CN101793516A - 爆炸点位置自动测量装置 - Google Patents

Abstract

爆炸点位置自动测量装置，利用闪光触发器控制数码相机自动拍摄爆炸点图像，采用摄像测量原理由计算机解算获得爆炸点位置，其构成包括成像式闪光触发器、照相全站仪、计算机、供电电源和测控软件。

Description

爆炸点位置自动测量装置

所属技术领域

本发明涉及一种爆炸点位置的自动测量装置，能够用于炮弹、炸弹、导弹等运动爆炸体的随机爆炸位置的测量，以确定引爆控制的精度，对引爆装置的性能进行评价。

背景技术

很多运动爆炸体的爆炸位置是不确定的，爆炸发生的时间是随机的。这些运动爆炸体的爆炸位置通过引爆控制装置来实现。武器弹药是一种典型的运动爆炸体，引信是控制爆炸部引爆的重要部件，其控制精度直接影响武器弹药的毁伤效果。引信控制精度通过测量爆炸时爆炸体与目标的相对位置来进行评价，爆炸时两者的相对位置越接近于设定值，引信的控制精度越高，毁伤效果越好。例如攻击地面目标的引信可以根据不同的攻击目标设定不同的爆炸高度，对其进行评价时需要测量爆炸点的高度；攻击空中目标的引信可以根据不同的攻击目标设定不同的爆炸距离，对其进行评价时需要测量爆炸点与目标的空间直线距离。因此，爆炸点位置测量在各类运动爆炸体的引爆控制精度评价，特别是在武器弹药引信性能评价方面有广泛的应用，是一种重要的试验测量评价手段。

现有的用于爆炸点位置测量的装置有炮弹爆炸高度测量装置。现有的炮弹爆炸高度测量装置采用下列三种方法：1、标杆比对测量。将一个或多个标有固定间距条纹的标杆垂直设置在预设爆炸点附近，在距预爆炸点安全距离外用一台高速摄像机对准预设爆炸点区域，在发射运动爆炸体后启动高速摄像机开始拍摄，爆炸发生后停止摄像机拍摄，在拍摄的录像中查找到爆炸点清晰的一幅图像，通过与标杆上的间距条纹进行比对，估算出爆炸点的高度数据。这种方法存在的主要问题是：由于爆炸体的运动受到各种因素影响，实际爆炸点与预设爆炸点总存在偏离，有时偏离还相当大，摄像视觉误差会导致与标杆对比时得出的位置误差难以控制，测量精度很低。这种方法目前仍在实际使用。2、经纬仪高速摄像机测量。将两台高速摄像机分别安装在两台经纬仪上，将这两套设备分别安装在预设爆炸点安全距离外，对准预设爆炸点区域，用经纬仪分别测出两台高速摄像机的距离和位置信息，在发射运动爆炸体后启动高速摄像机开始拍摄，爆炸发生后停止摄像机拍摄，在两台摄像机的录像中查找到同一时间拍摄的爆炸点清晰的两幅图像，运用两台摄像机的位置信息，通过摄像测量原理解算，得到爆炸点的位置数据。这种方法存在的主要问题是：摄像机在低速摄像时图像分辨率高，在高速拍摄时图像分辨率低(如美国SVSi公司的GIGAVIEW高速摄像机，在每秒532帧的拍摄速度时可获得1280×1024分辨率的图像，在每秒17045帧的拍摄速度时却仅可获得1280×32分辨率的图像)。炮弹等运动的爆炸体运动速度很快，必须采用高速拍摄才能扑捉到爆炸的瞬间图像，这必然造成图像分辨率的下降，从而导致爆炸点位置测量精度降低，如果降低拍摄速度，动态图像的时间间隔就增加，扑捉爆炸瞬间的时刻就不准确，这也必然增大爆炸点位置测量误差。此外，由于是在爆炸体发射后即开始录像，在录像中查找爆炸瞬间的图像需要花费时间。所以，尽管“经纬仪高速摄像机测量”比“标杆比对测量”精度有所提高，但由于图像的分辨率与摄像速度无法同时兼顾，爆炸点位置测量精度也无法进一步提高，测量效率也不高，同时分辨率高拍摄速度快的高速摄像机价格昂贵(如美国SVSi公司的GIGAVIEW高速摄像机尽管分辨率不高，每台价格却高达13万元)，限制了其推广使用范围。目前，这种方法仍是爆炸点高度测量的标准方法。为了改进这种测量方法，有人提出用数码照相机替代高速摄像机，并较好地用于夜间礼花弹的爆炸高度测量，但无法在白天(或对爆炸亮度不够的武器弹药)进行测量，如用手工连拍方式扑捉爆炸图像，扑捉难度很大，图像时间间隔长，不能满足测量精度要求，因此这种测量方法一直没有得到显著改善。3、声音锥体定位法。该方法可用于无线电引信弹药爆炸高度的测量，包含一套无线电接收器和三套炸声接收器，炸声接收器和无线电接收器具有统一时钟。在弹药接近目标时，无线电引信工作发出无线电波，弹药爆炸时引信的无线电部件停止工作，无线电接收器通过探测无线电部件信号，记录其停止工作的时刻，爆炸声波先后传播到三套炸声接收器，三套接收器记下声音到达的时刻，与无线电接收器记录的爆炸时刻相减，再乘以声音的传播速度即可得到三套炸声接收器与爆炸点的距离，然后利用三套炸声接收器的距离信息解算得到爆炸点的高度。这种方法只是处于原理探索阶段，目前没有见到实际应用，其主要问题是：无线电接收器和炸声接收器必须精确同步，时间测量精度必须非常精确，否则将引起较大的测量误差，这在爆炸测量范围大、各设备相互距离远、引信的无线电信号检测等待时间长的情况下目前无法很好地解决；爆炸冲击波使爆炸声速传播情况复杂，传统的测声速法无法保证实际声速测量精度，由此引起的误差对测量精度影响很大；引信无线电信号终止延时具有随机性，无线电接收器的延时误差难以控制。

