CN105659797B - 一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法及装置，属于火炮试验测试领域。本发明由两个面阵摄像机和两个高速线阵摄像机组成双立虚拟靶面，通过采用置于一条直线上的两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机形成双立靶，由嵌入式图像处理系统对两个高速线阵摄像机采集的图像进行处理并记录炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，一旦监测到炮弹穿过高速线阵摄像机即刻发出触发信号给相应的面阵摄像机采集炮弹穿过虚拟靶面时的图像；传给嵌入式系统进行处理、计算得到炮弹攻角和相对射击精度等性能指标。本发明可同时测试炮弹在某一距离处垂直向和水平向的攻角和着靶位置及相对射击精度，可为实际弹着点的射击精度提供参考。<pb pnum="1" />

Description

一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法及装置，属于火炮试验测试领域。

背景技术

炮弹的飞行姿态和着靶位置是各种兵器靶场测试中的主要测试项目。而攻角是指飞行中炮弹的轴线与其质心运动方向的夹角，由于炮弹在初始段飞行时处于一种调整状态，炮弹的攻角随之改变，攻角的变化直接关系到炮弹飞行的稳定性，因此炮弹攻角是描述炮弹飞行姿态的重要参数。另外炮弹的着靶位置也是衡量炮弹射击精度的重要指标。对炮弹攻角和着靶位置进行测试是分析炮弹飞行稳定性和射击密集度必不可少的关键测试内容。

在火炮外弹道测量中，攻角测量一直是个难题。过去经常采用攻角纸靶、高速摄影、针孔照相、狭缝摄影等方法测量炮弹攻角，但这些方法存在着载体信息容量小、处理周期长、实时性差等缺陷。线阵摄像机在炮弹攻角测试方面的应用能够克服现有测量方法存在的不足，但是，线阵摄像机需要采集多幅图像才能获得炮弹的完整图像，这受到器件本身发展的制约，因此利用线阵摄像机测试炮弹攻角仍具有一定的局限性。

传统的炮弹着靶位置测试方法主要存在以下几个不可避免的问题：

(1)炮弹是重叠过靶还是脱靶不能区分。由于现有的实靶测试方法是在实弹射击之后由人工读取靶面上弹孔的位置来计算各项技术指标，造成无法区分炮弹重叠过靶还是脱靶，一旦出错将带来很大的测试误差。

(2)测试过程实时性较差。只有当全部射击完成之后，才能人工读靶并计算结果。并且所有读靶的工作必须人工完成，具有很高的危险性。

(3)靶面是一次性的，不能重复使用。

现有比较先进的炮弹着靶测试装置大都采用两个线阵摄像机视场交汇，在空间构成一个平面共视区域，通过计算炮弹相对于线阵摄像机的高度及其之间的距离，利用三角定位法，可获得炮弹的位置。但这种测试方法仍存在以下几个问题：

(1)求取炮弹穿过交汇虚拟靶面的实际位置时采用的方法解算比较复杂。

(2)采用两个线阵摄像机交汇测量，要求两个线阵摄像机采集的同步性很高。否则，会造成较大测量误差。

(3)要求线阵摄像机的采样速度很快，并且线阵摄像机的安装垂直于炮弹飞行方向。由于炮弹速度极快，造成成像质量不高，难以得到炮弹的精确位置。

(4)现有测试装置不能测试炮弹的瞬时速度。

发明内容

针对目前炮弹攻角和着靶位置的测试方法存在的问题，本发明提出一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置的测试方法及测试装置。

本发明基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置的测试方法为：通过采用置于一条直线上的两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机形成双立靶(即通过标定一个实靶，使其放倒后形成两个虚拟靶面，每一个虚拟靶面对应一组高速线阵摄像机和面阵摄像机)，并得到实际标定靶面上标定点数据；由嵌入式图像处理系统对两个高速线阵摄像机采集的图像进行处理并记录炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，一旦监测到炮弹穿过高速线阵摄像机即刻发出触发信号给相应的面阵摄像机，用于采集炮弹穿过虚拟靶面时的图像；然后面阵摄像机将采集的图像传给嵌入式系统进行处理，并将处理结果通过无线模块发送到炮位旁边的监控计算机，处理计算之后可得到炮弹攻角和相对射击精度等性能指标。该方法制作的测试装置在测试过程中无需实靶，通过高速线阵摄像机实时检测炮弹，并触发面阵摄像机采集虚拟靶面图像，避免了重叠过靶还是脱靶不能区分的情况，安全性完全得到保证。

