机载火炮对地攻击训练自动报靶方法

陈　朋，诸德放，王　杨

(空军勤务学院 航空弹药系，江苏 徐州　221000)



机载火炮对地攻击训练自动报靶方法

陈朋，诸德放，王杨

(空军勤务学院 航空弹药系，江苏 徐州221000)

摘要：针对机载火炮对地攻击训练时弹着点探测难度大的问题，在介绍几种自动报靶方法并分析其应用于机载火炮对地攻击训练的不足和局限性的基础上，提出了基于高重频脉冲激光测距原理的自动报靶方法，该方法探测范围大、探测精度高、环境适应性强，可满足机载火炮对地攻击训练不同条件下弹着点的探测。

关键词：图像处理；电荷耦合；声电；光纤编码；激光

在进行机载火炮对地攻击训练时，对弹着点检测是评判打靶训练成绩、提高打靶训练技能的重要指标和依据。打靶训练中，由于机载火炮的发射平台机动性高、弹着点分布范围广和随机性大，对其弹着点进行探测相比于对固定平台发射的炮弹探测难度大，目前部队主要采用根据弹丸爆炸弹坑鉴定弹着点的事后人工报靶方法，这种方法的安全性、准确性和时效性都存在较大的问题。鉴于此，本研究通过介绍当前实际应用较多的几种自动报靶系统，分析它们的不足和局限性，结合机载火炮对地攻击训练的实际情况，提出基于高重频脉冲激光测距原理的自动报靶方法。

1几种报靶方法

1.1基于图像处理的报靶系统

基于图像处理的自动报靶系统是发展和应用较早的一种探测报靶系统，因其具有结构简捷、制作方便、成本较低、便于携带等优点，在国内外现代军事训练和射击比赛中仍有较多的应用。其工作原理是：在射击过程中，使用摄像头对胸环靶画面进行采集，根据采集到的靶图像的特点和变化，利用计算机图像处理技术识别出靶图像中的真实弹点，通过判定弹着点在靶中的位置得出弹点的环数值[1]。此系统采用数据采集和视频采集等方面的技术，同时运用计算机算法对采集的信息进行图像预处理、弹孔提取和环值判定，最终判定得出环值结果。该报靶系统可以在整个实弹射击过程中实时、不间断地对靶画面进行观测，其核心是图像处理系统，其处理算法的好坏直接决定最终靶数的准确性。系统总体设计如图1所示。

图1　基于图像处理的报靶系统总体设计

该报靶系统可对小范围平面上的弹着点进行拍照，对所得图像进行处理，最终得出弹着点的环数，适用于射击报靶。但其对空中大范围内高速小目标探测的难度比较大，对远距离的地面弹坑探测精度较低，而且受天气等环境影响较大，适应性较差，不适应机载火炮对地攻击训练的报靶。

1.2电荷耦合坐标靶

电荷耦合坐标靶是用线性电荷耦合器件构成的光学摄像系统，在竖直平面内放置两个线阵电荷耦合图像传感器A和B，两图像传感器的光轴交于空间一点，构成一个竖直的光电测量靶面，根据图像传感器中各个像素搜索电荷的多少确定弹丸位置(以像素排列序号为参量)。它的基本原理如图2所示。

两台电荷耦合相机A和B的光轴在空中交汇于点O，光轴所在的平面和地平面相互垂直，两相机视场的重叠部分即可构成光靶(见图2中方形部分)。通常采用正交法则使两相机光轴夹角达到90°，在交汇区内构成方形靶。当空间目标穿过靶面时，电荷耦合相机获得目标图像。经过对目标图像处理和计算可得到空间点目标的着靶坐标值[2]。

这种方法由于其结构简单、体积小、操作方便、测量精度高等优点，已经成功应用于现代靶场中大目标飞行轨迹的跟踪测量。但是电荷耦合坐标靶测量效果和测量精度受诸多因素影响，如光源限制、环境干扰、系统野外安装、标定、调试复杂，对过靶小目标信号的捕获几率太低，因此对大靶面和高速飞行小目标测量效果不佳，不适应于机载火炮对地攻击的自动报靶。如果随着电荷耦合器件的发展，上述问题解决，可以将其应用于机载火炮对地攻击的报靶中。

1.3声电坐标靶

声电定位坐标靶的主要优点在于测量精度高，运用声电技术，其工作与光照无关，可以满足全天候工作的条件，其测量基本原理为：在一个矩形框架上装有若干个声电传感器。弹从矩形框架内穿过时(弹头穿过点为波源)，冲击框架内的空气使之产生扰动，扰动形成空气冲击波向四周扩散，距离波源最近的传感器最先探测到该波，此时启动检靶仪开始计时，其他传感器依次接收到该冲击波，这样就可获得若干个时间差，通过这些时间差和波速，进行处理和计算，就可以确定出波源位置。把这个框架作为射击靶，就可以确定弹头穿过靶面的位置，即弹着点[3-4]。其原理图如图3所示。

