CN110844068B - 一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统及其采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统及其采集方法。本发明采用将多个安装了减速伞装置的采集装置设置在宿主弹药的凹槽内，盖板通过连接件安装在宿主弹药的壳体上；采集装置和减速伞装置均通过触发件连接至系留杆件上；当宿主弹药发射后，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；采集装置采集下方的图像数据并向外发送；通过多个传感器进行协同的图像采集，有效地扩大了对地图像采集的采集视场，从而增大了对弹药落点区域进行探测的有效性；结合红外、紫外和可见光的三模图像信息采集，多个采集装置分工采集，获得了弹药落点区域多光谱带的图像信息。

Description

一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统及其采集方法
技术领域
本发明涉及弹药毁伤评估技术，具体涉及一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统及其采集方法。
背景技术
在现代战场的信息化作战环境下，对作战目标进行精确打击之后，需要实时地评估目标的毁伤状况，以决定如何进行二次打击来完全毁伤目标。然而弹体在打击目标之后完全毁坏，自身无法探测毁伤后情况，卫星和高空侦察机受到天气影响，且不能够即时，有效地覆盖战场来进行特定弹药的目标毁伤探测，它们的探测，核对需要获得弹药位置信息，探测核对环节复杂，难以实时应用。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统及其采集方法；本发明通过抛洒集群图像传感器进行自主的协同图像探测，使弹药毁伤目标后能够可靠地采集毁伤后的目标区域的图像，并传回后方作为毁伤评估参考，使得实战部队立刻获得毁伤效果和作战效果，根据毁伤效果信息来指导后续打击和合理决策，同时降低制导弹药的重复消耗，解决当前作战的实战环境下难以获得远距离目标实时毁伤效果的问题。
本发明的一个目的在于提出一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统。
本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统包括：多个采集装置、盖板、系留杆件、触发件、连接件、舵机和减速伞装置；其中，宿主弹药的侧壁设置有安装凹槽；在每个采集装置的后表面安装减速伞装置；多个安装了减速伞装置的采集装置排列成一排或多排阵列放置在凹槽内，每一排平行于宿主弹药的中心轴；在凹槽内与每一排采集装置相对应，固定安装一根系留杆件，系留杆件平行于中心轴；在凹槽的表面安装盖板，盖板的外表面形状与宿主弹药的壳体外表面的曲面形状一致；盖板通过连接件安装在宿主弹药的壳体上；连接件通过导线连接至宿主弹药的控制系统；每一个采集装置和减速伞装置均连接至一个触发件，触发件连接至相应的系留杆件上；在采集装置上安装舵机；当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统感知竖直向下方向的速度分量大于下降速度阈值时，表明宿主弹药处于弹道末段抵近毁伤目标，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，盖板与宿主弹药分离，安装了减速伞装置的采集装置在重力作用下脱离宿主弹药的凹槽坠入空中；采集装置和减速伞装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；多个采集装置在减速伞装置的作用下减速，采集下方的图像数据并向外部的通信节点发送，形成集群式图像采集系统；采集装置通过控制舵机旋转，从而控制图像采集的拍摄角度，实现覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大对地图像采集的采集视场；当采集装置的运行超过设定的时间阈值后，采集装置内的数据全部擦除。
连接件采用爆炸螺栓；分离信号为电流信号，接收到电流信号后爆炸使本身切断，从而断开连接。盖板和宿主弹药的壳体具有相应的连接孔，连接孔具有内螺纹，爆炸螺栓具有外螺纹，二者螺纹连接。爆炸螺栓内装有炸药，通过控制炸药的剂量，使得爆炸时只能使爆炸螺栓本身切断，而不会毁伤周围结构。
减速伞装置包括：伞包、缆线、底板、插销和拉绳；其中，伞包的边缘通过缆线连接至底板；底板安装在采集装置的后表面；伞包折叠收放设置有插销；插销连接至触发件；当盖板与宿主弹药分离后，采集装置被释放到空中，减速伞装置脱离安装凹槽，触发装置拉出插销，伞包展开，使得采集装置快速减速。
触发件采用挂绳或挂索。
