CN109829945A - 一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法，包括：获得破片图像的质心像素坐标；计算所述破片的空间三维位置坐标参数；分别建立坐标系；获得弹丸爆炸瞬间的破片静态分布函数；获得破片动态分布函数；建立基于矩形单元的目标毁伤数学模型；获得所述破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与所述目标毁伤之间的关联模型；获得所述破片场对所述目标的毁伤概率以及侵彻厚度。本发明能够获得针对破片场对于随机性目标毁伤的计算方法，为目标毁伤评估进行进一步的研究提供了理论性的依据。
Description
技术领域
本发明涉及光电测试技术领域，尤其涉及一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法。
背景技术
战斗部爆炸形成的破片或冲击波会对目标造成结构或功能上的损伤，由于冲击波传播过程中强度衰减迅速，所以其杀伤范围十分有限。但是破片以其质量进行高速度撞击和击穿目标,会对目标造成不同程度的毁伤效能。毁伤效能是武器系统作战效能评估中最重要的性能指标，破片对于目标毁伤效能的优劣决定着弹药武器毁伤目标的可行性和有效性。高空炸点毁伤系统中存在目标高速性、炸点分布随机性以及破片的广泛分布性等特点，增大了毁伤系统对目标毁伤效能评估的难度，为了准确的评估破片场对于目标的毁伤效能，需建立破片场分布与目标毁伤的时空关联模型。
针对目标毁伤效能的研究，主要集中在破片毁伤元或破片模拟弹丸对目标的侵彻作用和目标易损特性两个方面，通过增强侵彻能力、增大杀伤面积、提高命中精度等措施提高目标毁伤评估的精准度；针对破片场分布对目标毁伤效能的研究，主要集中在一定区域范围内或者特定环境下定距、定爆中的毁伤效能评估方面；而对于动态高速弹丸毁伤目标的效能评估方法缺乏广泛、深入、系统的研究，由于弹丸破片场的分布是随机的、不确定的，并且在弹丸的爆炸瞬间，产生类似于锥形罩的破片场，破片的空间位置不一，导致破片对目标毁伤的效能也不同；现有的计算方法无法满足当前的弹丸近炸破片场对目标毁伤效能的客观评估。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法，其特征在于包括以下步骤：
将第一光场相机和第二光场相机分别对称布置在飞行弹道的两侧，当发射装置发射弹丸时，图像采集单元连续接收并处理第一光场相机和第二光场相机所采集到的图片，获得破片图像的质心像素坐标；
利用质心像素坐标，建立空间几何模型并计算破片的空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)；
分别建立弹体坐标系(Xm,Ym,Zm)、目标坐标系(Xt,Yt,Zt)、弹体速度坐标系(Xmv,Ymv,Zmv)、目标速度坐标系(Xtv,Ytv,Ztv)、相对速度坐标系(Xr,Yr,Zr)以及大地坐标系(X,Y,Z)，获取坐标系之间的转换关系；
利用空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)，获得t0与ti时刻同一破片的空间位置与对同一破片不同时刻的位置坐标进行差值计算，获得每个破片的飞行矢量方向ω与速度V0，获得弹丸爆炸瞬间的破片静态分布函数；
建立弹体速度关联模型，将破片速度V0与目标速度Vt0转换到相对的速度坐标系XrYrZr中，获得破片相对地面坐标系(XYZ)的破片密度函数F1(φ)和速度分布函数V1(φ)以及相对目标坐标系(XtYtZt)的破片密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)；
对目标划分成m个易损舱段，并对易损舱段进行矩形有限元单元划分，建立基于矩形单元的目标毁伤数学模型；
建立破片场与目标的交汇模型，判断破片微元面与目标的交汇情况，获得破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与目标毁伤之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)；
根据破片的运动轨迹与破片场和单一矩形目标面元的交汇情况，判断落于目标表面的破片分布密度F(Xi,Yi,Zi)，破片的落速Vc以及破片与目标的交汇角ψ，获得破片场对目标的毁伤概率P以及侵彻厚度Lk。
在一些实施例中，计算破片的空间三维位置坐标参数的步骤如下：
