāo)靈活且隱蔽性高，難以對目標(biāo)進行準(zhǔn)確的跟蹤鎖定及打擊評估反饋。由此可見，自動武器系統(tǒng)研究的重點在于對目標(biāo)進行打擊效能評估反饋。國外對此研究較早，技術(shù)相對成熟，在伊拉克戰(zhàn)爭中美軍使用的BDA目標(biāo)毀傷效果評估就是在每一輪打擊完成后，快速反應(yīng)，迅速做出下一輪打擊決策[15]；澳大利亞學(xué)者曾研究出一種基于無人機通過紅外圖像以及雷達探測生命體特征的打擊效果評估。國內(nèi)對自動打擊的打擊效能評估研究較少，其中張金洋[10]對面向損傷評估的數(shù)字化人體建模進行研究，是針對戰(zhàn)后人體損傷進行的評估，不具有實時性。

隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，紅外設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛?？梢酝ㄟ^獲取紅外圖像上人體的特征信息并對特征信息的變化進行數(shù)字化評價，從而得到打擊效能評估，這種方法所需要的偵查系統(tǒng)簡單，同時便于信息的實時傳輸與處理。

1 系統(tǒng)組成

新型自動武器系統(tǒng)是由全電驅(qū)動的槍塔和自動操控顯示單元兩部分組成，槍塔上集成紅外探測系統(tǒng)、驅(qū)動組件、武器系統(tǒng)[1-4]；自動操控顯示單元包括計算機、顯示器、評估軟件等[9]。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

利用三維軟件對自動槍塔模型進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和各部分零件三維建模、裝配，得到自動槍塔的三維模型圖，如圖1所示。槍塔是由機槍1、紅外觀瞄箱2、俯仰傳動機構(gòu)3、方位傳動機構(gòu)4、槍塔底座5等其他結(jié)構(gòu)組成。其中俯仰傳動機構(gòu)通過齒輪副傳動實現(xiàn)機槍-10°～+60°俯仰角的調(diào)節(jié)，通過在極限位置處加裝傳感器的方式實現(xiàn)自動限位；方位傳動機構(gòu)則是通過齒輪副傳動實現(xiàn)機槍n×360°方位角的調(diào)節(jié)[5-8]。

圖1 自動槍塔三維圖Fig.1 3-D diagram of automatic gun tower

1.2 視頻傳輸模塊

紅外觀瞄箱是實時傳輸紅外視頻圖像的系統(tǒng)，其框圖如圖2所示。其中視頻處理模塊由視頻解碼器電路、視頻編碼器電路、FPGA、非易失性存儲器等組成；顯示模塊是主機顯示器；電源管理模塊包括開關(guān)電源、各路電源使能控制等；無線通信模塊采用nRF24L01芯片能實現(xiàn)無線視頻傳輸。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram

2 打擊效能評估研究

2.1 打擊效能評估概述

隨著信息化武器的發(fā)展，指揮自動化過程愈發(fā)受關(guān)注。打擊效能評估是該過程的重要一環(huán)，系統(tǒng)框圖如圖3所示?；诩t外圖像的打擊效能評估是通過分析紅外觀瞄箱中實時傳輸?shù)募t外視頻圖像，推理出被打擊目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗能力的程度。

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，各種信息源具有極大的不確定性，加上被打擊目標(biāo)的隱蔽性與欺騙性，打擊效能評估的難度很大。在實際作戰(zhàn)過程中，只有及時、準(zhǔn)確地評估才能優(yōu)化自動槍塔的資源，取得最佳的作戰(zhàn)效果。

圖3 打擊效能評估系統(tǒng)框圖Fig.3 System block diagram of attack effectiveness evaluation

2.2 打擊效能評估準(zhǔn)則

根據(jù)紅外圖像來進行打擊效能評估，需要制定相應(yīng)的打擊效能評估準(zhǔn)則。從紅外圖像上獲取信息來推測被打擊目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗能力程度，紅外圖像需要具備較高的精度，而對圖像精度影響最大的因素就是距離。當(dāng)被測目標(biāo)與自動槍塔之間的距離較近時，被測目標(biāo)所占像素點多，反映出的信息量也就越大，越容易捕捉被測目標(biāo)的特征信息。但是當(dāng)被測目標(biāo)與自動槍塔之間的距離較遠時，被測目標(biāo)所占像素點少，所能獲取到的信息越少，特征也越難捕捉。