采集装置包括：图像传感器、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关、惯性传感器、舵机驱动电路、阻断装置和电源；其中，图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元分别通过开关连接至电源；在开关上设置阻断装置；阻断装置连接至触发件；图像传感器和惯性传感器分别连接至中央处理器；中央处理器与存储器和无线通讯单元连接；中央处理器还连接至舵机驱动电路；舵机驱动电路连接至舵机；宿主弹药发射前，阻断装置在开关内夹持使得开关不闭合，电路断开，电源不向图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元提供工作电流，均不工作；当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，采集装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而将阻断装置从开关内拉出，开关闭合电路导通，采集装置启动；惯性传感器感知分离时宿主弹药的位置和姿态，并将位置和姿态数据传输至中央处理器；中央处理器按照分离时的位置和姿态数据估计宿主弹药的速度和姿态，从而预测出分离之后宿主弹药的轨迹；中央处理器根据宿主弹药的轨迹以及实时惯性传感器感知的位置和姿态，计算得到舵机的旋转角，并通过舵机驱动电路驱动舵机按照计算得到的旋转角旋转，从而控制图像传感器的拍摄角度；图像传感器采集图像，中央处理器接收并处理来自图像传感器的图像数据，将其存储到存储器之中；当中央处理器通过无线通讯单元接收到来自外部的数据接收请求后，中央处理器通过无线通讯单元发出图像数据；当采集装置运行超过设定的时间阈值之后，中央处理器控制存储器将存储器的数据擦除，防止信息泄露。无线通讯单元包括天线和通讯电路，图像数据通过天线发出。阻断装置采用绝缘的绳索。
采集装置还包括外壳，图像传感器、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关、阻断装置和电源均设置在外壳中；舵机安装在外壳的前表面，图像传感器通过旋转底座安装在舵机的前表面，舵机的旋转轴通过连接杆连接至图像传感器；舵机的旋转轴与外壳的前表面垂直，图像传感器的光轴即图像传感器的镜头的法线与舵机的旋转轴之间有夹角；图像传感器的镜头朝外，与镜头相对应的后表面设置减速伞装置。在外壳的外侧壁设置缓冲层，缓冲层采用绝缘、并具有弹性和阻尼的材料，如橡胶，以达到减振的效果。外壳的侧壁开孔以使得触发件穿入，前表面开孔使得连接天线的导线穿过。采集装置的前后方向平行于宿主弹药的中心轴。图像传感器采用红外图像传感器、可见光图像传感器和紫外图像传感器中的一种或多种，每一个图像传感器只采用其中的一种，安装方式相同，均为CMOS类的图像传感器。图像传感器的光轴与舵机的旋转轴之间有夹角为固定值S0，这使得当图像传感器旋转时，图像传感器的光轴会绕旋转轴形成一个锥面，使得图像传感器以固定的俯视角(90°-S0)向地面环绕拍摄图像。多个采集装置的图像传感器同时采集图像时，在舵机控制图像传感器旋转到位，拍摄角度指向目标的基础上，再控制相应的图像传感器再绕旋转轴旋转适当的角度，使得它们的图像传感器的视场重叠面积最小，从而使得多个图像传感器采集到目标周围尽可能大的地面视场。S0为10～60°。
还包括镜头保护膜，夹持在相邻的采集装置的图像传感器的镜头的前表面与减速伞装置的后表面之间，镜头保护膜采用硬度较低，不会对镜头造成磨损的材料，防止前方采集装置的减速伞装置将镜头划伤。镜头保护膜只是被夹住地放在前后采集装置与减速伞装置之间。
本发明的另一个目的在于提供一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统的采集方法。
本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的采集方法，包括以下步骤：
1)宿主弹药发射前，每一个采集装置和减速伞装置均连接至一个触发件，触发件连接至相应的系留杆件上，采集装置不工作，减速伞装置的伞包折叠收放；
2)当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统感知竖直向下方向的速度分量大于下降速度阈值时，表明宿主弹药处于弹道末段抵近毁伤目标，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，盖板与宿主弹药分离，安装了减速伞装置的采集装置在重力作用下脱离宿主弹药的凹槽坠入空中；
3)采集装置和减速伞装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；
4)采集装置通过控制舵机旋转，从而控制图像采集的拍摄角度，实现覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大对地图像采集的采集视场；
5)多个采集装置在减速伞装置的作用下减速，采集下方的图像数据并向外部的通信节点发送，形成集群式图像采集；