该测试方法的具体实现步骤如下：

步骤1，面阵摄像机先对标定靶面进行标定，得到标定点数据，以确定标定靶面放倒成为虚拟靶面后，炮弹在虚拟靶面中的实际位置。所形成的前后两个虚拟靶面位置与前后两个高速线阵摄像机的位置对应。由于两个面阵摄像机的安装方式相同，对于双立靶方案只需两个面阵摄像机中的任何一个对标定靶面进行标定。

具体方法为：前后移动标定靶面，将标定靶面依次放置在前后不同位置，并由嵌入式图像处理系统记录移动的距离。在每一位置处由用于标定的面阵摄像机采集标定靶面图像，分别记录标定点在图像中的坐标，并根据标定靶面的实际尺寸得到水平和垂直向图像点代表的实际距离，将每一个标定靶面位置处的标定结果保存起来。

步骤2，在步骤1的标定完成后，启动测试装置并进行火炮瞄准。

火炮进行射击精度测试前需先开启测试端的设备。通过监控计算机操作，发出控制指令由无线模块传送到测试端开启测试设备，标定靶面竖立，并打开标定靶面四周的发光光源，操作人员操作火炮瞄准标定靶面中心，瞄准结束后，操作监控计算机发出控制指令由无线模块传送到嵌入式图像处理系统将标定靶面放倒成为虚拟靶面。

步骤3，在经过步骤2的火炮瞄准后，进行炮弹检测及瞬时速度测量。

测试端的两个高速线阵摄像机实时检测是否有炮弹穿过。当有炮弹穿过第一个高速线阵摄像机时，嵌入式图像处理系统开始计时，同时发出触发信号给第一个面阵摄像机采集炮弹穿过第一个虚拟靶面的图像，当穿越第二个高速线阵摄像机时结束计时，同时发出触发信号给第二个面阵摄像机进行炮弹穿过第二个虚拟靶面时的图像采集。嵌入式图像处理系统根据两个高速线阵摄像机之间的距离和炮弹穿越两个高速线阵摄像机所用的时间计算炮弹的瞬时速度，并记录下从任意一个高速线阵摄像机检测到炮弹至其相应的面阵摄像机成像所经过的时间。

步骤4，在步骤3中两个面阵摄像机得到两幅炮弹穿过虚拟靶面的图像后，传给嵌入式图像处理系统对采集图像进行处理，得到两幅图像中炮弹的图像坐标。根据步骤3中测得的炮弹速度和高速线阵摄像机检测到炮弹至相应的面阵摄像机成像所经过的时间，得到高速线阵摄像机与其对应的虚拟靶面的距离，以此确定选用标定靶面在哪一位置处的标定数据。然后根据标定靶面的数据和相关算法得到炮弹在虚拟靶面中的实际位置，并通过无线模块将每个炮弹经过两个虚拟靶面的位置信息发送到监控计算机。

步骤5，在步骤4监控计算机得到两幅虚拟靶面图像中炮弹的实际位置后，开始计算炮弹的攻角。由炮弹穿过两个虚拟靶面的实际位置得到偏移量为Δd，并且两个虚拟靶面间距离为D，由于炮弹飞行速度快，间距D较小，则可近似认为炮弹穿越两个虚拟靶面时攻角不变，则炮弹的攻角α＝arctan(Δd/D)。炮弹在飞行过程中，攻角可能是垂直向也可能是水平向的，本发明所提方法对垂直向和水平向的攻角测试原理相同。

步骤6，在步骤5得到炮弹的攻角后，可计算任意一发炮弹穿越某一距离处的相对射击精度Δα：Δα＝α′-α。其中，α为首发炮弹的攻角，α′为被测炮弹的攻角。该公式对计算炮弹在垂直向和水平向的相对射击精度均适用。

通过各发炮弹在某一距离处的相对射击精度可分析各发炮弹在实际弹着点的射击精度。

依据本发明所述测试方法制作的火炮炮弹攻角与着靶位置测试装置，由测试端及监控计算机组成。其中测试端包括测试台底座、标定靶面、两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、嵌入式图像处理系统、辅助移动装置和可充电电池，用于执行测试过程中的标定、拍摄图像及计算处理等任务。

置于炮位的监控计算机设计了无线模块，一方面用于接收测试端传来的测试结果，另一方面用于发送监控端的控制指令；监控计算机还带有系统软件控制模块、显示器、打印机等，系统软件控制模块用于计算炮弹攻角与相对射击精度等性能指标、存储计算结果和发出控制指令；显示器用于显示测试过程及结果，供操作员操作；打印机用于打印输出。