通过改变位置参数a和第一光场相机和第二光场相机的焦距f使得空间中的破片重新聚焦于新的像平面上形成清晰的像，获得重聚焦后破片图像的质心像素坐标(xi,yi)，表示如下：
其中，(ui,vi)是光束进入面阵CCD相机的微透镜阵列的位置坐标，(xi',yi')是空间破片在重聚焦之前的破片图像的质心像素坐标；
以目标在X轴上的投影点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，计算空间中各个破片与两个光轴的夹角在XY平面的投影角γ1i与γ2i，其中，(x1i,y1i)与(x2i,y2i)分别是第一光场相机与第二光场相机所获取得破片图像的质心像素坐标，γ1i与γ2i的计算如下：
计算破片相对于目标的空间三维位置坐标(Xi,Yi,Zi)，表示如下：
其中，H为被毁目标的空间高度，第一光场相机的仰角为θ1，其还是光轴与相机基线的夹角，第二光场相机的仰角为θ2，ε1i与ε2i是破片与两个光轴之间的夹角，d是第一光场相机和第二光场相机之间的距离。
在一些实施例中，获得弹丸爆炸瞬间的破片静态分布函数包括：将动态条件下的破片场划分为n个破片微元面，获得弹丸爆炸瞬间每一个破片微元面的破片静态分布函数，其中，静态分布函数包括破片密度分布函数与破片的初速分布函数。
在一些实施例中，计算破片密度分布函数和破片的初速分布函数的步骤如下：
假设目标以Vt0进行匀速直线运动，则目标到达预定点的时间为T，表示如下：
其中，H为被毁目标的空间高度，ω为破片的飞行方向角，g是重力加速度，根据破片的空间三维位置坐标，利用前一时刻的与后一时刻的破片位置做差值得到(ΔXi,ΔYi,ΔZi)，而则每一个破片的飞行方向角ω与速度V0表示如下：
给定破片的平均形状、平均质量mf和破片总数量N，假设破片的飞散方向角为φc和飞散角Δφ，φ是某一枚破片的飞散角，σφ为φc的数学期望，V0为破片飞行的初速度，V0介于破片的最大速度Vmax与破片最小速度Vmin之间，破片的分布密度呈平缓的正态分布，考虑破片初速沿飞散角的变化，则有破片的静态密度分布函数F0(φ)与破片的速度分布函数V0(φ)如下式所示：
V0(φ)＝V0cos{[2arccos(Vmin/Vmax)/Δφ]·(φ-φc)}。
在一些实施例中，获得破片相对地面坐标系(XYZ)的动态破片密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和速度分布函数v1(r1,φv1,Ω1)以及相对目标坐标系(XtYtZt)的动态破片密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)包括：将破片的速度参数V0与目标的速度参数Vt0转换到相对速度坐标系中，计算破片的动态分布参数，步骤如下：
相对地面坐标系而言，假设破片的动态飞散角φv1，周相角为Ω1，破片的空间位置到目标的距离为r1，-KH为速度衰减系数，vmx是破片速度在x轴上的分量，则破片的空间密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和破片的速度分布v1(r1,φv1,Ω1)表示如下：
v1(r1,φv1,Ω1)＝v01(r1,φv1)exp(-KH·r1)
v01(r1,φv1)＝vmx+v0(φ)cos(φ)
在相对目标速度坐标系中，vt是被毁目标的速度，v1和v2分别是破片前一时刻的速度与后一时刻的速度，则破片的空间密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和破片的速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)表示如下：
v2(r2,φv2,Ω2)＝v1(r1,φv,Ω1)-vt。
在一些实施例中，获得破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与目标毁伤之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)包括：
破片微元面与目标易损区方体单元格交汇，获得两者交汇面的面积以及交汇面上的破片数量Nf以及分布密度函数F(Xi,Yi,Zi)，当目标坐标系(XtYtZt)和弹体坐标系(XmYmZm)平行或者两个坐标之间的夹角为90°时，破片微元面与目标易损区方体单元格的交汇面为矩形，若目标坐标系和弹体坐标系夹角为锐角时，空间交汇面不唯一；
计算破片微元面与目标易损区交汇面的面积Si，即为目标的毁伤面积；
