小視場條件下武器分離影像測量技術*

張建花

(中國飛行試驗研究院測試所, 西安 710089)

小視場條件下武器分離影像測量技術*

張建花

(中國飛行試驗研究院測試所, 西安 710089)

針對某型飛機上高速攝像機安裝位置受限,安裝在不同位置的攝像機畫面不能重疊,無法采用常規影像測量交會方法計算武器分離過程的軌跡、姿態運動參數的問題,提出多視角非交疊影像測量方法。通過增加剛體目標上標志點之間相對空間關系不變約束條件,使得秩虧影像測量方程組達到滿秩條件,實現了武器運動參數的測量。實驗結果表明,軌跡測量精度可達到2 cm,姿態測量精度可達到0.6°,滿足飛行試驗測試要求。

飛行試驗;武器分離;非交疊視場影像測量;軌跡;姿態

0 引言

武器離梁段軌跡、姿態、速度、角速度等外部參數是評價武器性能的重要技術指標,是武器試驗中的重要測試內容。通常在飛機上加裝高速攝像機獲取武器高速運動的圖像,對圖像進行分析得出武器運動參數。

高速攝像機安裝位置理想時,可以拍攝到武器的整體外形,測量標志可在視場內分布開,采用單攝像機測量或者雙攝像機交會測量都能獲得較好的測量結果。但有時由于安裝位置受限,攝像機視角比較差,武器掛載在彈架上時,攝像機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動參數,由于基線太短,測量精度難以提高甚至出現無解的情況。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,實現了武器運動參數的精確測量。

1 測量原理

1.1 測量系統組成

武器分離影像測量系統主要由高速攝像機、觸發調節器、時碼分配器組成。高速攝像機采用千兆網進行數據傳輸,在分辨率為1 690像素×1 710像素,采樣率500 fps下可記錄7 s的數據;觸發調節器,以武器發射信號作為輸入,經過信號隔離、驅動增強后控制多臺高速攝像機的同步拍攝。時碼分配器接收飛機上的時碼發生器輸出的時間信息分配給系統內各攝像機,達到時間統一。

1.2 坐標系建立

根據測試任務書要求,主要關注機彈分離過程中導彈相對于飛機的軌跡和姿態。主要涉及到以下幾個坐標系:①飛機坐標系:采用三維直角坐標系,原點O在飛機最前端,Y軸與飛機軸線平行指向機尾,X軸指向飛機的左側,Z軸垂直YX平面指向上方,構成右手坐標系。②彈體坐標系:

以彈體的質心D為原點,

Xm軸為導彈對稱軸并指向彈頭,Zm軸垂直指向安裝面,Ym軸與ZmXm平面構成右手系。使用全站儀彈體上測量標志點的三維坐標,并將其轉換到彈體坐標下。③攝像機坐標系:以攝影中心S為原點,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,構成右手直角坐標系。

1.3 像機標校

對高速攝像機內外方位元素進行分步檢校。攝像機裝機前在實驗室標校內參數,得到攝像機的焦距f、像主點坐標(x0,y0)、鏡頭的畸變參數(K1,K2,K3,P1,P2,B1,B2)[1]。待攝像機裝機固定后,通過攝影測量的單像空間后方交會原理[2],計算拍攝時刻攝像機的外方位參數(XS,YS,ZS,a1,a2,…,c2,c3)。

1.4 多視角非交疊影像測量方法

由于導彈可以作為剛體[3]對待,雖然各個攝像機的視場互相之間獨立,但是剛體的彈體使得各個視場之間又存在著聯系,即各個區域測量標志之間的相對空間關系固定不變。因此,可以在各獨立視場內的測量標志之間建立關聯,從而實現無交疊關系的不同視場的攝像機聯合計算。假設攝像機拍攝到兩個非交疊視場非交疊區域A和B,如圖1所示。

根據攝影測量中像點、攝影中心點以及物方點共線原理[2],可列出A區的條件方程為:

(1)

同理,B區的條件方程為:

(2)

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

因為剛體的彈體上測量標志點之間相對關系不變,所以測量標志之間有如下的關系:

1.5 測量標志布設

在彈體的測量標志布設時,為了使每臺攝像機可以看到3個以上測量標志,用于非交疊影像的測量計算,特在彈上的9個截面均勻布設4個測量標志,如圖1所示。這樣在同一個像機的視場內至少能看到3個以上標志點,因此可以實現此算法。

1.6 姿態數據解算

測量標志點在彈體坐標系中的坐標值在武器試驗之前已測定,用(Xmi,Ymi,Zmi)表示;(Xi,Yi,Zi)為標志點在飛機坐標系下的坐標,兩個坐標系之間的轉換關系可表示為:

(3)

式中：ΔX、ΔY、ΔZ和φ、ω、κ就是要求的軌跡和姿態參數。

1.7 速度解算

由以上方法可以得到武器的軌跡、姿態運動參數,速度和角速度則是通過對軌跡和姿態數據進行微分得到的。由于武器的運動速度極快,高速攝像機的采樣時間很短,使得直接通過對時間微分的測量結果對測量誤差非常敏感,數據起伏很大。為此通過對測量數據進行Kalman濾波,以提高速度與角速度的精度。

2 試驗結果及分析

通過武器投放地面仿真試驗,將地面某坐標系假設為飛機坐標系,應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系的軌跡參數和姿態參數,某次試驗的數據曲線如圖2所示。

在地面上攝像機視場內布設固定不動的點作為參考點,用全站儀測量其坐標值,通過上述方法計算得到固定點的坐標值,比對測量值和計算值,最大誤差是2 cm。根據誤差傳播理論,可估算出姿態誤差為0.6°,滿足飛行試驗測試要求,可在飛行試驗中應用。

3 結束語

文中通過增加剛體目標空間約束條件,實現了對不重疊影像的計算,解決了狹小空間內武器分離過程精確測量的難題。后續,對某型武器進行了多個架次投放試驗,完成了武器分離過程中圖像獲取、軌跡、速度、姿態等參數的解算。相關參數是彈廠改進武器設計的主要依據,促進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:飛行試驗光電測試、影像測量、數字圖像處理技術。