顧 捷，仇 杰，曹奕濤，邱亞峰

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.上海機(jī)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(gè)國家關(guān)注的焦點(diǎn)，為了更好地保護(hù)領(lǐng)土主權(quán)，近年來各個(gè)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(jìn)行跟蹤鎖定、敵我識別、打擊評估以及實(shí)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(diǎn)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(jìn)行打擊評估反饋；另一種是針對人體的輕武器如步槍、機(jī)槍等，這類武器系統(tǒng)的特點(diǎn)在于針對的目標(biāo)靈活且隱蔽性高，難以對目標(biāo)進(jìn)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(diǎn)在于對目標(biāo)進(jìn)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(jī)通過紅外圖像以及雷達(dá)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(jìn)行研究，是針對戰(zhàn)后人體損傷進(jìn)行的評估，不具有實(shí)時(shí)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。可以通過獲取紅外圖像上人體的特征信息并對特征信息的變化進(jìn)行數(shù)字化評價(jià)，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(shí)便于信息的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)、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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)槍1、紅外觀瞄箱2、俯仰傳動機(jī)構(gòu)3、方位傳動機(jī)構(gòu)4、槍塔底座5等其他結(jié)構(gòu)組成。其中俯仰傳動機(jī)構(gòu)通過齒輪副傳動實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動限位；方位傳動機(jī)構(gòu)則是通過齒輪副傳動實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)時(shí)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(jī)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(shí)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。基于紅外圖像的打擊效能評估是通過分析紅外觀瞄箱中實(shí)時(shí)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(shí)際作戰(zhàn)過程中，只有及時(shí)、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(jìn)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(shí)，被測目標(biāo)所占像素點(diǎn)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(yuǎn)時(shí)，被測目標(biāo)所占像素點(diǎn)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(shí)際高度(按人體身高1.8 m計(jì)算)。

如果需要看清整個(gè)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(jìn)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(jì)算可得：在25 mm～75 mm變倍鏡頭下，需要看清整個(gè)人體的距離D滿足8.5 m≤D≤25.5 m；進(jìn)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(yuǎn)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(gè)部分，當(dāng)子彈擊中每個(gè)不同部位時(shí)，對人體毀傷程度是不同的。將人體毀傷分為6個(gè)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(gè)部位受到子彈打擊后的毀傷程度。如果被打擊目標(biāo)多個(gè)部位受到毀傷時(shí)，其毀傷等級將會提高。因此對每一個(gè)部位的損傷情況進(jìn)行判定評估得到單個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)距離打擊效能評估準(zhǔn)則

在遠(yuǎn)距離打擊效能評估準(zhǔn)則中，由于被測目標(biāo)所占像素點(diǎn)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(shí)間和彈藥消耗等。在這些影響因素中如時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)間對于打擊效能評估的準(zhǔn)確性的影響極大，評估的時(shí)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(shí)時(shí)的，評估時(shí)間不能過長，因此需要建立關(guān)于時(shí)間的影響系數(shù)μt，公式如下：

(12)

(13)

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

由于實(shí)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(yuǎn)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(jì)，因此僅有當(dāng)該組目標(biāo)全部喪失戰(zhàn)斗能力時(shí)，自動槍塔才會停止再一輪打擊。

假設(shè)同時(shí)跟蹤N個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了對所提出的遠(yuǎn)距離打擊效能評估準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證，利用Matlab編制軟件，將評估準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化成程序，并且進(jìn)行打擊效能評估實(shí)驗(yàn)，軟件界面如圖5所示。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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(jìn)行處理，進(jìn)行中值濾波。中值濾波的作用在于盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制[13]，中值濾波器使用排序統(tǒng)計(jì)學(xué)中的某種參數(shù)估計(jì)器來完成濾波運(yùn)算。所有的排序統(tǒng)計(jì)估計(jì)都是基于信號樣本按幅值排序后的估計(jì)樣本矢量，來構(gòu)造它們的運(yùn)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(gè)樣本值。濾波的運(yùn)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(jìn)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(gè)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(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，進(jìn)行特征提取。形態(tài)學(xué)處理主要包括形態(tài)學(xué)開運(yùn)算與閉運(yùn)算，開運(yùn)算的功能在于消除小物體，在纖細(xì)處分離物體；閉運(yùn)算的功能在于排除小型空洞(黑斑)。

開運(yùn)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(jìn)行膨脹，即：

A°B=(AΘB)⊕B

(17)

閉運(yùn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)中，拍攝時(shí)固定紅外設(shè)備，讓實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備并不是搭載在自動槍塔上，這里暫時(shí)不考慮時(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Software experimental results

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

理論與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)評估值偏大。造成實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)評估值對比表Table 5 Comparison of theoretical and experimental values

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)對基于紅外成像的打擊效能評估進(jìn)行研究，提出了近距離與遠(yuǎn)距離的評估準(zhǔn)則，并通過計(jì)算機(jī)編程對遠(yuǎn)距離評估準(zhǔn)則進(jìn)行了數(shù)字實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過自制的Matlab軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對遠(yuǎn)距離的評估準(zhǔn)則進(jìn)行3人目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測試。從實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jià)值。