发明内容

本发明针对爆炸点位置测量存在的技术缺陷，提出了一种爆炸点位置自动测量装置，该装置能够对运动物体的爆炸点位置自动进行测量，测量精度高，装置的价格较“经纬仪高速摄像机测量”方法降低很多(如德国SVS公司的SVS11002型工业相机图像分辨率高达4008×2672，最小曝光时间200μs，价格仅为7万元，而美国SVSi公司的GIGAVIEW高速摄像机在每秒532帧的拍摄速度时的分辨率为1280×1024，价格高达13万元)，有利于在该领域大范围推广使用。

本发明的技术思想：1、充分利用数码照相机图像分辨率高的特点，替代“经纬仪高速摄像机测量”方法中的高速摄像机，通过提高图像分辨率，大幅度提高爆炸点位置测量的精度，同时大幅度降低测量装置的价格。2、设计了成像式闪光触发装置，确保在白天野外环境的光背景下可靠感受爆炸的瞬间闪光，准确拍摄爆炸瞬间图像(对夜间亮度很大的爆炸，爆炸闪光相对于背景非常明显，用一般光敏器件就很容易获得闪光信号，能可靠地触发照相机。武器弹药白天爆炸时，闪光相对于背景很不明显，用一般光敏器件根本无法获得闪光信号。但是爆炸高度测试往往需要在白天进行，这一问题必须予以解决，才能满足爆炸高度测量的实际需要)。3、采用无线网络传输爆炸图像，计算机自动解算测量结果，提高测量效率。

本发明的技术方案：爆炸点位置自动测量装置由两个完全相同的测试站构成，每个测试站均包括照相全站仪、成像式闪光触发器、计算机、供电电源和测控软件。

照相全站仪由镜头、数码照相机和全站仪构成。根据预设爆炸点安全距离、预设爆炸区域大小和爆炸点位置测量精度确定镜头、数码照相机和全站仪的技术参数，选择适用的型号。镜头依靠镜头后座，通过固定螺栓固定于数码照相机机体上。数码照相机通过螺栓固定在全站仪的物镜座上，使其可随全站仪的物镜同步运动。按照摄像测量原理(王之卓著，武汉大学出版社出版的《摄影测量原理》书中对此有论述)，通过对特定控制场拍摄一组图像，解算得到数码照相机的焦距、像主点位置、畸变改正系数等内方位元素参数，运用到爆炸点位置解算方程中，以便解算爆炸位置参数。

