專利名稱：基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸運動參數(shù)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攝影測量、圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸運動參數(shù)的測量方法。
背景技術(shù)：
炮射武器(弾丸、導(dǎo)彈等)的靶場測試為武器性能的鑒定和改進提供重要的依據(jù)。弾丸出膛之后的姿態(tài)、速度、攻角等參數(shù)是影響其射程、射擊精度的主要因素，因此這些參數(shù)的精確測量是靶場測試的主要任務(wù)。與其他方法相比，光學(xué)測量的方法具有測量精度高、數(shù)據(jù)可視化效果好、抗干擾等優(yōu)點，因此在靶場彈丸等高速目標的測量和測試中具有不可替代的地位。目前采用光測法分析弾丸目標的運動主要有兩種途徑一是框幅式成像的方法，通過框幅式攝像機的高速成像得到弾丸運動的一系列序列圖像，通過計算弾丸在不同幀之間弾丸運動的距離來計算 弾丸的速度等運動參數(shù)；ニ是狹縫成像的方法，通過狹縫攝像機的掃描成像獲取彈丸運動的狹縫圖像，可以同時記錄彈丸成像過程中的時間和空間信息，以此計算其運動參數(shù)。前者起步較早，但框幅式成像方法的成像原理決定了該類攝影機難以實現(xiàn)對彈丸速度方向及攻角的測量，因而在彈丸參數(shù)測量方面應(yīng)用價值大大削弱。采用狹縫成像的方法在記錄彈丸的速度和姿態(tài)參數(shù)的同時，也可以很好的反映彈丸出膛后的攻角變化，因此在常規(guī)靶場中成為對彈丸等高速目標測量和測試的重要方式。目前通過狹縫成像的方法測量彈丸的運動參數(shù)存在一些難以克服的技術(shù)瓶頸，主要有ー是狹縫攝影要求弾丸的速度與狹縫攝像機的掃描速度達到彈道同步條件，由于事先無法獲取弾丸準確的速度，因此在實際成像中是難以達到的；ニ是為了獲得彈丸運動參數(shù)的三維信息，往往采用立體正交交會測量，目前的設(shè)備布置方法落后，操作不便，空間關(guān)系的精確性難以保證；三是僅采用彈丸圖像上有限個特征點來計算運動參數(shù)，特征點選取的不確定性會引起較大的測量誤差。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，人們嘗試將以線陣傳感器為成像器件的線陣像機代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用以膠片成像的狹縫攝像機。本發(fā)明將采用線陣像機獲取彈丸圖像并測量彈丸運動參數(shù)的技術(shù)稱之為數(shù)字狹縫攝像技木。目前該技術(shù)的研究除了存在傳統(tǒng)狹縫技術(shù)中的固有困難夕卜，還由于線陣像機掃描頻率的限制，出現(xiàn)了彈道同步條件遠遠無法達到的難題。為了解決這些困難，實現(xiàn)狹縫技術(shù)的數(shù)字化，本發(fā)明提出了基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸目標運動參數(shù)的測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是靶場弾丸目標速度、姿態(tài)和攻角等運動參數(shù)的高精度測量。本發(fā)明的目的是提供一種基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸運動參數(shù)測量方法，通過本發(fā)明設(shè)計的立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)和基于彈丸三維數(shù)字模型的運動參數(shù)測量方法，實現(xiàn)了靶場狹縫技術(shù)的數(shù)字化、自動化改進需求。
結(jié)合附圖