测试台底座用来放置测试端的其他测试设备，起到固定其他测试设备的作用。测试台底座为普通平板结构，在距离火炮最近的测试台底座边缘安装一个厚度适中的钢板作为防护挡板，以防止炮弹击中测试设备。

标定靶面为框架结构，边框上有多个发光二极管，作为辅助光源用于火炮瞄准以及标定用参考点。标定靶面可由辅助移动装置前后移动，在面阵摄像机对其标定和瞄准结束，开始测试时，标定靶面由监控计算机遥控辅助移动设备将其放倒，成为虚拟靶面。

两个高速线阵摄像机分别为第一和第二高速线阵摄像机，以一定间距安置在测试台底座的一条直线上，距离防护挡板近的为第一高速线阵摄像机，距离标定靶面近的为第二高速线阵摄像机，分别起到检测炮弹的作用，高速线阵摄像机检测到有炮弹穿过时即可触发各自相应的面阵摄像机，由面阵摄像机采集被测炮弹穿过两个虚拟靶面的图像并传输给嵌入式图像处理系统。

两个面阵摄像机与两个高速线阵摄像机在一条线上。第一面阵摄像机在防护挡板与第一高速线阵摄像机之间，第二面阵摄像机在第一高速线阵摄像机和第二高速线阵摄像机之间；第一面阵摄像机与第一高速线阵摄像机之间的距离等于第二面阵摄像机与第二高速线阵摄像机之间的距离。两个面阵摄像机的安装要尽量使标定靶面充满其各自的视场范围，同时与标定靶面的间距及其自身的仰角需保证采集到的虚拟靶面图像中不能同时出现两发炮弹，即当前炮弹进入测试区域时，前一发炮弹不能同时出现在图像中。为了满足对高速飞行炮弹的拍摄需求，面阵摄像机的曝光时间为μs级或以上，并由硬件触发曝光。

嵌入式图像处理系统由无线模块和嵌入式图像处理平台组成，用于实时处理两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机采集的图像，记录被测炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，计算出此时炮弹的速度，并得到炮弹穿越虚拟靶面的实际位置，由无线模块将测试结果发送到监控计算机。同时，嵌入式图像处理系统还担负着给面阵摄像机、辅助移动装置控制信号的任务。

为了得到不同位置的标定点数据，特对标定靶面设计了辅助移动装置，该装置由两个步进电机、导轨和滚轴丝杠等组成，由与标定靶面垂直的步进电机带动滚轴丝杠转动，实现标定靶面在导轨上前后移动。标定完毕后，为了不影响火炮射击，由嵌入式图像处理系统控制与标定靶面平行的步进电机将标定靶面放倒。

测试端设备中的两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、嵌入式图像处理系统及辅助移动装置中的两个步进电机均由可充电电池供电。

测试装置各部分之间的连接关系如图1所示。

两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、可充电电池、嵌入式图像处理系统和辅助移动装置等固定于测试台底座上，均放置在测试台底座的防护挡板与标定靶面之间。标定靶面的初始位置紧贴第二高速线阵摄像机所在位置，第一和第二高速线阵摄像机、第一和第二面阵摄像机安装在测试台底座的一条直线上，从防护挡板到标定靶面，依次为第一面阵摄像机、第一高速线阵摄像机、第二面阵摄像机、第二高速线阵摄像机。两个高速线阵摄像机镜头垂直向上，两个面阵摄像机镜头朝着标定靶面的方向，以满足视场范围的仰角安装。两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机分别通过数据线与嵌入式图像处理系统相连，采集的图像均传输到嵌入式图像处理系统进行处理，并由嵌入式图像处理系统中无线模块将测试结果发送到监控计算机。监控计算机通过无线模块接收测试端传来的测试结果，送至系统软件控制模块进行处理，并发送控制指令到测试端。标定靶面位于测试台底座远离炮位的一侧，安装于辅助移动装置上，可以进行前后移动，并能被监控计算机遥控放倒。辅助移动装置中的两个步进电机通过数据线与嵌入式图像处理系统相连。可充电电池与两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、嵌入式图像处理系统及辅助移动装置中的两个步进电机连接。