成像式闪光触发器由成像机构、感光矩阵、信号处理电路构成。成像机构采用普通照相机的成像原理，其镜头由成像尺寸和预设爆炸点的散布范围确定。感光矩阵采用Si(硅)探测器或InGaAs(铟镓砷)探测器作为感光单元，感光单元排列成矩阵模式，固定于成像机构的成像面位置，各感光单元连接成反偏模式，光电流随照射到其表面的光通量的增大而增加，当光通量增大到一定程度时，光电流不再继续增大，达到饱和状态。信号处理电路包括光电转换电路、逻辑组合电路和信号输出电路。光电转换电路包括运算放大器、RC高通滤波电路、限流电路和电压钳位电路，可以将感光单元得到的闪光信号转变为跳变的电平信号，当感光单元没感受到闪光时，光电转换电路输出高电平，当感光单元感受到闪光，且强度超过设定阈值时，光电转换电路输出向下的电平跳变，闪光越强，低电平持续时间越强，产生多次向下的电平跳变时，经后级电路进行处理，只认为第一个电平跳变有效；逻辑组合电路由现场可编程逻辑器件(FPGA)实现，将光电转换电路输出的各路信号进行逻辑“或”处理，即任何一个感光单元感受到显著的光变化时，就输出一个逻辑“1”，确认爆炸发生，为防止干扰，当输出为高电平时，可采用延迟一个时钟周期再确认的方式；信号输出电路由单端信号转差分信号芯片构成，将逻辑组合电路的输出转换为差分信号，发送至数码照相机的触发端口。

计算机可采用笔记本电脑，以提高测试系统的便携性，同时为其配备无线网桥，用于实现两测试站之间图像传输和数据通讯。计算机的性能应能够满足测量数据处理的要求，无线网桥应满足测量时两测试站能够可靠地传输数据。

供电电源包括两种，一种为成像式闪光触发器供电，另一种为相机和计算机(含无线网桥)供电。供电电源内置可充电电池，适用于野外环境工作。供电电源设计有欠压指示灯和充电接口，方便使用和维护。

测控软件安装于计算机内，具有数码照相机控制、测量图像处理、爆炸位置解算、测量数据管理等功能。

爆炸点位置自动测量装置的工作过程是(以爆炸高度测量为例)：在测量现场确定预设爆炸点，根据爆炸威力确定安全距离，在靶道线的同一侧设定A、B两测试站的位置(两测试站间的直线距离为预设爆炸点到两测试站连线垂直距离的一半为宜)，将设备分别在A、B两测试站展开；整平照相全站仪，并建立现场坐标系，架设成像式闪光触发器；连接设备线缆，将电源的供电线缆连接到成像式闪光触发器和计算机的电源接口，用网线将计算机网络接口与数码照相机的网络接口连接，将外置无线网桥与计算机接口相连，将成像式触发器的触发输出信号线与数码照相机的快门触发信号接口相连；调用计算机内的测控软件，设置数码照相机的控制参数，而后测量装置进入待机状态；当爆炸体进入测量区域并发生爆炸时，成像式触发器感受到光强的变化，发出触发信号至数码照相机，数码照相机启动快门，拍摄下爆炸瞬间的图像；计算机接收获得图像后，调用解算功能模块，计算得到爆炸点距地面的高度数值。

本发明的有益效果是：由数码照相机和全站仪构成的照相全站仪，替代了原有技术中的“经纬仪高速摄像机”，图像分辨率大幅提高，从而提高了爆炸点位置解算的精度；成像式闪光触发器将预设爆炸点范围成像到一个平面，这个平面上的感光矩阵的各感光单元分别感受预设爆炸区域内一个小范围的光强变化，尽管爆炸产生的光强变化对整个场景并不显著，但在爆炸点所落在的那个小范围内的光线变化却非常显著，可以确保能够可靠而准确地在爆炸瞬间发出触发信号，控制数码照相机拍摄到爆炸瞬间的图像；配备有无线网桥的计算机能够在现场远距离自动传输测量图像，依靠其内部配备的测控软件，可以立即解算获得爆炸位置的测量数据。整个装置与现有技术相比，测量精度更高，设备更经济，使用更方便，自动化程度更高。