I對本發(fā)明的技術(shù)方案進行描述第一歩，布置立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)。在火炮ロ附近2-3米弾丸出膛后彈道的正下方放置由矩形平面鏡制作而成的雙像器，雙像器的鏡面與地面成45°放置，同時在距離雙像器5-10米的位置放置一臺線陣像機，使得線陣像機的主光軸大約成45°入射雙像器的平面鏡。調(diào)整線陣像機的焦距，使得放置的線陣像機(以下稱為前像機)和雙像器中線陣像機的像(以下稱為底像機)的視場中都能夠觀測到飛行過雙像器上方的弾丸。前像機和底像機組成了立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)中的立體線陣像機，立體線陣像機獲得的一幅圖像包括前像機的圖像和底像機的圖像，記錄了彈丸在兩個方向上的成像結(jié)果，本發(fā)明稱之為彈丸的立體線陣圖像。 立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)的布置如附圖2所示。第二步，確定立體線陣像機的成像模型。為了描述立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)的空間關(guān)系，定義3個坐標系靶場坐標系op-xpypzp :以靶場的基準點作為坐標系的原點op，彈丸彈道方向為坐標軸Xp的正方向，垂直于靶場地地面向上的方向為坐標軸Zp的正方向，0p-xpyp平面與坐標軸Zp構(gòu)成右手系。靶場坐標系是測量坐標系，前像機和底像機的外方位元素和弾丸的運動參數(shù)都在靶場坐標系中定義。前像機像空間坐標系0f-Xfyfzf:以前像機的攝影中心作為原點Of，順著彈丸飛行方向并垂直于前像機的線陣傳感器的方向為Xf軸正方向，沿著線陣傳感器向下的方向為yf軸正方向，沿著主光軸朝向目標的方向為Zf軸的正方向，0f-xfyf平面與坐標軸Zf構(gòu)成右手系，如附圖2所示。底像機像空間坐標系ob-xbybzb:根據(jù)鏡面對稱原理，底像機像空間坐標系是前像機像空間坐標系的鏡面對稱像。立體線陣像機的成像模型包括前像機的成像模型和底像機的成像模型。確定立體線陣像機的成像模型的具體步驟如下第I步，分別確定前像機和底像機的內(nèi)方位元素和外方位元素。進行前像機的標定，得到前像機的內(nèi)方位元素和外方位元素。前像機的內(nèi)方位元素包括前像機的焦距f，像主點偏移量％ ;外方位元素包括前像機的位置參數(shù)(用攝影中心的坐標0f (Xs，Ys, Zs)表示)和姿態(tài)參數(shù)(用前像機像空間坐標系與靶場坐標系的坐標軸之間旋轉(zhuǎn)過的角度め，《f，K f表示)。量取雙像器在靶場坐標系中確定的位置坐標，根據(jù)雙像器在靶場坐標系中擺放位置和姿態(tài)，確定雙像器的平面鏡所在平面在靶場坐標系中的方程表達式。底像機的內(nèi)方位元素與前像機相同，根據(jù)前像機和底像機的鏡面對稱關(guān)系，計算出底像機的外方位元素，包括位置參數(shù)(用底像機攝影中心的坐標ob(X' S’Y' s,2' s)表示)和姿態(tài)參數(shù)(用底像機像空間坐標系與靶場坐標系的坐標軸之間旋轉(zhuǎn)過的角度科，《b，K b表不)。第2歩，分別確定前像機和底像機的成像模型表達式。假設(shè)P (X，Y, Z)為靶場坐標系中落在of_yfZf平面上的任意一點，點P (X，Y, Z)與其對應(yīng)的前像機成像點P (X，y)之間的成像幾何關(guān)系，即前像機的成像模型表示為
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸運動參數(shù)測量方法，其特征在于包括下述步驟 第一步，布置立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng) 在火炮口附近2-3米彈丸出膛后彈道的正下方放置雙像器，雙像器的鏡面與地面成45ο放置，同時在距離雙像器5-10米的位置放置一臺線陣像機，使得放置的線陣像機和雙像器中線陣像機的像的視場中都能夠觀測到飛行過雙像器上方的彈丸；將線陣像機稱為前像機，將線陣像機的像稱為底像機，前像機和底像機組成了立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)中的立體線陣像機，立體線陣像機獲得的圖像稱為彈丸的立體線陣圖像； 