专利名称：基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸运动参数测量方法
技术领域：
本发明涉及摄影测量、图像处理领域，尤其涉及一种基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸运动參数的測量方法。
背景技术：
炮射武器(弾丸、导弹等)的靶场测试为武器性能的鉴定和改进提供重要的依据。弾丸出膛之后的姿态、速度、攻角等參数是影响其射程、射击精度的主要因素，因此这些參数的精确测量是靶场测试的主要任务。与其他方法相比，光学测量的方法具有測量精度高、数据可视化效果好、抗干扰等优点，因此在靶场弹丸等高速目标的测量和测试中具有不可替代的地位。目前采用光测法分析弾丸目标的运动主要有两种途径一是框幅式成像的方法，通过框幅式摄像机的高速成像得到弾丸运动的一系列序列图像，通过计算弾丸在不同帧之间弾丸运动的距离来计算 弾丸的速度等运动參数；ニ是狭缝成像的方法，通过狭缝摄像机的扫描成像获取弹丸运动的狭缝图像，可以同时记录弹丸成像过程中的时间和空间信息，以此计算其运动參数。前者起步较早，但框幅式成像方法的成像原理决定了该类摄影机难以实现对弹丸速度方向及攻角的測量，因而在弹丸參数测量方面应用价值大大削弱。采用狭缝成像的方法在记录弹丸的速度和姿态參数的同时，也可以很好的反映弹丸出膛后的攻角变化，因此在常规靶场中成为对弹丸等高速目标测量和测试的重要方式。目前通过狭缝成像的方法测量弹丸的运动參数存在一些难以克服的技术瓶颈，主要有ー是狭缝摄影要求弾丸的速度与狭缝摄像机的扫描速度达到弹道同步条件，由于事先无法获取弾丸准确的速度，因此在实际成像中是难以达到的；ニ是为了获得弹丸运动參数的三維信息，往往采用立体正交交会測量，目前的设备布置方法落后，操作不便，空间关系的精确性难以保证；三是仅采用弹丸图像上有限个特征点来计算运动參数，特征点选取的不确定性会引起较大的测量误差。随着数字技术的发展，人们尝试将以线阵传感器为成像器件的线阵像机代替传统使用以胶片成像的狭缝摄像机。本发明将采用线阵像机获取弹丸图像并测量弹丸运动參数的技术称之为数字狭缝摄像技木。目前该技术的研究除了存在传统狭缝技术中的固有困难夕卜，还由于线阵像机扫描频率的限制，出现了弹道同步条件远远无法达到的难题。为了解决这些困难，实现狭缝技术的数字化，本发明提出了基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸目标运动參数的測量方法。

发明内容
本发明要解决的技术问题是靶场弾丸目标速度、姿态和攻角等运动參数的高精度測量。本发明的目的是提供一种基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸运动參数測量方法，通过本发明设计的立体数字狭缝测量系统和基于弹丸三维数字模型的运动參数測量方法，实现了靶场狭缝技术的数字化、自动化改进需求。
结合附图
I对本发明的技术方案进行描述第一歩，布置立体数字狭缝测量系统。在火炮ロ附近2-3米弾丸出膛后弹道的正下方放置由矩形平面镜制作而成的双像器，双像器的镜面与地面成45°放置，同时在距离双像器5-10米的位置放置一台线阵像机，使得线阵像机的主光轴大约成45°入射双像器的平面镜。调整线阵像机的焦距，使得放置的线阵像机(以下称为前像机)和双像器中线阵像机的像(以下称为底像机)的视场中都能够观测到飞行过双像器上方的弾丸。前像机和底像机组成了立体数字狭缝测量系统中的立体线阵像机，立体线阵像机获得的一幅图像包括前像机的图像和底像机的图像，记录了弹丸在两个方向上的成像结果，本发明称之为弹丸的立体线阵图像。 立体数字狭缝测量系统的布置如附图2所示。第二步，确定立体线阵像机的成像模型。为了描述立体数字狭缝测量系统的空间关系，定义3个坐标系靶场坐标系op-xpypzp :以靶场的基准点作为坐标系的原点op，弹丸弹道方向为坐标轴Xp的正方向，垂直于靶场地地面向上的方向为坐标轴Zp的正方向，0p-xpyp平面与坐标轴Zp构成右手系。靶场坐标系是測量坐标系，前像机和底像机的外方位元素和弾丸的运动參数都在靶场坐标系中定义。前像机像空间坐标系0f-Xfyfzf:以前像机的摄影中心作为原点Of，顺着弹丸飞行方向并垂直于前像机的线阵传感器的方向为Xf轴正方向，沿着线阵传感器向下的方向为yf轴正方向，沿着主光轴朝向目标的方向为Zf轴的正方向，0f-xfyf平面与坐标轴Zf构成右手系，如附图2所示。底像机像空间坐标系ob-xbybzb:根据镜面对称原理，底像机像空间坐标系是前像机像空间坐标系的镜面对称像。立体线阵像机的成像模型包括前像机的成像模型和底像机的成像模型。确定立体线阵像机的成像模型的具体步骤如下第I步，分别确定前像机和底像机的内方位元素和外方位元素。进行前像机的标定，得到前像机的内方位元素和外方位元素。