在弹丸爆炸瞬间，即t0＝0时刻，破片所在位置为经过ti时间后，破片的飞行轨迹与矩形交汇面ABCD所在平面交于点Pi，利用轨迹线法求出破片运动轨迹与交汇面的交点坐标(XP,YP,ZP)，并求出破片的落角ψ，建立破片的空间位置坐标与目标毁伤的关联模型G(Xi,Yi,Zi)；
通过破片和目标的速度方向矢量，将目标与破片的速度叠加到相对坐标系中，利用破片速度的衰减系数Kk，计算破片毁伤目标的动能E和破片与目标面元交点的偏移量。
在一些实施例中，获得破片场对目标的毁伤概率P以及侵彻厚度Lk包括：
当目标的飞行角度发生变化时，假设vr为破片与目标的相对速度，则作用在目标单一面元的破片散布与目标之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)如下：
设G(Xi,Yi,Zi)为破片坐标对于被毁目标的毁伤规律，G(Xi,Yi,Zi)表示破片在相对于目标的特定空间点(Xi,Yi,Zi)对该目标造成的毁伤概率。F(Xi,Yi,Zi)为破片落于目标的密度，利用弹丸破片对目标易损性舱段和单一目标面元贡献的毁伤面积Si，则可以得到基于破片散布的多维角度目标毁伤概率函数P：
根据破片与目标的相对速度和破片毁伤目标的动能E，考虑目标对于破片的阻力系数Kk，基于动量守恒定律，求出破片散布对弹丸造成的侵彻厚度Lk。
式中，Vc是破片的落速，ψ为破片的落角，λ是与破片形状有关的系数，Di为不同形状破片的直径大小，Kk是阻力系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用破片的空间三维位置坐标，建立破片的分布与目标毁伤之间的关联模型，探讨破片的不同空间位置对于目标毁伤效能的影响，研究了一种针对破片场对于随机性目标毁伤的计算方法。利用弹丸近炸所形成的破片场对目标进行侵彻毁伤，给出了详细的关联计算方法，为目标毁伤评估进行进一步的研究提供了理论性的依据。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。
本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1是本发明涉及的近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估装置的布置示意图；
图2是本发明涉及的破片群空间散布与目标毁伤的关联计算方法的流程图；
图3是本发明涉及的弹丸近炸破片群空间三维坐标的测量与计算方法示意图；
图4是本发明涉及的多维空间坐标系转换示意图；
图5是本发明涉及的弹目交汇示意图；
图6是本发明涉及的破片微元面与矩形目标面元的交汇示意图。
附图标记：
1-第一光场相机；2-第二光场相机；3-图像处理装置；4-面阵CCD光学镜头；5-微透镜阵列；6-控制模块；7-采集单元；8-CCD光敏面；10-弹丸。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
下面将以具体实施例的方式详细介绍本发明的技术方案，本实施例涉及一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法，上述的目标毁伤评估方法通过近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估装置针对弹丸破坏目标的毁伤情况进行评估，其中，目标毁伤评估装置的结构和布置如图1所示。
本实施例中的目标毁伤评估装置包括第一光场相机1、第二光场相机2和图像处理装置3，其中，弹丸10从射击位置处由发射装置发射并沿直线飞行，第一光场相机1和第二光场相机2分别相对于弹丸10的飞行弹道对称分布，其中，第一光场相机1和第二光场相机2均以一定角度朝向弹丸10的飞行弹道设置，第一光场相机1和第二光场相机2配置为采集弹丸撞击目标发生近炸时的图像；进一步地，弹丸10与目标相撞击的炸点位于第一光场相机1和第二光场相机2连线的中心，其中，弹丸10与目标的炸点与射击位置相距为L；图像处理装置3与第一光场相机1和第二光场相机2通过线缆等有线或者无线方式连接。进一步地，第一光场相机1或者第二光场相机2包括面阵CCD光学镜头4、微透镜阵列5、控制模块6和采集单元7，控制模块6与面阵CCD光学镜头4和微透镜阵列5相连接并控制面阵CCD光学镜头4和微透镜阵列5，在面阵CCD相机3内部还具有CCD光敏面8。
通过采用上面所述的目标毁伤评估装置，本实施例还涉及一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法，其用于对弹丸10撞击目标后的毁伤进行评估，具体包括以下步骤：