第二步，確定立體線陣像機的成像模型 定義如下3個坐標系 靶場坐標系op-xpypzp :以靶場的基準點作為坐標系的原點op，彈丸彈道方向為坐標軸Xp的正方向，垂直于靶場地地面向上的方向為坐標軸Zp的正方向，op_xpyp平面與坐標軸Zp構(gòu)成右手系；前像機像空間坐標系of_xfyfzf :以前像機的攝影中心作為原點Of，順著彈丸飛行方向并垂直于前像機的線陣傳感器的方向為Xf軸正方向，沿著線陣傳感器向下的方向為yf軸正方向，沿著主光軸朝向目標的方向為Zf軸的正方向，of-xfyf平面與坐標軸Zf構(gòu)成右手系；底像機像空間坐標系ob-Xbybzb :根據(jù)鏡面對稱原理，底像機像空間坐標系是前像機像空間坐標系的鏡面對稱像； 確定立體線陣像機的成像模型的具體步驟如下 第I步，分別確定前像機和底像機的內(nèi)方位元素和外方位元素； 進行前像機的標定，得到前像機的內(nèi)方位元素和外方位元素；前像機的內(nèi)方位元素包括前像機的焦距f，像主點偏移量I0 ;外方位元素包括前像機的位置參數(shù)，用攝影中心的坐標0f (Xs，Ys, Zs)表示，姿態(tài)參數(shù)用前像機像空間坐標系與靶場坐標系的坐標軸之間旋轉(zhuǎn)過的角度巧，《f，Kf表示；量取雙像器在靶場坐標系中確定的位置坐標，根據(jù)雙像器在靶場坐標系中擺放位置和姿態(tài)，確定雙像器的平面鏡所在平面在靶場坐標系中的方程表達式；底像機的內(nèi)方位元素與前像機相同，根據(jù)前像機和底像機的鏡面對稱關(guān)系，計算出底像機的外方位元素，包括位置參數(shù)用底像機攝影中心的坐標ob(X' S，Y's)表示，姿態(tài)參數(shù)用底像機像空間坐標系與靶場坐標系的坐標軸之間旋轉(zhuǎn)過的角度W cob，K b表示； 第2步，分別確定前像機和底像機的成像模型表達式； 假設(shè)P (X，Y, Z)為靶場坐標系中落在of_yfZf平面上的任意一點，點P (X，Y, Z)與其對應(yīng)的前像機成像點P(x，y)之間的成像幾何關(guān)系，即前像機的成像模型表示為 X 二O = 4(1 —++ -Zs)' v_v =_f a2(^-^s) + b2(Y-Ys) + c2(Z-Zs) ；a}(X-Xs) + h,{Y-Ys) + Ci{Z-Zs) 其中，Bi, bi, Ci, i = I, 2, 3是與前像機姿態(tài)參數(shù)巧，ωΓ, κ f有關(guān)的9個元素,表示為
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于數(shù)字狹縫攝像技術(shù)的靶場彈丸運動參數(shù)測量方法。技術(shù)方案包括以下三步第一步，布置立體數(shù)字狹縫測量系統(tǒng)；第二步，確定立體線陣像機成像模型；第三步，測量彈丸的運動參數(shù)。其中第二步包括第1步，分別確定前像機和底像機的內(nèi)方位元素和外方位元素；第2步，分別確定前像機和底像機的成像模型表達式。其中第三步包括第1步，選擇特征點，計算彈丸運動參數(shù)的初始估計值；第2步，構(gòu)建基于彈丸三維數(shù)字模型的運動參數(shù)優(yōu)化求解模型，計算彈丸運動參數(shù)的優(yōu)化估計值。本發(fā)明解決了靶場彈丸目標速度、姿態(tài)和攻角等運動參數(shù)的高精度測量，實現(xiàn)了靶場狹縫技術(shù)的數(shù)字化、自動化。
文檔編號G01C11/00GK102818561SQ20121023564
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者文貢堅, 趙竹新, 回丙偉 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)