機載火炮對地攻擊訓練自動報靶方法

陳　朋，諸德放，王　楊

(空軍勤務學院 航空彈藥系，江蘇 徐州　221000)

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機載火炮對地攻擊訓練自動報靶方法

陳朋，諸德放，王楊

(空軍勤務學院 航空彈藥系，江蘇 徐州221000)

摘要：針對機載火炮對地攻擊訓練時彈著點探測難度大的問題，在介紹幾種自動報靶方法并分析其應用于機載火炮對地攻擊訓練的不足和局限性的基礎上，提出了基于高重頻脈沖激光測距原理的自動報靶方法，該方法探測范圍大、探測精度高、環境適應性強，可滿足機載火炮對地攻擊訓練不同條件下彈著點的探測。

關鍵詞：圖像處理；電荷耦合；聲電；光纖編碼；激光

在進行機載火炮對地攻擊訓練時，對彈著點檢測是評判打靶訓練成績、提高打靶訓練技能的重要指標和依據。打靶訓練中，由于機載火炮的發射平臺機動性高、彈著點分布范圍廣和隨機性大，對其彈著點進行探測相比于對固定平臺發射的炮彈探測難度大，目前部隊主要采用根據彈丸爆炸彈坑鑒定彈著點的事后人工報靶方法，這種方法的安全性、準確性和時效性都存在較大的問題。鑒于此，本研究通過介紹當前實際應用較多的幾種自動報靶系統，分析它們的不足和局限性，結合機載火炮對地攻擊訓練的實際情況，提出基于高重頻脈沖激光測距原理的自動報靶方法。

1幾種報靶方法

1.1基于圖像處理的報靶系統

基于圖像處理的自動報靶系統是發展和應用較早的一種探測報靶系統，因其具有結構簡捷、制作方便、成本較低、便于攜帶等優點，在國內外現代軍事訓練和射擊比賽中仍有較多的應用。其工作原理是：在射擊過程中，使用攝像頭對胸環靶畫面進行采集，根據采集到的靶圖像的特點和變化，利用計算機圖像處理技術識別出靶圖像中的真實彈點，通過判定彈著點在靶中的位置得出彈點的環數值[1]。此系統采用數據采集和視頻采集等方面的技術，同時運用計算機算法對采集的信息進行圖像預處理、彈孔提取和環值判定，最終判定得出環值結果。該報靶系統可以在整個實彈射擊過程中實時、不間斷地對靶畫面進行觀測，其核心是圖像處理系統，其處理算法的好壞直接決定最終靶數的準確性。系統總體設計如圖1所示。

圖1　基于圖像處理的報靶系統總體設計

該報靶系統可對小范圍平面上的彈著點進行拍照，對所得圖像進行處理，最終得出彈著點的環數，適用于射擊報靶。但其對空中大范圍內高速小目標探測的難度比較大，對遠距離的地面彈坑探測精度較低，而且受天氣等環境影響較大，適應性較差，不適應機載火炮對地攻擊訓練的報靶。

1.2電荷耦合坐標靶

電荷耦合坐標靶是用線性電荷耦合器件構成的光學攝像系統，在豎直平面內放置兩個線陣電荷耦合圖像傳感器A和B，兩圖像傳感器的光軸交于空間一點，構成一個豎直的光電測量靶面，根據圖像傳感器中各個像素搜索電荷的多少確定彈丸位置(以像素排列序號為參量)。它的基本原理如圖2所示。

兩臺電荷耦合相機A和B的光軸在空中交匯于點O，光軸所在的平面和地平面相互垂直，兩相機視場的重疊部分即可構成光靶(見圖2中方形部分)。通常采用正交法則使兩相機光軸夾角達到90°，在交匯區內構成方形靶。當空間目標穿過靶面時，電荷耦合相機獲得目標圖像。經過對目標圖像處理和計算可得到空間點目標的著靶坐標值[2]。

這種方法由于其結構簡單、體積小、操作方便、測量精度高等優點，已經成功應用于現代靶場中大目標飛行軌跡的跟蹤測量。但是電荷耦合坐標靶測量效果和測量精度受諸多因素影響，如光源限制、環境干擾、系統野外安裝、標定、調試復雜，對過靶小目標信號的捕獲幾率太低，因此對大靶面和高速飛行小目標測量效果不佳，不適應于機載火炮對地攻擊的自動報靶。如果隨著電荷耦合器件的發展，上述問題解決，可以將其應用于機載火炮對地攻擊的報靶中。

1.3聲電坐標靶

聲電定位坐標靶的主要優點在于測量精度高，運用聲電技術，其工作與光照無關，可以滿足全天候工作的條件，其測量基本原理為：在一個矩形框架上裝有若干個聲電傳感器。彈從矩形框架內穿過時(彈頭穿過點為波源)，沖擊框架內的空氣使之產生擾動，擾動形成空氣沖擊波向四周擴散，距離波源最近的傳感器最先探測到該波，此時啟動檢靶儀開始計時，其他傳感器依次接收到該沖擊波，這樣就可獲得若干個時間差，通過這些時間差和波速，進行處理和計算，就可以確定出波源位置。把這個框架作為射擊靶，就可以確定彈頭穿過靶面的位置，即彈著點[3-4]。其原理圖如圖3所示。