步骤S1，将第一光场相机1和第二光场相机2分别对称布置在飞行弹道的两侧，当发射装置发射弹丸10时，图像采集单元连续接收第一光场相机1和第二光场相机2所采集到的图片并利用灰度边缘递减的图像处理算法进行处理，获得弹丸10形成每一破片的图像的质心像素坐标；
步骤S2，基于双目视觉的测试方法，结合数字重聚焦原理，利用通过上述步骤1获得的破片图像的质心像素坐标进而获得重聚焦后的破片图像的质心像素坐标，如图3所示，建立空间几何模型并计算破片的空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)；
进一步地，在步骤2中，破片的空间三维位置坐标参数的计算步骤如下：
步骤S21，根据数字重聚焦原理，具体地，通过改变位置参数a和第一光场相机1和第二光场相机2的焦距f使得空间中的破片可重新聚焦于新的像平面上形成清晰的像，经过图像处理技术得到重聚焦后破片图像的质心像素坐标(xi,yi)，如下：
其中，(ui,vi)是光束进入面阵CCD相机3的微透镜阵列5的位置坐标，(xi',yi')是空间破片在重聚焦前的破片图像的质心像素坐标；
步骤S22，假设第一光场相机1和第二光场相机2的光轴穿过目标，以目标在X轴上的投影点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，计算空间中各个破片与两个光轴的夹角在XY平面的投影角γ1i与γ2i，其中，(x1i,y1i)与(x2i,y2i)分别是第一光场相机1与第二光场相机2所获取得破片图像的质心像素坐标，γ1i与γ2i的计算方法如下：
步骤S23，根据图3所建立的空间几何模型，计算破片相对于目标的空间三维位置坐标(Xi,Yi,Zi)，具体如下所示：
其中，H为被毁目标的空间高度，第一光场相机1的仰角为θ1，其还是光轴与相机基线的夹角，第二光场相机2的仰角为θ2，ε1i与ε2i是破片与两个光轴之间的夹角，d是第一光场相机1和第二光场相机2之间的距离；
步骤3：如图4所示，分别建立弹体坐标系(Xm,Ym,Zm)、目标坐标系(Xt,Yt,Zt)、弹体速度坐标系(Xmv,Ymv,Zmv)、目标速度坐标系(Xtv,Ytv,Ztv)、相对速度坐标系(Xr,Yr,Zr)以及大地坐标系(X,Y,Z)，获取上述所有坐标系之间的转换关系；
步骤S4：通过匹配破片场中多个目标，利用上述步骤S2所计算出的破片的空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)，获得t0与ti时刻同一破片的空间位置与对同一破片不同时刻的位置坐标进行差值计算，获得每个破片的飞行矢量方向ω与速度V0。
其中，在上述步骤S3所述的坐标系中，具体地，将动态条件下的破片场划分为n个破片微元面，获得弹丸爆炸瞬间每一个破片微元面的破片静态分布函数，其中，静态分布函数包括破片密度分布函数与破片的初速分布函数。
更为具体地，在上述步骤S4中，计算破片密度分布函数和破片的初速分布函数的步骤如下：
步骤S41，假设目标以Vt0进行匀速直线运动，则目标到达预定点的时间为T，其具体表达式如下：
其中，H为被毁目标的空间高度，ω为破片的飞行方向角，g是重力加速度，根据上述步骤S2所获得的破片的空间三维位置坐标，利用前一时刻的与后一时刻的破片位置做差值得到(ΔXi,ΔYi,ΔZi)，而则每一个破片的飞行方向角ω与速度V0如下式所示：
步骤S42，给定破片的平均形状、平均质量mf和破片总数量N，假设破片的飞散方向角为φc和飞散角Δφ，φ是某一枚破片的飞散角，σφ为φc的数学期望，V0为破片飞行的初速度，V0介于破片的最大速度Vmax与破片最小速度Vmin之间，破片的分布密度呈平缓的正态分布，考虑破片初速沿飞散角的变化，则有破片的静态密度分布函数F0(φ)与破片的速度分布函数V0(φ)如下式所示：
V0(φ)＝V0cos{[2arccos(Vmin/Vmax)/Δφ]·(φ-φc)}(8)
步骤5：建立弹体速度关联模型，将破片速度V0与目标速度Vt0转换到相对的速度坐标系XrYrZr中，得到破片相对地面坐标系(XYZ)的动态破片密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和速度分布函数v1(r1,φv1,Ω1)以及相对目标坐标系(XtYtZt)的动态破片密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)。
