基于交汇摄影的海上打靶偏差测量方法及应用

侯宝娥, 唐 恒, 杨绪升

基于交汇摄影的海上打靶偏差测量方法及应用

侯宝娥1, 唐 恒2, 杨绪升2

(1. 中国人民解放军91439部队, 辽宁 大连, 116041; 2. 中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524022)

落点偏差是评价枪炮类武器打击效果的重要参数之一。海上试验武器落点偏差测量一般采用高空摄影定位法, 需直升机或无人机搭载测量设备, 并由测量船在武器预定落区布放若干辅助浮标, 才能完成参数测量, 该方法组织实施难度大、测量风险高、费用高。综合考虑各种因素, 针对某些目视范围内的海上打靶落点偏差测量, 文中提出一种依据交汇摄影原理的测量方法, 推导出同平台双位置摄影测距算式, 并经实验测试数据验证了方法的正确性。通过海上试验, 证明了该方法的可行性和实施便捷性, 且该测量方法不需要额外的测量平台辅助, 动用兵力少, 节约了试验经费, 可为同类型海上试验或海上射击打靶训练考核提供参考。

偏差测量; 海上试验; 打靶考核; 交汇摄影

0 引言

随着海军武器装备升级和军事训练法的不断发展, 愈来愈多的新型武器装备试验鉴定或实弹打靶射击训练得以实施, 用以考核武器装备的打击效果或部队的训练水平, 因此, 武器落点偏差成为重要的考评依据。海上试验武器落点测量不同于陆上落点测量, 由于海水流动性导致目标位置不断变化, 武器的落点痕迹生存期短, 再加上不宜抵近测量等因素, 传统的光学测量方法失效, 因此, 快速准确地捕捉弹丸落点和打击目标的相对位置成为试验关键环节, 这方面高空摄影定位法[1-3]具有一定的优势。但该方法也存在一定缺陷, 比如动用兵力多, 摄像姿态角要求严格, 关键环节把控难度大, 测算周期长等。文中针对目视范围内的近距离武器落点偏差测量, 提出一种简单易实施的测量方法: 根据交汇摄影原理[4-9], 推导出同平台双位置摄影测距算式, 经验证可快速解算海上打靶位置偏差, 方法简单便于实施和推广应用。

1 交汇摄影测量原理

由光学成像原理[6-7]可知, 任何物像都是实物在相机光轴垂面上的缩比投影, 当斜拍即物平面不能垂直于光轴时所取得的影像将不能真实地反映物体长宽关系。假设有一棒状物长为, 在与其共面的点对其拍摄时有效成像长度为L, 在点对其拍摄时有效成像长度为L, 2处相机成像光轴与连线的夹角分别为、,与、连线的任意夹角为。由于拍摄角度的不同, 如果存在两处成像中端点都在端点的同侧情况, 即都在的左侧或右侧, 此时称之为同向, 否则称之为异向。根据两相机距离的不同,在连线上的投影若落在中间称为异侧交汇拍摄, 投影若落在外则称为同侧交汇拍摄, 如图1~图4所示。

图1 交汇测量异侧同向示意图

图2 交汇测量异侧异向示意图

图3 交汇测量同侧同向示意图

图4 交汇测量同侧异向示意图

对图1异侧同向存在如下关系

对图2异侧异向存在如下关系

在图2中当<时也是同向, 此时关系为

综合式(1)~(3), 得出

如果、、不共面, 即与平面或存在一夹角, 且这一夹角的影响不可忽略时,L则要用式(5)修正以降低纵向上的透视影响

对图3同侧同向存在如下关系

对图4同侧异向存在如下关系

综合式(6)~(8), 得出

同样考虑到物平面和拍摄面的夹角的关系, 必要时L也要用式(5)修正。

凸透镜成像原理说明, 物体成像大小和真实大小的映射关系跟成像条件相关, 对于同时摄入的2个或多个物体成像大小之比例和它们真实尺寸的大小对应比例相同。文中验证实例中采用圆形乒乓球作标尺, 通过量取被测目标与乒乓球水平方向上的成像像素来换算被测目标的有效成像长度, 经式(4)或式(9)估算得到被测目标的长度。