圖3　聲電坐標定位原理

利用聲電定位原理所做的報靶系統精度較高[5]，目前在國內外射擊訓練及比賽報靶中都得到一定應用。但其缺點也比較突出，探測高度低、范圍小，受爆炸物及濺起的砂石泥土影響較大，相鄰靶位射擊會存在較大的相互干擾。對于高頻率以及不同射擊方式(連射、齊射等)的打靶報靶，可能存在重彈、漏測等現象，環境條件(溫度、密度、風速等)、彈形、彈丸飛行姿態等也在一定程度上影響著測量精度。另外，即使是同一靶位，如果先后兩發彈丸相隔時間較短，或者如果環境噪聲的強度較大，也可能產生類似情況的干擾。因此，此方法不適合于機載火炮對地攻擊的報靶。

1.4光纖編碼定位靶

光纖編碼定位靶工作原理為：利用光纖編碼機構，將光學靶面分成無數足夠小的單元，彈丸穿過靶面時，即可判斷出彈丸在靶面上彈著點的坐標。該方案的技術關鍵需要解決好分辨精度和探測距離之間的矛盾，因此將兩組焦距不同的鏡頭平行安裝，各自形成一個靶面，如圖4和圖5所示。短焦鏡頭形成的靶面大，但是分辨精度低，主要用于試驗前彈著點的調整；長焦鏡頭形成的靶面小，但是分辨精度高，可用于彈頭散布的精度測試。但是其前提是首先要利用短焦鏡頭形成的大靶面，將彈頭散布范圍調整到長焦鏡頭形成的小靶面內。長短兩組鏡頭形成的有效靶面區域分別是圖4和圖5中的四邊形ABCD(圖5中由于A點太高未畫出)，做四邊形ABCD的內接圓分別交四條邊于G、H、P、Q點。

圖4　長焦鏡頭形成的小靶面

圖5　短焦鏡頭形成的大靶面

光纖編碼定位靶在長焦鏡頭下形成的靶面內接圓直徑為3.6 m，精度小于3.3 mm；在短焦鏡頭下形成的靶面內接圓直徑為6.7 m，精度小于9 mm[6-7]。靶面采用開放式的方式，對于射擊而言可滿足高精度和單射、連射等方式的有效探測，目前在國外射擊報靶中有一定的應用。但是缺點是靶面太小，6.7 m的范圍面積對于探測機載火炮對地攻擊彈著點遠遠不夠，而且鏡頭的制作工藝比較復雜，成本較高，對環境適應能力較差，而且試驗前需要將彈著點的散布范圍調整到長焦鏡頭的靶面內，但這一點對遠距離和大范圍精度試驗來說比較困難，而且要想擴大探測范圍，探測精度必然降低，這對于彈著點的高精度探測要求是不符合的。

以上幾種自動報靶系統所采用的方法是射擊中常用的或者即將采用的，但是由于機載火炮對地攻擊機動性大、范圍廣以及環境因素等各方面因素的影響，這幾種報靶系統應用于機載火炮對地攻擊的報靶中都存在著一定的缺陷或者局限性，急需有一種能夠解決上述問題的機載火炮對地攻擊自動報靶系統。

2激光探測定位靶

2.1激光報靶系統結構

由于激光具有方向性好、單色性好、相干性好和亮度高等特點，在探測方面具有探測距離遠、探測頻率高和抗太陽或背景等自然光干擾能力強的優點，根據文獻[8-9]，可以裝置兩個激光探測器，發射的激光可以形成兩個互相平行的光幕面，彈丸穿過光幕面時，光幕面通過激光測距原理可以測出穿過的彈丸位置以及速度等信息。鑒于此，提出基于高重頻脈沖激光測距原理的彈著點探測定位靶，幾個激光靶面按照一定幾何關系采取立靶的方式配置在地靶上方適當位置，在彈丸穿過激光靶面時進行探測定位，從而解析出彈丸末端彈道以及在地靶上的彈著點位置。

組成的自動報靶系統結構圖如圖6，激光探測自動報靶子系統是核心，控制與報靶子系統控制著激光探測自動報靶子系統的工作和數據傳輸。激光探測自動報靶子系統通過激光探測定位原理探測彈著點位置并對數據進行處理，通過無線通訊子系統把結果傳送給控制與報靶子系統?？刂婆c報靶子系統和激光探測自動報靶子系統之間的信息傳遞通過無線通訊子系統實現。