具体的，在上述步骤5中，将破片的速度参数V0与目标的速度参数Vt0转换到上述步骤3所建立的相对速度坐标系XrYrZr中，在破片速度变化的基础上，计算破片的动态分布参数的步骤如下：
步骤S51，相对地面坐标系XYZ而言，假设破片的动态飞散角φv1，周相角为Ω1，破片的空间位置到目标的距离为r1，-KH为速度衰减系数，vmx是破片速度在x轴上的分量，则有破片的空间密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和破片的速度分布v1(r1,φv1,Ω1)如下：
v1(r1,φv1,Ω1)＝v01(r1,φv1)exp(-KH·r1)(10)
v01(r1,φv1)＝vmx+v0(φ)cos(φ)(11)
步骤S52，在相对目标速度坐标系中，vt是被毁目标的速度，v1和v2分别是破片前一时刻的速度与后一时刻的速度，则破片的空间密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和破片的速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)如下：
v2(r2,φv2,Ω2)＝v1(r1,φv,Ω1)-vt(13)
步骤6：基于有限元分析原理，对目标划分成m个易损舱段，并对易损舱段进行矩形有限元单元划分，建立基于矩形单元的目标毁伤数学模型；
步骤7：建立破片场与目标的交汇模型，如图5所示，在所建立的空间坐标系中，将每个破片的运动轨迹视为一条射线，破片沿射线运动，根据射线的方向和目标的描述，判断破片微元面与目标的交汇情况，如图6所示，由此获得破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与目标毁伤之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)。具体包括以下步骤：
步骤S71，破片微元面与目标易损区方体单元格交汇，求出两者交汇面的面积以及交汇面上的破片数量Nf以及分布密度函数F(Xi,Yi,Zi)，当目标坐标系(XtYtZt)和弹体坐标系(XmYmZm)平行或者两个坐标之间的夹角为90°时，破片微元面与目标易损区方体单元格的交汇面为矩形，若目标坐标系和弹体坐标系夹角为锐角时，空间交汇面不唯一，如图6所示；
步骤S72，计算破片微元面与目标易损区交汇面的面积Si，即为目标的毁伤面积；
步骤S73，在弹丸爆炸瞬间，即t0＝0时刻，破片所在位置为经过ti时间后，破片的飞行轨迹与矩形交汇面ABCD所在平面交于点Pi，利用轨迹线法求出破片运动轨迹与交汇面的交点坐标(XP,YP,ZP)，并求出破片的落角ψ，建立破片的空间位置坐标与目标毁伤的关联模型G(Xi,Yi,Zi)；
步骤S74，通过破片和目标的速度方向矢量，将目标与破片的速度叠加到相对坐标系中，利用破片速度的衰减系数Kk，计算破片毁伤目标的动能E和破片与目标面元交点的偏移量。
步骤8：根据破片的运动轨迹与破片场和单一矩形目标面元的交汇情况，判断落于目标表面的破片分布密度F(Xi,Yi,Zi)，破片的落速Vc以及破片与目标的交汇落角ψ，获得破片场对目标的毁伤概率P以及侵彻厚度Lk。
步骤S81，根据上述步骤6，当目标的飞行角度发生变化时，假设vr为破片与目标的相对速度，则作用在目标单一面元的破片散布与目标之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)如下：
步骤S82，根据目标有限元模型，设G(Xi,Yi,Zi)为破片坐标对于被毁目标的毁伤规律，G(Xi,Yi,Zi)表示破片在相对于目标的特定空间点(Xi,Yi,Zi)对该目标造成的毁伤概率。F(Xi,Yi,Zi)为破片落于目标的密度，利用弹丸破片对目标易损性舱段和单一目标面元贡献的毁伤面积Si，则可以得到基于破片散布的多维角度目标毁伤概率函数P：
步骤S83，根据破片与目标的相对速度和破片毁伤目标的动能E，考虑目标对于破片的阻力系数Kk，基于动量守恒定律，求出破片散布对弹丸造成的侵彻厚度Lk。
式中，Vc是破片的落速，ψ为破片的落角，λ是与破片形状有关的系数，Di为不同形状破片的直径大小，在预制破片弹中，破片的形状通常为球形、圆柱和长方体，Kk是阻力系数，在破片飞散的过程中，不仅要考虑空气阻力对破片的飞散速度造成的影响，同时要研究破片穿过目标时，目标本身对于破片的阻力大小，根据动量守恒定律，当破片的阻力与破片的动能相等时，破片达到静止，对目标造成了最大的侵彻厚度。
