基于某型导弹电视测角仪的图像处理算法研究

高伟伟，王竹林，张自宾，贾 波

（军械工程学院四系，河北 石家庄 050003）

1 引 言

电视测角仪是某型反坦克导弹武器系统的重要组成部分，它的主要用途是根据弹上辐射源的位置，自动、实时地测量导弹偏离瞄准轴线的角偏差，以数字信号形式传输给控制箱，供其编制控制指令[1]。电视测角仪工作时，由于战场环境千变万化，主动干扰、被动干扰、烟尘雨雾的遮挡、复杂背景的出现等既会使弹标辐射能量严重衰减，甚至短时间内被完全遮挡，也会使火光、灯光等进入视场与弹标信号相混淆，它们造成的干扰，可能使电视测角仪不能可靠地测出弹标的角偏差[2]。对于使用电视测角仪的反坦克导弹武器而言，干扰源主要分为自然背景的干扰和人为设置的干扰[3]。综上分析，在复杂的战场环境下，如何能够排除干扰信号，准确提取弹标信号已经成为电视测角仪研究的关键。

2 运动目标识别算法研究

2.1 背景模型算法研究

一帧图像数字化后，可以将其看作一个N×M的矩阵A，αij代表矩阵A第i行第j列的灰度值。考虑到检测正确率、算法难度及实时性要求等因素，可以采用实现相对简单的单高斯背景建模方法。以矩阵中任意一点灰度值αij为研究对象，可在背景无运动物体时连续采样n帧图像，用来实现背景模型的初始化[4]。其相应高斯模型的均值和方差为：

式中：Mn——检测后的二值掩膜图像，值为1的点表示所检测点是前景点，值为0的表示所检测点为背景点[6]；

α∈[0，1]，表示参数的更新速度，如果在 Δt时间之内，使背景参数更新的补充视频信息比例为α，则原背景参数信息占1-α。

2.2 弹标识别算法研究

由于人为干扰以及背景模型本身的局限性，背景减除法并不能把弹标信号提取出来，剩下的只能是包含弹标信号和干扰信号的一些候选目标。在此基础上，可以通过研究弹标的运动特性将其与干扰信号分开。

在CCD靶面上，弹标信号运动空间比较小，与其他干扰信号相比并没有明显的差别。但有一点是明显的，随着导弹与电视测角仪的高速分开，弹标信号在CCD靶面上的能量是快速衰减的，而火堆映射在靶面上的能量是几乎不变的，敌方释放的干扰弹在CCD靶面上映射的能量衰减也不明显。根据这个特点，可以寻求检测候选信号能量的衰减特性来识别弹标信号。

接收到的弹标信号能量的衰减包括两个方面，一个是面积越来越小，一个是弹标信号区域中单位像素的能量越来越小。综合这两个特点，如果能在这两个方面通过实验和理论对弹标信号的变化建模，以此作为判别标准，很容易便可排除干扰信号。

设弹标信号在CCD靶面的初始面积为S0，弹标辐射源在理想情况下可辨识距离为l，导弹发射后ts内的飞行距离为l（t），弹标信号在靶面面积为S（t）。随着飞行距离越来越远，弹标信号的面积渐渐变小，当导弹飞行距离为l时，可以将弹标信号看作一个点，这样就可以将弹标信号变化描述为底面积从大到小的锥形变化（如图1所示），其中的底面积对应弹标信号面积。

图1 弹标信号在CCD靶面面积的变化

根据图形有公式：

对 S（t）求导得：

设CCD靶面上弹标区域单位像素的能量为e（t），那么随着时间的变化，能量的变化E′（t）的计算公式为：

由于帧转换时间Δt是固定的，令kΔt=k，则：

设第k帧图像弹标区域面积内的平均灰度值为e*（k），那么第k-1帧图像到第k帧图像的弹标面积变化ΔS*（k）和能量变化ΔE*（k）可表示为：

则判定该区域为目标区域。

3 弹标质心坐标的计算

通过背景减除法，综合弹标运动特性将弹标信号隔离出来，得到一个白色连通区域，如图2所示，其中图（a）是隔离弹标信号，图（b）图是放大后的弹标信号。

图2 弹标信号

为了实现对导弹的实时控制，需要将弹标的质心位置计算出来。对于目标连通区域，其中的每个行白色条段的面积就是其长度di，可以用其两端边界元的列序号表示[7]，设白色条段第i行最右边的列序号为 ri，最左边的列序号为 li，则：

如此，目标连通区域的面积A就可以看作区域内所有白色条段的长度之和[8-9]，即：

其中，i的取值范围为该孤立连通域中最上面的条段所在行号至最下面的条段所在行号。

由于弹标的形心坐标（x，y）可分别表示为连通区域在x、y轴（将矩阵的行用x轴坐标表示，列用y轴坐标表示）上的一阶矩阵与连通区域面积之比，所以设连通区域在x轴上的一阶矩阵为μx，在y轴上的一阶矩阵为μy，在弹标质心坐标计算时，认为质心与形心重合，于是计算质心坐标如式（18）、式（19）所示。由于计算简单高效，满足了导弹的实时控制要求。

4 结束语

在传统背景减除法基础上，通过研究导弹运动与弹标信号在CCD上面积及能量变化关系，对弹标运动特性建模。提出了使用检测弹标信号能量衰减幅度来判定信号真伪的方法，并在理论上得到了论证，为进一步研究复杂战场环境下弹标信号的识别提供了一个新的思路。结合连通区域形心位置计算方法，能快速提取出弹标信号的坐标位置，满足了战场环境下导弹控制的实时性要求。

[1]王竹林，苏群星.反坦克导弹武器系统部队勤务教材[M].北京：兵器工业出版社，1999.

[2]王兴治.中国反坦克导弹研制与发展[M].北京：国防工业出版社，2000.

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