根據(jù)鏡頭投射原理公式可知：

(1)

式中：f為鏡頭焦距(選用25 mm～75 mm變倍鏡頭)；D為鏡頭與物體之間的距離(單位：m),h為像的高度尺寸(單位：μm)；H為人體實際高度(按人體身高1.8 m計算)。

如果需要看清整個人體，人體在畫面上的高度應(yīng)占畫面總體高度的2/3；如果需要進行識別則人體在畫面上的高度應(yīng)不小于畫面總體高度的1/10(這里探測器的紅外分辨率為640×512像素、像元尺寸為15 μm×15 μm。

根據(jù)公式(1)計算可得：在25 mm～75 mm變倍鏡頭下，需要看清整個人體的距離D滿足8.5 m≤D≤25.5 m；進行識別人體的距離D需要滿足58.6 m≤D≤175.8 m。

距離在很大程度上影響打擊效能評估的精度，因此針對不同的距離需要制定不同的打擊效能評估準(zhǔn)則。針對識別距離在25 m以下的，制定近距離打擊效能評估準(zhǔn)則；針對識別距離在25 m～170 m之間的，制定遠距離打擊效能評估準(zhǔn)則。

1) 近距離打擊效能評估準(zhǔn)則

在近距離打擊效能評估準(zhǔn)則中，將人體劃分成若干個部分，當(dāng)子彈擊中每個不同部位時，對人體毀傷程度是不同的。將人體毀傷分為6個等級(1級傷害最低、6級傷害最高)，如圖4所示為人體不同部位毀傷程度，等級劃分如表1所示。

圖4 人體各部位受傷等級圖Fig.4 Injury degree map of various parts in human body

表1 不同部位毀傷程度等級劃分表Table 1 Classification of damage degree in different parts

以上表示單個部位受到子彈打擊后的毀傷程度。如果被打擊目標(biāo)多個部位受到毀傷時，其毀傷等級將會提高。因此對每一個部位的損傷情況進行判定評估得到單個部位的損傷等級SDI。采用平方根得到綜合損傷評估結(jié)果，即綜合損傷指數(shù)CDI[10]。

單個部位受傷后的損傷等級SDI公式[10]如下：

SDI(i)=Dmin(i)+F(i)·(Dmax(i)-Dmin(i))

(2)

(3)

式中：Dmin為最小毀傷等級;Dmax為最大毀傷等級;F(i)為面積系數(shù);S(i)為第i個部位的損傷面積比例;α為第i部位的臨界面積系數(shù)(其取值為0～1)；St(i)為第i個部位的總面積比例。

綜合損傷指數(shù)CDI公式[10]如下：

(4)

根據(jù)綜合損傷指數(shù)CDI的值分成以下幾個層次，作為近距離打擊效能評估值，如表2所示。如果打擊效能評估值大于3，說明目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗，無需進行再次打擊；如果打擊效能評估值小于或等于3，說明目標(biāo)仍存在戰(zhàn)斗力，仍能產(chǎn)生威脅，需要進行再次打擊，直到目標(biāo)死亡或者喪失戰(zhàn)斗力。

表2 綜合損傷等級劃分表Table 2 Comprehensive damage degree classification table

2) 遠距離打擊效能評估準(zhǔn)則

在遠距離打擊效能評估準(zhǔn)則中，由于被測目標(biāo)所占像素點少，所能捕獲的特征少，因此需要結(jié)合多種影響因素判斷被測目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗力的概率。影響因素主要有位移、姿態(tài)、距離、輻射譜差異、重復(fù)打擊、時間和彈藥消耗等。在這些影響因素中如時間、彈藥消耗可視為影響評估系數(shù)。

位移因素影響下打擊效能ε1公式如下：

(5)

式中：n1為未產(chǎn)生位移變化的目標(biāo)個數(shù)；N為一次鎖定跟蹤目標(biāo)的總數(shù)。

姿態(tài)因素影響下打擊效能ε2公式如下：

(6)

式中：n2為未產(chǎn)生姿態(tài)變化的目標(biāo)個數(shù)。

距離因素影響下打擊效能ε3公式如下：

(7)