6)当采集装置的运行超过设定的时间阈值后，采集装置内的数据全部擦除。
其中，在步骤3)中，触发件被系留杆件拉动，从而将阻断装置从开关内拉出，开关闭合电路导通，采集装置启动。
在步骤4)中，图像传感器采集图像，中央处理器接收并处理来自图像传感器的图像数据，将其存储到存储器之中；当中央处理器通过无线通讯单元接收到来自外部的数据接收请求后，中央处理器通过无线通讯单元发出图像数据，直至采集装置最终降落到地面。
在步骤4)中，多个采集装置的图像传感器同时采集图像时，在舵机控制图像传感器旋转到位，拍摄角度指向目标的基础上，再控制相应的图像传感器再绕旋转轴旋转适当的角度，使得它们的图像传感器的视场重叠面积最小，从而使得多个图像传感器采集到目标周围尽可能大的地面视场。
本发明的优点：
本发明采用将多个安装了减速伞装置的采集装置设置在宿主弹药的凹槽内，盖板通过连接件安装在宿主弹药的壳体上；采集装置和减速伞装置均通过触发件连接至系留杆件上；当宿主弹药发射后，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；采集装置采集下方的图像数据并向外发送；本发明根据惯性传感器的信息估计宿主弹药的落点方位，融合惯性传感器信息从而将其作为图像传感器探测方向的有效指导；通过多个图像传感器进行协同的图像采集，覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大了对地图像采集的采集视场，从而增大了对弹药落点区域进行探测的有效性；结合红外、紫外和可见光的三模图像信息采集，多个采集装置进行分工采集，获得了弹药落点区域多光谱带的图像信息。
附图说明
图1为本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例安装在宿主弹药内的整体示意图，其中，(a)为沿中心轴的剖面图，(b)为垂直于中心轴的剖面图；
图2为本发明的本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例的采集装置阵列的侧视示意图；
图3为本发明的本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例的采集装置的结构框图；
图4为本发明的本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例的安装了减速伞装置的采集装置的示意图；
图5为本发明的本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例的图像传感器与图像传感器的镜头的关系示意图；
图6为本发明的本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的一个实施例的多图像采集装置协同采集图像的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的集群式小体积目标毁伤图像采集系统包括：多个采集装置1、盖板2、系留杆件3、触发件4、连接件5、舵机7和减速伞装置6；其中，宿主弹药0的侧壁设置有安装凹槽；在每个采集装置1的后表面安装减速伞装置6；多个安装了减速伞装置6的采集装置1排列成一排阵列放置在凹槽内，平行于宿主弹药的中心轴，如图2所示，镜头保护膜15夹持在相邻的采集装置的图像传感器的镜头的前表面与减速伞装置的后表面之间；在凹槽内与每一排采集装置1相对应，固定安装一根系留杆件3，系留杆件3平行于中心轴；在凹槽的表面安装盖板2，盖板2的外表面形状与宿主弹药的壳体外表面的曲面形状一致；盖板2通过连接件5安装在宿主弹药的壳体上；连接件5通过导线连接至宿主弹药的控制系统；每一个采集装置1和减速伞装置6均连接至一个触发件4，触发件4连接至相应的系留杆件3上。
减速伞装置6包括：伞包61、缆线、底板、插销和拉绳；其中，伞包的边缘通过缆线连接至底板；底板安装在采集装置的后表面；伞包折叠收放设置有插销；插销连接至触发件；当盖板与宿主弹药分离后，采集装置被释放到空中，减速伞装置脱离安装凹槽，触发装置拉出插销，伞包展开，使得采集装置快速减速。
触发件采用挂绳或挂索。
如图3所示，采集装置包括：图像传感器、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关、阻断装置和电源；其中，图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元分别通过连接至电源，电源连接开关；在开关上设置阻断装置；阻断装置连接至触发件；图像传感器连接至中央处理器；中央处理器与存储器和无线通讯单元连接。