采用本发明提出的测试方法和测试装置，有以下有益效果：

(1)本发明由两个面阵摄像机和两个高速线阵摄像机组成双立虚拟靶面，可同时测试炮弹在某一距离处垂直向和水平向的攻角和着靶位置及相对射击精度。

(2)本发明利用双立靶求得的相对射击精度可为实际弹着点的射击精度提供参考。

(3)本发明中采用高速线阵摄像机可实时检测是否有炮弹穿过，以μs级时间触发面阵摄像机曝光并采集炮弹图像，高速线阵摄像机的扫描速度远小于两发炮弹的时间间隔，并且两个面阵摄像机可分别由硬件触发曝光，对其采集速度无要求，从触发到曝光结束所用的时间为μs级，足以满足其对高速飞行炮弹的拍摄需求。因此，即使在炮弹连发测试中，也能完成对每发炮弹的测试，能够避免出现现有方法中不能有效检测多发炮弹重叠过靶或脱靶的情况。

(4)本测试装置采用了无线网络进行实时数据传输，操作者可立刻看到测试结果，实时性好。

(5)本测试装置采用两个高速线阵摄像机可同时测试炮弹的瞬时速度。

(6)本测试装置两个面阵摄像机均由硬件触发曝光并采集炮弹穿过虚拟靶面的图像，不存在同步性问题。

(7)本测试装置测试过程中无需实靶。测试过程由人工在监控计算机上进行远程操纵控制，提高了整个测试过程的安全性。

附图说明

图1本发明一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置的测试装置的示意图；

图2本发明一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置的测试方法的面阵摄像机标定示意图；

图3本发明一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法的炮弹测速及攻角测试示意图；

图4本发明具体实施方式的炮弹坐标转换原理图；

图5本发明一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法的炮弹相对射击精度测试原理图

标号说明

1-炮弹，2-测试台底座，3-标定靶面，4-第一高速线阵摄像机、5-第二高速线阵摄像机，6-第一面阵摄像机、7-第二面阵摄像机，8-可充电电池，9-嵌入式图像处理系统，10-辅助移动装置，11-监控计算机，12-发光光源，13、14-步进电机，15-滚轴丝杠，16-导轨。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的及优点，下面结合附图及火炮实弹射击测试实例来进一步说明。

本发明所述的基于双立靶的炮弹攻角及着靶位置测试方法为：通过采用置于一条直线上的两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机形成双立靶。对标定靶面进行标定得到标定点数据以及实时检测炮弹穿行图像，同时由嵌入式图像处理系统对高速线阵摄像机采集的图像进行处理并记录炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，一旦监测到炮弹穿过高速线阵摄像机即刻发出触发信号给相应的面阵摄像机用于采集炮弹穿过各自虚拟靶面时的图像，然后传给嵌入式图像处理系统进行处理，由嵌入式图像处理系统的无线模块将测试结果发送到监控计算机，进行计算分析得到炮弹攻角及相对射击精度等性能指标。该方法制作的测试装置在测试过程中无需实靶，通过高速线阵摄像机实时检测炮弹，并触发面阵摄像机采集相应虚拟靶面图像，避免了重叠过靶还是脱靶不能区分的情况，安全性完全得到保证。

测试系统由被测高炮和测试装置组成。如图1所示，依据本发明所述的测试方法制作的测试装置由测试端和监控计算机11组成。其中测试端包括测试台底座2、标定靶面3、第一高速线阵摄像机4、第二高速线阵摄像机5、第一面阵摄像机6、第二面阵摄像机7、可充电电池8、嵌入式图像处理系统9和辅助移动装置10。

测试装置根据实际需求安置于被测火炮某一距离(本实施例为200m)处。所有设备均安装在测试台底座2上，测试台底座2为0.8×2.5(m²)的钢板材质。在测试台底座2距离火炮最近的边缘安装一块厚度40～50mm的钢板作为防护挡板，防止炮弹击中测试设备。第一高速线阵摄像机4和第二高速线阵摄像机5的间距为1.8m，第一面阵摄像机6与第一高速线阵摄像机4的距离和第二面阵摄像机7与第二高速线阵摄像机5的距离一样，均为0.2m，因此第一面阵摄像机6和第二面阵摄像机7的间距为1.8m，四者的数据接口方式均为高速通讯接口，并都安装在测试台底座的中心线上，此为拍摄的最佳位置。炮弹1首先经过第一高速线阵摄像机4，此时嵌入式图像处理系统9产生触发信号控制第一面阵摄像机6采集炮弹穿过虚拟靶面时的图像，然后经过第二高速线阵摄像机5，此时嵌入式图像处理系统9产生触发信号控制第二面阵摄像机7采集炮弹穿过虚拟靶面时的图像。虚拟靶面和标定靶面尺寸一致，是大小为1.5×1.5(m²)的四边形。两个高速线阵摄像机4和5的分辨率均为4096像素，行频为36kHz，镜头焦距为28mm。两个面阵摄像机6和7的分辨率为1400×1024像素，帧频为25帧/秒，曝光时间为μs级，镜头焦距为25mm。嵌入式图像处理系统9通过通讯接口实时得到两个高速线阵摄像机4和5采集的图像和两个面阵摄像机6和7采集的炮弹穿过虚拟靶面图像。测试端所有测试设备由可充电电池8供电。