圖6　報靶系統結構

2.2報靶原理介紹

放置于靶場內地靶附近的激光探測自動報靶子系統，由4個激光探測器組成。每個探測器都是高重頻脈沖激光探測器，由激光發射裝置和激光接收裝置組成，激光發射裝置向空中發射一束(或一組)高重頻激光，該激光束(組)的照射范圍具有橫向寬、縱向窄的特點，可等效為一個以探測器為原點的“扇面”[10]。通過設置，使兩個探測器發出的探測激光束共面，其有效探測范圍疊加為一個激光靶面。探測器1和2以載機標準攻擊航向為對稱軸對稱布局，分別形成以探測器1和2為圓心的扇形激光探測面1和2，這兩個激光探測面重疊形成激光靶面12。探測器3和4也同樣擺放和設置，形成激光靶面34。兩個激光靶面相互平行，并設置成與標準攻擊方向垂直的開放式立靶，要求兩個激光靶面的有效探測部分沿可能的攻擊方向在地面的投影應覆蓋地靶。如圖7所示。

圖7　激光靶靶場的布局示意圖

激光測距定位原理：激光發射裝置發射出的高重頻激光從彈丸表面反射回來后被激光接收裝置接收，通過記錄收發的時間間隔即可計算出彈丸與探測器之間的距離，兩個探測器同時探測即可確定出彈丸在這兩個探測器形成的激光靶面上的位置。激光靶面12和34分別測出彈丸穿過激光靶面時的彈著點位置，通過建立空間直角坐標系，根據彈道特性，通過連接同一發彈丸穿過兩個激光靶面的彈著點，并延長交于地面，交點即可近似等效為實際的打靶彈著點。通過計算，得出彈丸末端彈道參數(包括在地面上的實際彈著點位置)，同時，運用均值法和線性回歸擬合等數據統計處理方法[11]，借助SPSS、MATLAB等軟件，對得出的數據進行誤差處理和和定位修正，滿足大范圍精確探測高速小目標的要求。

2.3激光靶面探測誤差分析

該激光探測靶采取立靶的方式，通過合理設置探測器距離靶場的位置以及適當調整靶面的角度，機載火炮在地面的爆炸產物飛濺不到靶面的有效探測區域，從而避免了前一發炮彈在地面的爆炸產物對后續炮彈的探測的影響，同時，增加探測器距離靶場的位置還可以提高探測器的安全性。

該激光探測靶采用多重頻脈沖激光測距技術，在報靶系統中添加單片機控制芯片在一個周期內實現對彈丸的多次測量，結合自動增益控制技術、接收放大技術等，可大大提高脈沖激光測距的精度。

對于多次測量，探測系統總的測量誤差Δ和測量次數N的關系為

(1)

其中Δ單為單次測量的誤差。根據文獻[12]，對于短距離(100 m內)的多次測量(1 000次)。每一次測量中，系統誤差Δ系統為5 mm，時間測量單元誤差Δ時間為9.8 mm，脈沖上升時間的誤差Δ脈沖為5 mm，噪聲誤差Δ噪聲為13.2 mm，則單次測量誤差為

(2)

探測系統總的測量誤差為

(3)

這樣的探測系統總的測量誤差完全可以滿足機載火炮對地攻擊訓練的報靶精度要求。

該激光探測靶探測范圍大、探測精度高、環境適應性強，能滿足對于不同彈丸、不同彈速和不同發射方式(單射、連射、齊射)的彈著點精確和及時有效地探測，可有效避免昆蟲以及彈丸爆炸產物等干擾，并且可移動和安裝方便，適應于機載火炮對地攻擊訓練的彈著點探測定位。

3結束語

在機載火炮對地攻擊訓練時，能及時有效探測出彈著點位置對于評判飛行員打靶成績、提高訓練技能有重要作用。然而，目前還沒有一種有效的自動報靶系統，已被應用的射擊報靶系統應用于機載火炮對地攻擊的報靶又有很多局限性。基于高重頻脈沖激光測距原理的自動報靶系統可適應檢測彈著點的復雜條件，解決其他報靶系統應用于機載火炮對地攻擊訓練報靶遇到的難題和局限，是一種比較有效的報靶系統。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：陳朋，諸德放，王楊.機載火炮對地攻擊訓練自動報靶方法[J].兵器裝備工程學報，2016(4):81-84.

Citation format:CHEN Peng，ZHU De-fang，WANG Yang.Automatic Target-Scoring Methods in Airborne Artillery Air-to-Ground Attack Training[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):81-84.

Automatic Target-Scoring Methods in Airborne Artillery Air-to-Ground Attack Training

CHEN Peng，ZHU De-fang，WANG Yang

(Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Abstract:As it’s difficult to detect impact points of airborne artillery air-to-ground attack, this paper introduced several automatic target-scoring methods, and analyzed the advantages and limits of airborne artillery air-to-ground attack, and put forward an automatic target-scoring method based on high repetition frequency pulse laser rang finding theory. This method has the characteristics of large range detection, high-accuracy and good environmental suitability, which could satisfy impact point detection in indifferent condition.

Key words:image processing; charge-coupled device; acoustic electricity; optical fiber coding; laser

文章編號：1006-0707(2016)04-0081-04

中圖分類號：TJ43

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.020

作者簡介：陳朋(1991—)， 男，碩士研究生，主要從事武器系統與運用工程研究。

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2015-11-20

【光學工程與電子技術】