2 实验验证

2.1 测试条件设置

为了验证上述思路的正确性和数据采集的严谨性, 测试在铺满瓷砖的小广场上进行, 图5(b)中每块瓷砖尺寸大小为60 cm×60 cm, 拍摄位置依次如图5(a)中的、、、所示, 图5(a)中每一小格为5.4 m×5.4 m, 这样、和间距分别为16.2 m、16.2 m和32.4 m。5号足球(正常内压)定点位置到拍摄连线的距离为48.6 m, 标准比赛用乒乓球(直径40 mm), 依次放在图5(b)位置放大图所示的3个位置1、2、3上, 使用Canon EOS 70D焦距135 mm 在、、、4个位置分别摄像(均使2球处于图像中央), 共采集样本图片12张。图6和图7分别是位于点和点拍摄时乒乓球在位置2的成像结果裁剪图。

2.2 计算流程

计算处理过程[7-9]如图8所示, 根据此流程编制数据处理软件, 软件界面如图9所示。

图5 拍摄条件设置

图6 A点对足球和位置2的乒乓球摄像结果

图7 D点对足球和位置2的乒乓球摄像结果

图8 计算流程

图9 数据处理软件界面

2.3 计算结果

根据图5拍摄条件设置, 可以计算或测量得到两球间距真值为3.5 m。各位置点坐标及该处相机拍照光轴倾角(拍摄方向)计算结果和拍摄距离统计见表1。

根据图8计算流程, 针对不同位置的样本图像取其中8种组合, 利用式(4)或式(9)测算结果和误差统计见表2。其中, 照片代码中的字母表示拍摄位置, 数字表示乒乓球的摆放位置, 如2表示在点对足球和位置2处的乒乓球拍摄图像。两球相距真值3.5 m, 乒乓球直径0.040 m。

表1 计算所需参数表

表2 不同态势计算结果统计(以乒乓球为标尺)

如图10所示, 观察正割函数sec()在(0, 90°)的变化曲线发现, 当倾斜角度小于10°时, 对拍摄效果的影响小于1.5%。实例中按照各点拍摄高度1.6 m计算,点的最大倾角为1.84°, 最大倾角误差为0.051%, 因此实例验证中忽略了倾角影响, 只利用式(4)或式(9)修正。

2.4 结果分析

表2选取的几种典型姿态组合基本上涵盖了打靶落点在目标周围的典型情况, 有的呈共线或遮挡姿态(第7种组合), 有的呈正横姿态(第6种组合), 有小角度斜拍(第4种组合), 各种态势计算结果确能很好地反映设置真值, 表明了文章提出的交汇测量方法的正确性。

图10 sec(a)函数曲线

第2和第4种组合测算结果误差明显大于其他组合, 是由于图7中乒乓球受侧光影响, 球的右侧边缘和背景融合, 导致在水平方向上边缘提取失准, 带来较大的计算误差。这说明, 图像判读中标尺轮廓清晰程度影响边缘提取, 对测量结果有很大影响, 所以令标尺和背景对比明显是实施中的重要考虑原则[10]。第7种组合则避开了阴影影响, 在竖直方向量取小球最大边缘作标尺, 从而有效降低了测算误差。

同时, 图像判读过程表明, 用圆形球作标尺可以有效避免拍摄角度的影响, 提高测算精度。需要说明的是, 文中言及的前相机、后相机没有严格意义上的方向指向, 不影响计算结果; 表2和表3中3次测量误差不一样, 是因为对同一图片多次判读, 边界每次都不同所致。表3中2球相距真值3.5 m, 足球直径0.202 m。

理论上被测距离与标尺的比值越大, 标尺像素读取偏差带来的计算误差就越大。通过用足球作标尺再次进行表2各种组合计算时, 误差相对稳定, 见表3, 这也说明了此结论的正确性。因此, 在工程实践中应用该方法测量距离时应该选择大小合适、颜色合适的参照物作标尺。

实例中采用一大一小2球进行拍照对比结果表明, 通过缩比模型实验, 可选用适当大小的参照物作对比, 实施远距离拍摄测量。该方式已成为一种可行的海上测量手段。

表3 不同态势计算结果统计(以足球为标尺)