如图1、2和4所示，采集装置还包括外壳11和电路板16，图像传感器12、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关18、阻断装置19和电源17均设置在外壳11中；舵机7安装在外壳的前表面，图像传感器通过旋转底座8安装在舵机的前表面，舵机的旋转轴通过连接杆9连接至图像传感器；舵机的旋转轴71与外壳的前表面垂直，图像传感器的光轴OA即图像传感器的镜头的法线与舵机的旋转轴之间有夹角，如图5所示；图像传感器、中央处理器和存储器均设置在电路板16上；图像传感器12安装在外壳的前表面，图像传感器的镜头朝外，与镜头相对应的后表面设置减速伞装置。无线通讯单元包括环状天线13和通讯电路。在外壳的外侧壁设置缓冲层14，缓冲层采用橡胶。镜头保护膜采用聚乙烯PE。
如图6所示，在宿主弹药0从空中A降落到地面G的过程中，多个采集装置的图像传感器同时采集图像时，在舵机控制图像传感器旋转到位，拍摄角度指向目标的基础上，再控制相应的图像传感器再绕旋转轴旋转适当的角度，使得它们的图像传感器的视场重叠面积最小，从而使得多个图像传感器采集到目标周围尽可能大的地面视场F。
本发明的另一个目的在于提供一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统的采集方法。
本发明的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的采集方法，包括以下步骤：
1)宿主弹药发射前，每一个采集装置和减速伞装置均连接至一个触发件，触发件连接至相应的系留杆件上，宿主弹药发射前，阻断装置在开关内夹持使得开关不闭合，电路断开，电源不向图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元提供工作电压，均不工作，减速伞装置的伞包折叠收放；
2)当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统感知竖直向下方向的速度分量大于下降速度阈值时，表明宿主弹药处于弹道末段抵近毁伤目标，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，盖板与宿主弹药分离，安装了减速伞装置的采集装置在重力作用下脱离宿主弹药的凹槽坠入空中；
3)采集装置和减速伞装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而将阻断装置从开关内拉出，开关闭合电路导通，采集装置启动，同时，触发装置拉出插销，伞包展开，使得采集装置快速减速；
4)采集装置通过控制舵机旋转，从而控制图像采集的拍摄角度，实现覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大对地图像采集的采集视场，如图6所示；
5)多个采集装置在减速伞装置的作用下减速，采集下方的图像数据并向外部的通信节点发送，形成集群式图像采集；
6)当采集装置的运行超过设定的时间阈值后，采集装置内的数据全部擦除。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述集群式小体积目标毁伤图像采集系统包括：多个采集装置、盖板、系留杆件、触发件、连接件、舵机和减速伞装置；其中，宿主弹药的侧壁设置有安装凹槽；在每个采集装置的后表面安装减速伞装置；多个安装了减速伞装置的采集装置排列成一排或多排阵列放置在凹槽内，每一排平行于宿主弹药的中心轴；在凹槽内与每一排采集装置相对应，固定安装一根系留杆件，系留杆件平行于中心轴；在凹槽的表面安装盖板，盖板的外表面形状与宿主弹药的壳体外表面的曲面形状一致；所述盖板通过连接件安装在宿主弹药的壳体上；连接件通过导线连接至宿主弹药的控制系统；每一个采集装置和减速伞装置均连接至一个触发件，触发件连接至相应的系留杆件上；在采集装置上安装舵机；当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统感知竖直向下方向的速度分量大于下降速度阈值时，表明宿主弹药处于弹道末段抵近毁伤目标，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，盖板与宿主弹药分离，安装了减速伞装置的采集装置在重力作用下脱离宿主弹药的凹槽坠入空中；采集装置和减速伞装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；多个采集装置在减速伞装置的作用下减速，采集下方的图像数据并向外部的通信节点发送，形成集群式图像采集系统；采集装置通过控制舵机旋转，从而控制图像采集的拍摄角度，实现覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大对地图像采集的采集视场；当采集装置的运行超过设定的时间阈值后，采集装置内的数据全部擦除。
2.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述连接件采用爆炸螺栓；分离信号为电流信号，接收到电流信号后爆炸使本身切断，从而断开连接。