两个高速线阵摄像机4和5、两个面阵摄像机6和7可分为两组：第一高速线阵摄像机4和第一面阵摄像机6为第一组摄像机，第二高速线阵摄像机5和第二面阵摄像机7为第二组摄像机。采用第一组摄像机进行系统测试原理可行性分析：

假设火炮的射频为f，炮弹在飞行到L处时，速度为v_L，则此时两个炮弹之间的距离为v_L/f。设嵌入式图像处理系统9检测到有炮弹穿过高速线阵摄像机4发出触发信号到面阵摄像机6曝光的时间为t_l，面阵摄像机6的曝光时间t_e，则炮弹穿过高速线阵摄像机4后在嵌入式图像处理系统9发出触发信号和面阵摄像机6曝光的时间内飞行的距离为v_L*(t_l+t_e)。实际被测火炮系统中，f＝20发/秒，v_L＝1000m/s，t_e＝25μs，则v_L/f＝50m，v_L*(t_l+t_e)＞v_L*t_e＝25mm，即在炮弹飞行到L米处时，两发炮弹间的距离为50米，炮弹穿过高速线阵摄像机4后在嵌入式图像处理系统9发出触发信号和面阵摄像机6曝光的时间内飞行的距离大于25mm。本发明中高速线阵摄像机4的扫描速度快，面阵摄像机6触发曝光的时间为μs级，则此时间间隔足以实现炮弹连发测试。

如采用第二组摄像机进行以上分析，其原理一样。

本发明一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法的主要工作流程如下：

步骤1，选取面阵摄像机7先对标定靶面3进行标定，得到标定点数据，以确定标定靶面3放倒成为虚拟靶面后，炮弹穿过虚拟靶面的实际位置。所形成的前后两个虚拟靶面位置与前后两个高速线阵摄像机4和5的位置对应。由于两个面阵摄像机6和7的安装方式相同，对于双立靶方案只需两个面阵摄像机6和7中的任何一个对标定靶面进行标定。

如图2所示，标定靶面3的初始位置贴近于第二高速线阵摄像机5所在位置，由辅助移动装置10前后移动标定靶面3，将标定靶面3依次放置在与第二高速线阵摄像机5不同距离D_i(i＝1，2，……)处，并由与辅助移动装置10相连的嵌入式图像处理系统9记录距离D_i。在每一位置处由面阵摄像机7采集标定靶面图像，分别记录标定点在图像中的坐标，并根据标定靶面3的实际尺寸1.5×1.5(m²)得到水平和垂直向图像点代表的实际距离，将每一个标定靶面3位置处的标定结果保存起来。

步骤2，在步骤1的标定完成后，启动测试装置并进行火炮瞄准。

火炮进行射击精度测试前需先开启测试端的设备。通过监控计算机11操作，发出控制指令并由无线模块传送到测试端开启测试设备，通过辅助移动装置10将标定靶面3竖立，并打开标定靶面3四周的发光光源12，操作人员操作火炮瞄准标定靶面3中心，瞄准结束后，操作监控计算机11发出控制指令由无线模块传送到嵌入式图像处理系统9以控制辅助移动装置10将标定靶面3放倒。

步骤3，在经过步骤2的火炮瞄准后，进行炮弹检测及瞬时速度测量。

两个高速线阵摄像机4和5实时检测是否有炮弹穿过，如图3所示。当有炮弹穿过高速线阵摄像机4时，记录此时刻为t₁，嵌入式图像处理系统9开始计时，并发出触发信号给面阵摄像机6进行采集炮弹穿过第一虚拟靶面的图像，炮弹穿过高速线阵摄像机5时结束计时，记录此时刻为t₂，同时嵌入式图像处理系统9发出触发信号给面阵摄像机7进行采集炮弹穿过第二个虚拟靶面时的图像。根据两个高速线阵摄像机4和5之间的距离D和测得的时间t₂-t₁，计算出此时炮弹的瞬时速度v＝D/(t₂-t₁)。并记录下第一高速线阵摄像机4检测到炮弹至其相应的第一面阵摄像机6成像所经过的时间t。