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种近炸破片分布场弹目交汇的目标毁伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一光场相机和第二光场相机分别对称布置在飞行弹道的两侧，当发射装置发射弹丸时，图像采集单元连续接收并处理所述第一光场相机和所述第二光场相机所采集到的图片，获得破片图像的质心像素坐标；
利用所述质心像素坐标，建立空间几何模型并计算所述破片的空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)；
分别建立弹体坐标系(Xm,Ym,Zm)、目标坐标系(Xt,Yt,Zt)、弹体速度坐标系(Xmv,Ymv,Zmv)、目标速度坐标系(Xtv,Ytv,Ztv)、相对速度坐标系(Xr,Yr,Zr)以及地面坐标系(X,Y,Z)，获取坐标系之间的转换关系；
利用所述空间三维位置坐标参数(Xi,Yi,Zi)，获得t0与ti时刻同一所述破片的空间位置与对同一所述破片不同时刻的位置坐标进行差值计算，获得每个所述破片的飞行矢量方向ω与速度V0，获得弹丸爆炸瞬间的破片静态分布函数；
建立弹体速度关联模型，将破片所述速度V0与目标速度Vt0转换到相对的所述速度坐标系XrYrZr中，获得所述破片相对地面坐标系(XYZ)的破片密度函数F1(φ)和速度分布函数V1(φ)以及相对目标坐标系(XtYtZt)的破片密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)；
对所述目标划分成m个易损舱段，并对所述易损舱段进行矩形有限元单元划分，建立基于矩形单元的目标毁伤数学模型；
建立破片场与目标的交汇模型，判断所述破片微元面与所述目标的交汇情况，获得所述破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与所述目标毁伤之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)；
根据所述破片的运动轨迹与所述破片场和单一矩形目标面元的交汇情况，判断落于所述目标表面的破片分布密度F(Xi,Yi,Zi)，所述破片的落速Vc以及所述破片与所述目标的交汇角ψ，获得所述破片场对所述目标的毁伤概率P以及侵彻厚度Lk。
2.根据权利要求1所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，计算所述破片的空间三维位置坐标参数的步骤如下：
通过改变位置参数a和所述第一光场相机和所述第二光场相机的焦距f使得空间中的所述破片重新聚焦于新的像平面上形成清晰的像，获得重聚焦后的破片图像的质心像素坐标(xi,yi)，表示如下：
其中，(ui,vi)是光束进入面阵CCD相机的微透镜阵列的位置坐标，(xi',yi')是空间破片在重聚焦之前的破片图像的质心像素坐标；
以目标在X轴上的投影点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，计算空间中各个所述破片与两个光轴的夹角在XY平面的投影角γ1i与γ2i，其中，(x1i,y1i)与(x2i,y2i)分别是所述第一光场相机与所述第二光场相机所获取得破片图像的质心像素坐标，γ1i与γ2i的计算如下：
计算所述破片相对于所述目标的所述空间三维位置坐标(Xi,Yi,Zi)，表示如下：
其中，H为被毁目标的空间高度，第一光场相机的仰角为θ1，其还是光轴与相机基线的夹角，第二光场相机的仰角为θ2，ε1i与ε2i是破片与两个光轴之间的夹角，d是第一光场相机和第二光场相机之间的距离。
3.根据权利要求1所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，所述获得弹丸爆炸瞬间的破片静态分布函数包括：将动态条件下的破片场划分为n个破片微元面，获得弹丸爆炸瞬间每一个所述破片微元面的破片静态分布函数，其中，静态分布函数包括破片密度分布函数与破片的初速分布函数
4.根据权利要求3所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，计算所述破片密度分布函数和所述破片的初速分布函数的步骤如下：
假设目标以Vt0进行匀速直线运动，则目标到达预定点的时间为T，表示如下：
其中，H为被毁目标的空间高度，ω为破片的飞行方向角，g是重力加速度，根据所述破片的空间三维位置坐标，利用前一时刻的与后一时刻的破片位置做差值得到(ΔXi,ΔYi,ΔZi)，而则每一个所述破片的飞行方向角ω与速度V0表示如下：