3.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述盖板和宿主弹药的壳体具有相应的连接孔，连接孔具有内螺纹，爆炸螺栓具有外螺纹，二者螺纹连接。
4.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述减速伞装置包括：伞包、缆线、底板、插销和拉绳；其中，所述伞包的边缘通过缆线连接至底板；所述底板安装在采集装置的后表面；伞包折叠收放设置有插销；插销连接至触发件；当盖板与宿主弹药分离后，采集装置被释放到空中，减速伞装置脱离安装凹槽，触发件拉出插销，伞包展开。
5.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述触发件采用挂绳或挂索。
6.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述采集装置包括：图像传感器、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关、惯性传感器、舵机驱动电路、阻断装置和电源；其中，所述图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元分别通过开关连接至电源；在开关上设置阻断装置；阻断装置连接至触发件；所述图像传感器和惯性传感器分别连接至中央处理器；所述中央处理器与存储器和无线通讯单元连接；所述中央处理器还连接至舵机驱动电路；所述舵机驱动电路连接至舵机；宿主弹药发射前，阻断装置夹持在开关内使得开关不闭合，电路断开，电源不向图像传感器、中央处理器、存储器和无线通讯单元提供工作电流，均不工作；当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，采集装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而将阻断装置从开关内拉出，开关闭合电路导通，采集装置启动；惯性传感器感知分离时宿主弹药的位置和姿态，并将位置和姿态数据传输至中央处理器；中央处理器按照分离时的位置和姿态数据估计宿主弹药的速度和姿态，从而预测出分离之后宿主弹药的轨迹；中央处理器根据宿主弹药的轨迹以及实时惯性传感器感知的位置和姿态，计算得到舵机的旋转角，并通过舵机驱动电路驱动舵机按照计算得到的旋转角旋转，从而控制图像传感器的拍摄角度；图像传感器采集图像，中央处理器接收并处理来自图像传感器的图像数据，将其存储到存储器之中；当中央处理器通过无线通讯单元接收到来自外部的数据接收请求后，中央处理器通过无线通讯单元发出图像数据；当采集装置运行超过设定的时间阈值之后，中央处理器控制存储器将存储器的数据擦除。
7.如权利要求6所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，所述采集装置还包括外壳，所述图像传感器、中央处理器、存储器、无线通讯单元、开关、阻断装置和电源均设置在外壳中；所述舵机安装在外壳的前表面，图像传感器通过旋转底座安装在舵机的前表面，舵机的旋转轴通过连接杆连接至图像传感器；舵机的旋转轴与外壳的前表面垂直，图像传感器的光轴与舵机的旋转轴之间有夹角。
8.如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统，其特征在于，还包括镜头保护膜，夹持在相邻的采集装置的图像传感器的镜头的前表面与减速伞装置的后表面之间。
9.一种如权利要求1所述的集群式小体积目标毁伤图像采集系统的采集方法，其特征在于，所述采集方法包括以下步骤：
1)宿主弹药发射前，每一个采集装置和减速伞装置均连接至一个触发件，触发件连接至相应的系留杆件上，采集装置不工作，减速伞装置的伞包折叠收放；
2)当宿主弹药发射后，宿主弹药的控制系统感知竖直向下方向的速度分量大于下降速度阈值时，表明宿主弹药处于弹道末段抵近毁伤目标，控制系统向连接件发送分离信号，连接件断裂，盖板与宿主弹药分离，安装了减速伞装置的采集装置在重力作用下脱离宿主弹药的凹槽坠入空中；
3)采集装置和减速伞装置与系留杆件发生相对位移，触发件被系留杆件拉动，从而触发采集装置启动，同时打开减速伞装置的伞包；
4)采集装置通过控制舵机旋转，从而控制图像采集的拍摄角度，实现覆盖更广的图像采集角度，有效地扩大对地图像采集的采集视场；
5)多个采集装置在减速伞装置的作用下减速，采集下方的图像数据并向外部的通信节点发送，形成集群式图像采集；
6)当采集装置的运行超过设定的时间阈值后，采集装置内的数据全部擦除。
10.如权利要求9所述的采集方法，其特征在于，在步骤4)中，多个采集装置的图像传感器同时采集图像时，在舵机控制图像传感器旋转到位，拍摄角度指向目标的基础上，再控制相应的图像传感器再绕旋转轴旋转适当的角度，使得它们的图像传感器的视场重叠面积最小，从而使得多个图像传感器采集到目标周围尽可能大的地面视场。
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