步骤4，在步骤3得到两幅炮弹穿过虚拟靶面的图像后，由嵌入式图像处理系统9对采集图像进行处理，得到图像中炮弹的图像坐标，如图3所示。采用第一组摄像机进行分析：根据步骤3中两个高速线阵摄像机4和5测得的炮弹瞬时速度v和第一高速线阵摄像机4检测到炮弹开始至第一面阵摄像机6成像所经过的时间t，得到高速线阵摄像机4与虚拟靶面的距离D_i＝v×t，以此确定选用标定靶面3中哪一位置处的标定数据。

然后根据标定靶面标定的数据和相关算法得到炮弹在虚拟靶面中的实际位置：由于面阵摄像机7置于标定靶面3前方，标定靶面3上标定点的成像位置(如图4a所示)并不是理想的矩形，而是梯形，如图4b所示。图像中炮弹的图像坐标计算方法如图4所示：由已知的参考点，可计算得到水平向的中点作为辅助参考点，连接各中点，将图像分割为4个区域，如图4b所示，并判断炮弹处于虚拟靶面的哪个区域；其次，通过原6个标定点和2个辅助参考点共8个点，计算出炮弹所在区域的四个顶点及四条边的中点，如图4c所示，再计算该区域的中心坐标；如此进行迭代运算，最终区域的中心和炮弹坐标相差小于某个阈值或大于某一迭代次数时结束。用最终区域的中心坐标作为炮弹的实际坐标，从而可以计算出炮弹在虚拟靶面上的实际位置，如图4d所示。

最后由无线模块将每个炮弹经过两个虚拟靶面的位置信息发送到监控计算机11进行实时显示、统计和处理。

步骤5，在步骤4监控计算机得到两幅虚拟靶面图像中炮弹的实际位置后，开始计算炮弹的攻角。以垂直攻角为例，如图3所示，由炮弹穿过两个虚拟靶面的实际位置得到偏移量为Δd，并且虚拟靶面间距离为D；则由于炮弹飞行速度快，间距D较小，则可近似认为一发炮弹穿越两个虚拟靶面时攻角不变，则攻角的计算公式为：α＝arctan(Δd/D)。

如图5所示，d₁₁，d₁₂分别为首发炮弹穿过虚拟靶面的垂直距离，则此时Δd＝d₁₂-d₁₁，首发炮弹的攻角α＝arctan(Δd/D)＝arctan((d₁₂-d₁₁)/D)；d₂₁，d₂₂分别为此发炮弹穿过虚拟靶面的垂直距离，则此时的Δd＝d₂₂-d₂₁，此发炮弹对应的攻角α′＝arctan(Δd/D)＝arctan((d₂₂-d₂₁)/D)。炮弹在飞行过程中，攻角可能是垂直向也可能是水平向的，本发明所提方法对垂直向和水平向的攻角测试原理相同。

步骤6，在步骤5得到炮弹的攻角后，可计算任意一发炮弹穿越某一距离处的相对射击精度Δα：Δα＝α′-α。其中，α为首发炮弹的攻角，α′为被测炮弹对应的攻角。该公式对计算炮弹在垂直向和水平向的相对射击精度均适用。

得到炮弹穿越某一距离处的相对射击精度Δα，如果实际炮弹弹着点在L米远处，则根据三角形原理在L米处炮弹的偏移距离ΔL＝L×tanΔα。因此通过各发炮弹在某一距离处的相对射击精度可分析炮弹在实际弹着点的射击精度。

Claims (5)

1.一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法，其特征在于：第一面阵摄像机、第一高速线阵摄像机、第二面阵摄像机、第二高速线阵摄像机依次置于一条直线上，共同形成双立靶，其中第二高速线阵摄像机距离标定靶面最近，并得到实际标定靶面上标定点数据；由嵌入式图像处理系统对两个高速线阵摄像机采集的图像进行处理并记录炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，一旦监测到炮弹穿过高速线阵摄像机即刻发出触发信号给相应的面阵摄像机，采集炮弹穿过标定靶面放倒后形成的虚拟靶面时的图像，通过面阵摄像机将采集的图像传给嵌入式图像处理系统进行处理，并将处理结果通过无线模块发送到监控计算机处理计算，得到炮弹攻角和相对射击精度性能指标；