前像机的内方位元素包括前像机的焦距f，像主点偏移量％ ;外方位元素包括前像机的位置參数(用摄影中心的坐标0f (Xs，Ys, Zs)表示)和姿态參数(用前像机像空间坐标系与靶场坐标系的坐标轴之间旋转过的角度め，《f，K f表示)。量取双像器在靶场坐标系中确定的位置坐标，根据双像器在靶场坐标系中摆放位置和姿态，确定双像器的平面镜所在平面在靶场坐标系中的方程表达式。底像机的内方位元素与前像机相同，根据前像机和底像机的镜面对称关系，计算出底像机的外方位元素，包括位置參数(用底像机摄影中心的坐标ob(X' S’Y' s,2' s)表示)和姿态參数(用底像机像空间坐标系与靶场坐标系的坐标轴之间旋转过的角度科，《b，K b表不)。第2歩，分别确定前像机和底像机的成像模型表达式。假设P (X，Y, Z)为靶场坐标系中落在of_yfZf平面上的任意一点，点P (X，Y, Z)与其对应的前像机成像点P (X，y)之间的成像几何关系，即前像机的成像模型表示为
权利要求
1.一种基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸运动参数测量方法，其特征在于包括下述步骤 第一步，布置立体数字狭缝测量系统 在火炮口附近2-3米弹丸出膛后弹道的正下方放置双像器，双像器的镜面与地面成45ο放置，同时在距离双像器5-10米的位置放置一台线阵像机，使得放置的线阵像机和双像器中线阵像机的像的视场中都能够观测到飞行过双像器上方的弹丸；将线阵像机称为前像机，将线阵像机的像称为底像机，前像机和底像机组成了立体数字狭缝测量系统中的立体线阵像机，立体线阵像机获得的图像称为弹丸的立体线阵图像； 第二步，确定立体线阵像机的成像模型 定义如下3个坐标系 靶场坐标系op-xpypzp :以靶场的基准点作为坐标系的原点op，弹丸弹道方向为坐标轴Xp的正方向，垂直于靶场地地面向上的方向为坐标轴Zp的正方向，op_xpyp平面与坐标轴Zp构成右手系；前像机像空间坐标系of_xfyfzf :以前像机的摄影中心作为原点Of，顺着弹丸飞行方向并垂直于前像机的线阵传感器的方向为Xf轴正方向，沿着线阵传感器向下的方向为yf轴正方向，沿着主光轴朝向目标的方向为Zf轴的正方向，of-xfyf平面与坐标轴Zf构成右手系；底像机像空间坐标系ob-Xbybzb :根据镜面对称原理，底像机像空间坐标系是前像机像空间坐标系的镜面对称像； 确定立体线阵像机的成像模型的具体步骤如下 第I步，分别确定前像机和底像机的内方位元素和外方位元素； 进行前像机的标定，得到前像机的内方位元素和外方位元素；前像机的内方位元素包括前像机的焦距f，像主点偏移量I0 ;外方位元素包括前像机的位置参数，用摄影中心的坐标0f (Xs，Ys, Zs)表示，姿态参数用前像机像空间坐标系与靶场坐标系的坐标轴之间旋转过的角度巧，《f，Kf表示；量取双像器在靶场坐标系中确定的位置坐标，根据双像器在靶场坐标系中摆放位置和姿态，确定双像器的平面镜所在平面在靶场坐标系中的方程表达式；底像机的内方位元素与前像机相同，根据前像机和底像机的镜面对称关系，计算出底像机的外方位元素，包括位置参数用底像机摄影中心的坐标ob(X' S，Y's)表示，姿态参数用底像机像空间坐标系与靶场坐标系的坐标轴之间旋转过的角度W cob，K b表示； 第2步，分别确定前像机和底像机的成像模型表达式； 假设P (X，Y, Z)为靶场坐标系中落在of_yfZf平面上的任意一点，点P (X，Y, Z)与其对应的前像机成像点P(x，y)之间的成像几何关系，即前像机的成像模型表示为 X 二O = 4(1 —++ -Zs)' v_v =_f a2(^-^s) + b2(Y-Ys) + c2(Z-Zs) ；a}(X-Xs) + h,{Y-Ys) + Ci{Z-Zs) 其中，Bi, bi, Ci, i = I, 2, 3是与前像机姿态参数巧，ωΓ, κ f有关的9个元素,表示为
全文摘要
本发明提供一种基于数字狭缝摄像技术的靶场弹丸运动参数测量方法。技术方案包括以下三步第一步，布置立体数字狭缝测量系统；第二步，确定立体线阵像机成像模型；第三步，测量弹丸的运动参数。其中第二步包括第1步，分别确定前像机和底像机的内方位元素和外方位元素；第2步，分别确定前像机和底像机的成像模型表达式。其中第三步包括第1步，选择特征点，计算弹丸运动参数的初始估计值；第2步，构建基于弹丸三维数字模型的运动参数优化求解模型，计算弹丸运动参数的优化估计值。本发明解决了靶场弹丸目标速度、姿态和攻角等运动参数的高精度测量，实现了靶场狭缝技术的数字化、自动化。
文档编号G01C11/00GK102818561SQ20121023564
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者文贡坚, 赵竹新, 回丙伟 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学