附图说明

图1是本发明的测量原理图；

图2是本发明的测量现场布置图；

图3是本发明的测试站的设备构成图；

图4是本发明中照相全站仪的结构图；

图5是本发明中成像式闪光触发器的原理图；

图6是本发明中成像式闪光触发器的感光矩阵的结构图；

图7是本发明中成像式闪光触发器的感光矩阵的信号处理原理图；

图8是本发明中成像式闪光触发器的主视图；

图9是本发明中成像式闪光触发器的侧视图；

图10是本发明中测控软件的功能框图。

上述各图中的标号：1、A测试站，2、B测试站，3、发射装置，4、落弹区，5、靶道线，6、弹道，7、相机镜头，8、全站仪物镜座，9、全站仪物镜，10、全站仪电池，11、全站仪固定座体，12、全站仪调平螺栓，13、全站仪控制面板，14、全站仪垂直微动螺栓，15、相机电源接口，16、相机触发信号接口，17、相机网线接口，18、相机，19、全站仪提手，20、触发器成像面，21、触发器镜头，22、爆炸点，23、触发器外壳，24、触发器提手，25、触发信号输出1，26、触发信号输出2，27、触发器电源接口，28、触发信号指示灯，29、触发器电源指示灯。

图1所示为该装置的基本测量原理。爆炸高度测量采用测绘领域中的“前方交汇测量”原理，A、B为两个测量点，以A、B连线为x轴，以A为原点，按照“右手法则”建立现场坐标系，用全站仪的测距功能测量出A、B两点的直线距离b；用测角功能分别测出A、B全站仪各自的方位角α₁、α₂和俯仰角β₁、β₂。在两测量点建立的现场坐标系中，已知距离值b和四个角度值α₁、α₂、β₁和β₂，根据空间立体几何关系，既可解算出空间任意点M在现场坐标系的三维坐标，获得其位置数据。由于爆炸点出现的位置是不确定的，而且在瞬间即消失，所以需要在测量点安装专门的照相全站仪，完成对爆炸图像的拍摄，通过图像上的点坐标与实际位置关系，采用“前方交汇测量”原理，实现爆炸高度等位置参数的自动测量。

图2所示为测量装置用于爆炸高度测量时的现场布置。测量装置由A测试站(1)和B测试站(2)构成，两个测试站位于炮弹发射装置(3)与落弹区(4)构成的靶道线(5)的同一侧，两测试站的直线间距b为落弹区中心到两测试站连线垂直距离D的一半为宜。例如：对某种特定炮弹爆炸高度进行测量时，落弹区直径500m，两测试站连线距落弹区中心1000m，两测试站相距500m。

图3所示为测试站(A测试站与B测试站完全相同)的设备构成。测试站包括照相全站仪、成像式闪光触发器、计算机、供电电源和测控软件。照相全站仪的数码照相机的网络口与计算机通过网线连接，以便计算机控制照相机并接收采集的数字图像；照相全站仪的数码照相机的触发接口与成像式闪光触发器的触发输出连接，以便接收触发器感受到闪光后发出的触发信号；计算机与无线网桥通过网口连接，为两个测试站的计算机建立信息交换通路，以便通过对两测试站采集图像的计算处理，解算出爆炸点的位置信息；两个电源的输出分别与成像式闪光触发器、照相全站仪和计算机的供电输入口连接，为它们提供电源供应。

图4为照相全站仪的结构。照相全站仪的镜头(7)选用尼康公司的NIKKOR 50mm定焦镜头(焦距为50mm，光圈系数为1.4～16，物镜直径为52mm，卡口类型为标准尼康卡口)，相机(18)选用德国SVS公司的SVS11002型黑白工业相机(分辨率为4008×2672，像元大小为9μm，最小曝光时间为200μs，最大触发延迟为87μs，供电电压为9～24VDC，卡口类型为标准尼康卡口)，全站仪选用拓普康公司的GST-332N型全站仪(水平测角精度为2″，垂直测角精度为2″，测距精度为2mm+2ppm)。镜头(7)依靠镜头后座，通过固定螺栓固定于照相机(18)的机体上，照相机(18)通过螺栓固定在全站仪的物镜座(8)上，使其可随全站仪的物镜同步运动。按照摄影测量理论计算，该套配置在落弹区中心1000m，视场范围200m的条件下，可以达到的爆炸高度测试误差≤0.2m。

图5为成像式闪光触发器的原理图。成像镜头(21)可以调整成像视场范围，将爆炸可能发生的范围全部包括在内；在成像面(20)位置放置感光矩阵，将图像分成44个区域分别感受光线的变化，获得爆炸点(22)的闪光信号。可选用普通135型相机的结构，成像面尺寸为36mm×24mm，感光矩阵的规格为36mm×12.9mm，放置于成像位置面的中心位置，镜头焦距50mm。该配置的探测水平视场宽度为720m，两触发器探测视场重叠区域长度约为500m。