式中：Lm為臨界距離；L為目標(biāo)距離。

輻射差異因素影響下打擊效能ε4受到火力打擊后，因熱力效應(yīng)的作用，目標(biāo)輻射譜一般要有較大的改變，輻射譜不同程度的變化可以反映不同程度的目標(biāo)毀傷[11-12]，公式如下：

(8)

式中：n4為未產(chǎn)生輻射差異的目標(biāo)個數(shù)。

重復(fù)打擊因素影響下打擊效能ε5，對于同一目標(biāo)人群，隨著打擊次數(shù)的增加，打擊效能也會增加，公式如下：

(9)

式中：α、β分別為重復(fù)打擊后的打擊效能提高系數(shù)(其取值為1.1～1.5)。

彈藥消耗影響系數(shù)μe，隨著彈藥量的消耗，自動槍塔會降低打擊的頻率，從而影響打擊效能評估的準(zhǔn)確性，公式如下：

(10)

(11)

式中：ηe為彈藥消耗率；Ae為彈藥消耗量；A為總的彈藥量。

時間對于打擊效能評估的準(zhǔn)確性的影響極大，評估的時間越長，其評估的可信度也就越高。但是由于打擊效能評估是實時的，評估時間不能過長，因此需要建立關(guān)于時間的影響系數(shù)μt，公式如下：

(12)

(13)

式中：T為有效時間；Tm為固定時間；λ為時間修正系數(shù)(其取值為20)。

由于實際情況比較復(fù)雜，因此需要綜合多種影響因素判斷被測目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗力的概率。綜合因素下的打擊效能ε公式如下：

(14)

遠距離下的打擊效能評估準(zhǔn)則是針對跟蹤鎖定的一組目標(biāo)喪失戰(zhàn)斗能力的概率統(tǒng)計，因此僅有當(dāng)該組目標(biāo)全部喪失戰(zhàn)斗能力時，自動槍塔才會停止再一輪打擊。

假設(shè)同時跟蹤N個人(1≤N≤5)，理論上目標(biāo)全部喪失戰(zhàn)斗力情況下的打擊效能評估值η區(qū)間為：42×N/(N+1)≤η≤42；

有(N-1)喪失戰(zhàn)斗力的打擊效能評估值η區(qū)間為：42×(N-1)/(N+1)≤η≤42×N/(N+1)；

有(N-2)喪失戰(zhàn)斗力的打擊效能評估值η區(qū)間為：42×(N-2)/(N+1)≤η≤42×(N-1)/(N+1)；

以此類推，有0個喪失戰(zhàn)斗力的打擊效能評估值η區(qū)間為：0≤η<42×1/(N+1)。

3 實驗結(jié)果及分析

為了對所提出的遠距離打擊效能評估準(zhǔn)則進行驗證，利用Matlab編制軟件，將評估準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化成程序，并且進行打擊效能評估實驗，軟件界面如圖5所示。實驗人員A、B、C模擬0人、1人、2人喪失戰(zhàn)斗力的情況，由測試人員進行紅外圖像以及紅外視頻的拍攝，將采集到的圖像及視頻導(dǎo)入到自制軟件中進行實驗。

圖5 軟件界面圖Fig.5 Software interface diagram

3.1 圖像處理

對采集到的圖像進行處理，進行中值濾波。中值濾波的作用在于盡量保留圖像細節(jié)特征的條件下對目標(biāo)圖像的噪聲進行抑制[13]，中值濾波器使用排序統(tǒng)計學(xué)中的某種參數(shù)估計器來完成濾波運算。所有的排序統(tǒng)計估計都是基于信號樣本按幅值排序后的估計樣本矢量，來構(gòu)造它們的運算的，即：

X=[x1,x2,…,xn]T→X(s)=[x(1),x(2),…,x(n)]T

(15)

式中：x(i)代表排序后第i個樣本值。濾波的運算針對[x(1),x(2),…,x(n)]T,一般只考慮幅值秩序信息，而不考慮位序信息，濾波后的圖像如圖6(b)所示。