给定所述破片的平均形状、平均质量mf和破片总数量N，假设所述破片的飞散方向角为φc和飞散角Δφ，φ是某一枚所述破片的飞散角，σφ为φc的数学期望，V0为破片飞行的初速度，V0介于所述破片的最大速度Vmax与破片最小速度Vmin之间，所述破片的分布密度呈平缓的正态分布，考虑破片初速沿飞散角的变化，则有破片的静态密度分布函数F0(φ)与破片的速度分布函数V0(φ)如下式所示：
V0(φ)＝V0cos{[2arccos(Vmin/Vmax)/Δφ]·(φ-φc)}。
5.根据权利要求1所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，所述获得所述破片相对地面坐标系(XYZ)的动态破片密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和速度分布函数v1(r1,φv1,Ω1)以及相对目标坐标系(XtYtZt)的动态破片密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)包括：将所述破片的速度参数V0与所述目标的速度参数Vt0转换到所述相对速度坐标系中，计算破片的动态分布参数，步骤如下：
相对所述地面坐标系而言，假设所述破片的动态飞散角φv1，周相角为Ω1，所述破片的空间位置到目标的距离为r1，-KH为速度衰减系数，vmx是破片速度在x轴上的分量，则所述破片的空间密度函数F1(r1,φv1,Ω1)和破片的速度分布v1(r1,φv1,Ω1)表示如下：
v1(r1,φv1,Ω1)＝v01(r1,φv1)exp(-KH·r1)
v01(r1,φv1)＝vmx+v0(φ)cos(φ)
在相对目标速度坐标系中，vt是被毁目标的速度，v1和v2分别是破片前一时刻的速度与后一时刻的速度，则所述破片的空间密度函数F2(r2,φv2,Ω2)和破片的速度分布函数v2(r2,φv2,Ω2)表示如下：
v2(r2,φv2,Ω2)＝v1(r1,φv,Ω1)-vt。
6.根据权利要求1所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，所述获得所述破片的位置、速度、方向矢量、破片大小以及形状与所述目标毁伤之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)包括：
破片微元面与目标易损区方体单元格交汇，获得两者交汇面的面积以及交汇面上的破片数量Nf以及分布密度函数F(Xi,Yi,Zi)，当目标坐标系(XtYtZt)和弹体坐标系(XmYmZm)平行或者两个坐标之间的夹角为90°时，破片微元面与目标易损区方体单元格的交汇面为矩形，若目标坐标系和弹体坐标系夹角为锐角时，空间交汇面不唯一；
计算破片微元面与目标易损区交汇面的面积Si，即为目标的毁伤面积；
在弹丸爆炸瞬间，即t0＝0时刻，破片所在位置为经过ti时间后，破片的飞行轨迹与矩形交汇面ABCD所在平面交于点Pi，利用轨迹线法求出破片运动轨迹与交汇面的交点坐标(XP,YP,ZP)，并求出破片的落角ψ，建立破片的空间位置坐标与目标毁伤的关联模型G(Xi,Yi,Zi)；
通过破片和目标的速度方向矢量，将目标与破片的速度叠加到相对坐标系中，利用破片速度的衰减系数Kk，计算破片毁伤目标的动能E和破片与目标面元交点的偏移量。
7.根据权利要求1所述的目标毁伤评估方法，其特征在于，所述获得所述破片场对所述目标的毁伤概率P以及侵彻厚度Lk包括：
当目标的飞行角度发生变化时，假设vr为破片与目标的相对速度，则作用在目标单一面元的破片散布与目标之间的关联模型G(Xi,Yi,Zi)如下：
设G(Xi,Yi,Zi)为破片坐标对于被毁目标的毁伤规律，G(Xi,Yi,Zi)表示破片在相对于目标的特定空间点(Xi,Yi,Zi)对该目标造成的毁伤概率；F(Xi,Yi,Zi)为破片落于目标的密度，利用弹丸破片对目标易损性舱段和单一目标面元贡献的毁伤面积Si，则可以得到基于破片散布的多维角度目标毁伤概率函数P：
根据破片与目标的相对速度和破片毁伤目标的动能E，考虑目标对于破片的阻力系数Kk，基于动量守恒定律，求出破片散布对弹丸造成的侵彻厚度Lk；
式中，Vc是破片的落速，ψ为破片的落角，λ是与破片形状有关的系数，Di为不同形状破片的直径大小，Kk是阻力系数。
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