该测试方法的具体实现步骤如下：

步骤1，面阵摄像机先对标定靶面进行标定，得到标定点数据，以确定标定靶面放倒成为虚拟靶面后，炮弹在虚拟靶面中的实际位置；

具体方法为：前后移动标定靶面，将标定靶面依次放置在前后不同位置，并由嵌入式图像处理系统记录移动的距离；在每一位置处由用于标定的面阵摄像机采集标定靶面图像，分别记录标定点在图像中的坐标，并根据标定靶面的实际尺寸得到水平和垂直向图像点代表的实际距离，将每一个标定靶面位置处的标定结果保存起来；所形成的前后两个虚拟靶面位置分别为第一个虚拟靶面、第二个虚拟靶面，分别与第一高速线阵摄像机、第二高速线阵摄像机的位置对应；

步骤2，在步骤1的标定完成后，启动测试装置并进行火炮瞄准；

火炮进行射击精度测试前，通过监控计算机操作，发出控制指令由无线模块传送到测试端开启测试设备，标定靶面竖立，并打开标定靶面四周的发光光源，操作人员操作火炮瞄准标定靶面中心，瞄准结束后，操作监控计算机发出控制指令由无线模块传送到嵌入式图像处理系统将标定靶面放倒成为虚拟靶面；

步骤3，在经过步骤2的火炮瞄准后，进行炮弹检测及瞬时速度测量；

测试端的两个高速线阵摄像机实时检测是否有炮弹穿过；当有炮弹穿过第一个高速线阵摄像机时，嵌入式图像处理系统开始计时，同时发出触发信号给第一个面阵摄像机采集炮弹穿过第一个虚拟靶面的图像，当穿越第二个高速线阵摄像机时结束计时，同时发出触发信号给第二个面阵摄像机进行炮弹穿过第二个虚拟靶面时的图像采集；嵌入式图像处理系统根据两个高速线阵摄像机之间的距离和炮弹穿越两个高速线阵摄像机所用的时间计算炮弹的瞬时速度，并记录下从任意一个高速线阵摄像机检测到炮弹至其相应的面阵摄像机成像所经过的时间；

步骤4，在步骤3中两个面阵摄像机得到两幅炮弹穿过虚拟靶面的图像后，传给嵌入式图像处理系统对采集图像进行处理，得到两幅图像中炮弹的图像坐标；根据步骤3中测得的炮弹速度和高速线阵摄像机检测到炮弹至相应的面阵摄像机成像所经过的时间，得到高速线阵摄像机与其对应的虚拟靶面的距离，以此确定选用标定靶面在哪一位置处的标定数据；然后根据标定靶面的数据和相关算法得到炮弹在虚拟靶面中的实际位置，并通过无线模块将每个炮弹经过两个虚拟靶面的位置信息发送到监控计算机；

步骤5，在步骤4监控计算机得到两幅虚拟靶面图像中炮弹的实际位置后，开始计算炮弹的攻角；由炮弹穿过两个虚拟靶面的实际位置得到偏移量为Δd，并且两个虚拟靶面间距离为D，由于炮弹飞行速度快，间距D较小，则可近似认为炮弹穿越两个虚拟靶面时攻角不变，则炮弹的攻角α＝arctan(Δd/D)；

步骤6，在步骤5得到炮弹的攻角后，可计算任意一发炮弹穿越某一距离处的相对射击精度Δα：Δα＝α′-α；其中，α为首发炮弹的攻角，α′为被测炮弹的攻角；通过各发炮弹在某一距离处的相对射击精度可分析各发炮弹在实际弹着点的射击精度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法，其特征在于：所述的步骤1中，由于两个面阵摄像机的安装方式相同，对于双立靶方案只需两个面阵摄像机中的任何一个对标定靶面进行标定。

3.根据权利要求1所述的一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法，其特征在于：所述的步骤5中攻角的计算方法对垂直向和水平向的攻角测试均适用。

4.根据权利要求1所述的一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试方法，其特征在于：所述的步骤6中相对射击精度公式对计算炮弹在垂直向和水平向的相对射击精度均适用。

5.一种基于双立靶的炮弹攻角与着靶位置测试装置，其特征在于：包括监控计算机和测试端；

其中，测试端包括测试台底座、标定靶面、两个高速线阵摄像机、两个高速线阵摄像机、嵌入式图像处理系统、辅助移动装置、可充电电池；用于执行测试过程中的标定、拍摄图像及计算处理任务；