然后進行二值化處理，使圖像中數(shù)據(jù)量大為減少，從而能凸顯出目標(biāo)的輪廓。二值化通常的方法是設(shè)定一個全局的閾值T，用T將圖像的數(shù)據(jù)分成兩部分：大于T的像素群和小于T的像素群。將大于T的像素群的像素值設(shè)定為白色(或者黑色)，小于T的像素群的像素值設(shè)定為黑色(或者白色)。二值化處理如下：

(16)

式中:T為閾值。二值化后的圖像如圖6(c)所示。

圖6 圖像處理過程Fig.6 Image processing

最后進行形態(tài)學(xué)處理，進行特征提取。形態(tài)學(xué)處理主要包括形態(tài)學(xué)開運算與閉運算，開運算的功能在于消除小物體，在纖細處分離物體；閉運算的功能在于排除小型空洞(黑斑)。

開運算是使用結(jié)構(gòu)元素B對集合A的開操作，用B對A腐蝕，然后用B對腐蝕結(jié)果進行膨脹，即：

A°B=(AΘB)⊕B

(17)

閉運算是使用結(jié)構(gòu)元素B對集合A的閉操作，用B對A膨脹，然后用B對腐蝕結(jié)果進行腐蝕，即：

A°B=(A⊕B)ΘB

(18)

形態(tài)學(xué)處理后的圖像如圖6(d)所示，將提取出的人形特征在質(zhì)心處標(biāo)定坐標(biāo)，其效果如圖6(e)所示，提取到的坐標(biāo)信息如表3所示。

表3 質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)值列表Table 3 List of centroids coordinates values

3.2 視頻測試實驗

由于上述打擊效能評估準(zhǔn)則是在靜背景下提出的，因此視頻測試實驗中，拍攝時固定紅外設(shè)備，讓實驗人員分別模擬0人喪失戰(zhàn)斗力、1人喪失戰(zhàn)斗力、2人喪失戰(zhàn)斗力的情況。由于該實驗設(shè)備并不是搭載在自動槍塔上，這里暫時不考慮時間影響因素以及彈藥消耗影響因素，那么所得到的打擊效能評估值ε′為

(19)

如圖7(a)～7(c)所示分別為2人、1人、0人喪失戰(zhàn)斗力的情況。從圖像中成功標(biāo)定出被測目標(biāo)，并提取到目標(biāo)的位置等特征，通過對比打擊前后圖像中的目標(biāo)特征[14]，分析計算出打擊效能評估值ε′。其打擊效能評估值為別為29.2、24.9、6.6。

圖7 軟件實驗結(jié)果Fig.7 Software experimental results

3.3 實驗結(jié)果分析

理論與實驗評估值如表4所示。從表4中可以看出2人喪失戰(zhàn)斗力的情況、0人喪失戰(zhàn)斗力的情況實驗評估值與理論評估值相匹配，而1人喪失戰(zhàn)斗力的情況的實驗評估值偏大。造成實驗評估值有偏差的原因可能在于：對評估前后目標(biāo)的中心點的特征提取有偏差，導(dǎo)致特征比較出現(xiàn)偏差，從而影響評估值，模擬實驗與實際情況存在其他因素的干擾導(dǎo)致評估值的偏差?？傮w上來說理論評估值與實驗評估值還是相匹配的，存在的偏差需要通過修正各參數(shù)系數(shù)來修正偏差值,修正后參數(shù)對比結(jié)果如表5所示。

表4 修正參數(shù)對比表Table 4 Comparison table of correction parameter

表5 理論與實驗評估值對比表Table 5 Comparison of theoretical and experimental values

4 結(jié)論

本文重點對基于紅外成像的打擊效能評估進行研究，提出了近距離與遠距離的評估準(zhǔn)則，并通過計算機編程對遠距離評估準(zhǔn)則進行了數(shù)字實驗驗證。通過自制的Matlab軟件進行仿真實驗，對遠距離的評估準(zhǔn)則進行3人目標(biāo)的實驗測試。從實驗結(jié)果可以看出，2人、1人、0人喪失戰(zhàn)斗力在修正前打擊效能評估值分別為29.2、24.9、6.6，修正后打擊效能評估值分別為24.8、20.3、4.6，符合提出的打擊效能評估準(zhǔn)則，驗證了提出的打擊效能評估準(zhǔn)則，具有一定的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。