图6为感光矩阵结构。感光矩阵固定于触发器成像面的中心位置，由排列成11×4矩阵的44个感光单元经过裁剪拼接而成，感光单元采用硅(Si)光电探测器，其响应波长范围为500nm-1100nm，感光电流上升时间为20ns。

图7为感光矩阵的信号处理原理。信号处理电路包括光电转换电路、逻辑组合电路和信号输出电路。感光矩阵的各感光单元在内部连接成“共阴极”方式；光电转换电路包括op97运算放大器、RC高通滤波电路、限流电路和电压钳位电路，当感光单元没感受到闪光时，光电转换单元电路的输出为高电平，幅值在4.5V左右，当感光单元感受到闪光时(闪光强度超过设定阈值)，光电转换电路输出向下的电平跳变(跳变至-0.6V左右)；逻辑组合电路由现场可编程逻辑器件(FPGA)EP1C6Q240C8实现，该芯片有185个输入/输出口，可将所有光电转换电路的输出进行逻辑“或”，将结果输出至信号输出电路，当所有光电转换电路均没有电平跳变信号输入FPGA时，FPGA输出为低电平，当任一光电转换电路有电平跳变信号输入FPGA时，其输出为一高电平脉冲，高电平脉冲幅度3.3V，脉冲宽度50ms；信号输出电路将逻辑组合电路输出的信号转换为三路信号，一路用于红色LED指示灯做触发指示，另外两路分别为单端输出信号和差分输出信号，差分输出信号的传输距离可达200m。

图8、图9为成像式闪光触发器外观主视图和侧视图，在其面板上安装有触发信号输出1(25)、触发信号输出2(26)、触发器电源接口(27)、触发信号指示灯(28)、触发器电源指示灯(29)。

图10为测控软件的功能框图。测控软件包括相机控制与采集模块、炸点中心识别模块、炸点坐标解算模块和数据处理模块，可采用C语言开发。相机控制与采集模块完成相机参数设置、启动相机自动采集、相机自动搜索连接、选择触发模式进行图像采集和获取传输采集图像等工作；炸点中心识别模块，采用边缘检测的Canny算法识别爆炸点边缘，采用迭代法求解不规则炸点的中心点；炸点坐标解算模块在炸点中心识别的基础上计算得到爆炸点的位置坐标；数据处理模块完成相机参数、全站仪参数、端口地址等参数的设置，数据库管理、两测试站间数据传输等工作。

本实例是本发明的一个实施特例，在运用本发明进行爆炸点位置自动测量装置设计时，可以按照功能和技术指标，变换其具体结构和部件、器件、材料的型号及生产厂家。

Claims (6)

1.爆炸点位置自动测量装置，是一种利用闪光触发方式拍摄爆炸点图像，采用摄像测量原理解算获得爆炸点位置的自动测量装置，其特征在于：以成像方式探测爆炸产生的闪光，用感受闪光产生的触发信号控制安装于全站仪物镜座上的照相机拍摄爆炸图像，用基于摄像测量原理的软件由计算机解算获得爆炸点的位置数据。

2.根据权力要求1所述的爆炸点位置自动测量装置，其特征在于：该装置有一种由成像机构、感光矩阵、信号处理电路构成的成像式闪光触发器，该触发器将爆炸点范围场景成像到由多个感光单元构成的感光矩阵上，从而可以将爆炸产生的一个相对于整个背景而言很小的光强变化转换为一个在感光单元上的显著的光强变化，在爆炸发生时产生触发信号，控制相机拍摄到爆炸瞬间的图像。

3.根据权力要求1所述的爆炸点位置自动测量装置，其特征在于：该装置有一种由镜头、数码照相机和全站仪构成的照相全站仪，镜头固定于数码照相机机体上，数码照相机固定于全站仪的物镜座上，并可随全站仪的物镜同步运动，用于测量获取照相全站仪的位置信息。

4.根据权力要求1所述的爆炸点位置自动测量装置，其特征在于：该装置有计算机和无线网桥，计算机通过网线与照相全站仪连接，设置照相全站仪的参数、获得爆炸点的图像，通过无线网桥在计算机之间传输爆炸点的图像。

5.根据权力要求1所述的爆炸点位置自动测量装置，其特征在于：该装置配有可充电的供电电源，可以在野外进行爆炸点位置测量工作。

6.根据权力要求1所述的爆炸点位置自动测量装置，其特征在于：该装置的计算机内配有测控软件，具有数码照相机控制、测量图像处理、爆炸点位置解算、测量数据管理功能。

Images