3 海上试验实践

分析发现, 计算过程中用到的数据只需一个相机的拍摄角度和拍摄距离, 另外一个相机的拍摄角度和拍摄距离可根据两相机的间距, 通过三角函数关系求解。基于此, 只需枪炮的射击方向和打击距离便可换算出已知位置相机的拍摄角度和距离, 而这2个参数是无人值守自动打击必需的射击要素, 可按需查询。因此对能在已知尺寸的打击目标周围激起水花或水柱的距离测量皆可采用文中所述交汇测量法进行计算。图11是某型反蛙人弹进行海上三连发打击效果考核时录取的图片。图中红色球形标尺代表海上威胁目标的位置(黄色圆圈圈示), 探测声呐对其定位后控制发射炮实施实弹打击, 位于本舰前后相距一定距离的2台相机同时摄录包含目标在内的武器入水画面。要求在试验前将相机与武器发射系统进行对时, 以便于试验后查找对应于摄像时刻的打击角度和方位数据。具体实施方法如下。

2台照相机分别位于发射炮后方、舰艇后端一定位置, 对含目标在内的武器入水画面摄像, 且2台相机距舰艇舷侧距离大致相等, 以尽量保证2台相机连线与舰艇航向(龙骨)平行。如果空间位置不允许相机位于发射炮后方拍摄, 亦可位于发射炮两侧的安全区域内, 使两相机与发射炮共线, 并与舰艇航向平行。如图12所示异侧拍摄, 其中为发射炮位置,和分别为发射炮的打击方向和打击距离, 前相机距发射炮距离为, 后相机距发射炮距离为, 则前、后相机的拍摄方向、可由正弦定理解出, 计算公式为

图11 某型反蛙人弹海上实弹射击

图12 海上试验2台相机异侧拍摄示意图

Fig. 12 Schematic diagram of two cameras shooting on different sides in sea trial

由于舰艇平台空间限制, 一般情况下, 在试验实施时将两相机尽量拉开距离, 以保证二者拍摄图像有明显区别, 便于图像判读, 减小判读误差。

根据文中测量方法, 现场快速给出了弹着点位置偏差, 结合其战技指标杀伤半径, 为现场判断声呐探测实弹打击效果提供了有效的数据支撑, 体现了一定的军事效益和经济效益。

4 结束语

武器装备的海上试验训练最重要的一环便是作战效能评估, 而枪炮类的打击效果多以其落点偏差来判断。文中所述交汇测量落点偏差原理简单, 根据验证实验结果可知, 这一测量方法测算误差小, 可操作性强, 且不需要额外的测量平台辅助, 动用兵力少便于实施。受限于场地和拍摄条件, 未开展一定高度拍摄的实验验证, 对拍摄高度倾角的影响只给出了定性分析, 在条件具备时将进行进一步的实验验证, 以便为测量平台较高时的测量倾角影响分析提供指导。

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Deviation Measurement Method for Shooting Test at Sea Based on Intersection Photography

HOU Bao-e1, TANG Heng2, YANG Xu-Sheng2

(1. 91439thUnit, the People’s Liberation Army of China, Dalian 116041, China; 2. 91388thUnit, the People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The fall point deviation is one of the important parameters for evaluating the hitting effect of gun weapons. Aerial photography is used to measure the fall point deviation in sea trial, however this measurement method requires helicopter or unmanned aerial vehicle(UAV) to carry measurement equipment, and requires survey ship to deploy several auxiliary buoys in the predicted area for completing the parameter measurement. Accordingly, the organization and implementation of this method get into difficulty, high measurement risk, and high cost. This paper proposes a measurement method for the fall point deviation in the visual range in shooting test considering the factors mentioned above. According to the principle of intersection photography, two-position-on-same-platform photography ranging formula is deduced, and the correctness of this method is verified by experimental data. The feasibility and convenience of this measurement method are proved in sea trial. This method does not need additional measurement platform, uses less military force and saves test cost. It may serve as a reference for assessment of the same type sea trial or shooting test.

deviation measurement; sea trial; shooting test; intersection photography

TJ015; TB869

A

2096-3920(2020)04-0461-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.017

2019-12-30;

2020-01-17.

侯宝娥(1974-), 女, 高级工程师, 主要研究方向为武器系统试验.

侯宝娥, 唐恒, 杨绪升. 基于交汇摄影的海上打靶偏差测量方法及应用[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 461-466.

(责任编辑: 许 妍)