置于炮位的监控计算机其中设计了无线模块，一方面用于接收测试端传来的测试结果，另一方面用于发送监控端的控制指令；监控计算机还带有系统软件控制模块、显示器、打印机，系统软件控制模块用于计算炮弹攻角与相对射击精度性能指标、存储计算结果和发出控制指令；显示器用于显示测试过程及结果，供操作员操作；打印机用于打印输出；

所述的测试台底座用来放置测试端的其他测试设备，起到固定设备的作用；测试台底座为普通平板结构，在距离火炮最近的测试台底座边缘安装一个厚度适中的钢板作为防护挡板，防止炮弹击中测试设备；

所述的标定靶面为框架结构，边框上有多个发光二极管，作为辅助光源用于火炮瞄准以及标定用参考点；标定靶面由辅助移动装置前后移动；在面阵摄像机对其标定和瞄准结束、开始测试时，标定靶面由监控计算机遥控辅助移动设备将其放倒，成为虚拟靶面；

所述的两个高速线阵摄像机分别为第一和第二高速线阵摄像机，以一定间距安置在测试台底座的一条直线上，距离防护挡板近的为第一高速线阵摄像机，距离标定靶面近的为第二高速线阵摄像机，分别起检测炮弹的作用，第一和第二高速线阵摄像机检测到有炮弹穿过时分别触发各自相应的面阵摄像机，由第一和第二面阵摄像机采集被测炮弹穿过两个虚拟靶面的图像，并传输给嵌入式图像处理系统；

所述的两个面阵摄像机与两个高速线阵摄像机在一条直线上；第一面阵摄像机在防护挡板与第一高速线阵摄像机之间，第二面阵摄像机在第一高速线阵摄像机和第二高速线阵摄像机之间；第一面阵摄像机与第一高速线阵摄像机之间的距离等于第二面阵摄像机与第二高速线阵摄像机之间的距离；两个面阵摄像机的安装要尽量使标定靶面充满其各自的视场范围，同时与标定靶面的间距及其自身的仰角需保证采集到的虚拟靶面图像中不能同时出现两发炮弹；为了满足对高速飞行炮弹的拍摄需求，面阵摄像机的曝光时间为μs级或以上，由硬件触发曝光；

所述的嵌入式图像处理系统由无线模块和嵌入式图像处理平台组成，用于实时处理两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机采集的图像，记录被测炮弹穿过两个高速线阵摄像机的时间，计算炮弹的速度，并得到炮弹穿越虚拟靶面的实际位置，由无线模块将测试结果发送到监控计算机；嵌入式图像处理系统还担负着给面阵摄像机、辅助移动装置控制信号的任务；

所述的辅助移动装置，该装置由两个步进电机、导轨和滚轴丝杠组成，由与标定靶面垂直的步进电机带动滚轴丝杠转动，实现标定靶面在导轨上前后移动；标定完毕后，为了不影响火炮射击，由嵌入式图像处理系统控制与标定靶面平行的步进电机将标定靶面放倒；

所述的可充电电池为两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、嵌入式图像处理系统及辅助移动装置中的两个步进电机供电；

测试装置各部分之间的连接关系为：

两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、可充电电池、嵌入式图像处理系统和辅助移动装置固定于测试台底座上，均放置在测试台底座的防护挡板与标定靶面之间；标定靶面的初始位置紧贴第二高速线阵摄像机所在位置，第一和第二高速线阵摄像机、第一和第二面阵摄像机安装在测试台底座的一条直线上，从防护挡板到标定靶面，依次为第一面阵摄像机、第一高速线阵摄像机、第二面阵摄像机、第二高速线阵摄像机；两个高速线阵摄像机镜头垂直向上，两个面阵摄像机镜头朝着标定靶面的方向，以满足视场范围的仰角安装；两个高速线阵摄像机和两个面阵摄像机分别通过数据线与嵌入式图像处理系统相连，采集的图像均传输到嵌入式图像处理系统进行处理，并由嵌入式图像处理系统中无线模块将测试结果发送到监控计算机；监控计算机通过无线模块接收测试端传来的测试结果，送至系统软件控制模块进行处理，并发送控制指令到测试端；标定靶面位于测试台底座远离炮位的一侧，安装于辅助移动装置上，可以进行前后移动，并能被监控计算机遥控放倒；辅助移动装置中的两个步进电机通过数据线与嵌入式图像处理系统相连；可充电电池与两个高速线阵摄像机、两个面阵摄像机、嵌入式图像处理系统及辅助移动装置中的两个步进电机连接。