图3　声电坐标定位原理

利用声电定位原理所做的报靶系统精度较高[5]，目前在国内外射击训练及比赛报靶中都得到一定应用。但其缺点也比较突出，探测高度低、范围小，受爆炸物及溅起的砂石泥土影响较大，相邻靶位射击会存在较大的相互干扰。对于高频率以及不同射击方式(连射、齐射等)的打靶报靶，可能存在重弹、漏测等现象，环境条件(温度、密度、风速等)、弹形、弹丸飞行姿态等也在一定程度上影响着测量精度。另外，即使是同一靶位，如果先后两发弹丸相隔时间较短，或者如果环境噪声的强度较大，也可能产生类似情况的干扰。因此，此方法不适合于机载火炮对地攻击的报靶。

1.4光纤编码定位靶

光纤编码定位靶工作原理为：利用光纤编码机构，将光学靶面分成无数足够小的单元，弹丸穿过靶面时，即可判断出弹丸在靶面上弹着点的坐标。该方案的技术关键需要解决好分辨精度和探测距离之间的矛盾，因此将两组焦距不同的镜头平行安装，各自形成一个靶面，如图4和图5所示。短焦镜头形成的靶面大，但是分辨精度低，主要用于试验前弹着点的调整；长焦镜头形成的靶面小，但是分辨精度高，可用于弹头散布的精度测试。但是其前提是首先要利用短焦镜头形成的大靶面，将弹头散布范围调整到长焦镜头形成的小靶面内。长短两组镜头形成的有效靶面区域分别是图4和图5中的四边形ABCD(图5中由于A点太高未画出)，做四边形ABCD的内接圆分别交四条边于G、H、P、Q点。

图4　长焦镜头形成的小靶面

图5　短焦镜头形成的大靶面

光纤编码定位靶在长焦镜头下形成的靶面内接圆直径为3.6 m，精度小于3.3 mm；在短焦镜头下形成的靶面内接圆直径为6.7 m，精度小于9 mm[6-7]。靶面采用开放式的方式，对于射击而言可满足高精度和单射、连射等方式的有效探测，目前在国外射击报靶中有一定的应用。但是缺点是靶面太小，6.7 m的范围面积对于探测机载火炮对地攻击弹着点远远不够，而且镜头的制作工艺比较复杂，成本较高，对环境适应能力较差，而且试验前需要将弹着点的散布范围调整到长焦镜头的靶面内，但这一点对远距离和大范围精度试验来说比较困难，而且要想扩大探测范围，探测精度必然降低，这对于弹着点的高精度探测要求是不符合的。

以上几种自动报靶系统所采用的方法是射击中常用的或者即将采用的，但是由于机载火炮对地攻击机动性大、范围广以及环境因素等各方面因素的影响，这几种报靶系统应用于机载火炮对地攻击的报靶中都存在着一定的缺陷或者局限性，急需有一种能够解决上述问题的机载火炮对地攻击自动报靶系统。

2激光探测定位靶

2.1激光报靶系统结构

由于激光具有方向性好、单色性好、相干性好和亮度高等特点，在探测方面具有探测距离远、探测频率高和抗太阳或背景等自然光干扰能力强的优点，根据文献[8-9]，可以装置两个激光探测器，发射的激光可以形成两个互相平行的光幕面，弹丸穿过光幕面时，光幕面通过激光测距原理可以测出穿过的弹丸位置以及速度等信息。鉴于此，提出基于高重频脉冲激光测距原理的弹着点探测定位靶，几个激光靶面按照一定几何关系采取立靶的方式配置在地靶上方适当位置，在弹丸穿过激光靶面时进行探测定位，从而解析出弹丸末端弹道以及在地靶上的弹着点位置。

组成的自动报靶系统结构图如图6，激光探测自动报靶子系统是核心，控制与报靶子系统控制着激光探测自动报靶子系统的工作和数据传输。激光探测自动报靶子系统通过激光探测定位原理探测弹着点位置并对数据进行处理，通过无线通讯子系统把结果传送给控制与报靶子系统。控制与报靶子系统和激光探测自动报靶子系统之间的信息传递通过无线通讯子系统实现。

图6　报靶系统结构

2.2报靶原理介绍

放置于靶场内地靶附近的激光探测自动报靶子系统，由4个激光探测器组成。每个探测器都是高重频脉冲激光探测器，由激光发射装置和激光接收装置组成，激光发射装置向空中发射一束(或一组)高重频激光，该激光束(组)的照射范围具有横向宽、纵向窄的特点，可等效为一个以探测器为原点的“扇面”[10]。通过设置，使两个探测器发出的探测激光束共面，其有效探测范围叠加为一个激光靶面。探测器1和2以载机标准攻击航向为对称轴对称布局，分别形成以探测器1和2为圆心的扇形激光探测面1和2，这两个激光探测面重叠形成激光靶面12。探测器3和4也同样摆放和设置，形成激光靶面34。两个激光靶面相互平行，并设置成与标准攻击方向垂直的开放式立靶，要求两个激光靶面的有效探测部分沿可能的攻击方向在地面的投影应覆盖地靶。如图7所示。

图7　激光靶靶场的布局示意图

激光测距定位原理：激光发射装置发射出的高重频激光从弹丸表面反射回来后被激光接收装置接收，通过记录收发的时间间隔即可计算出弹丸与探测器之间的距离，两个探测器同时探测即可确定出弹丸在这两个探测器形成的激光靶面上的位置。激光靶面12和34分别测出弹丸穿过激光靶面时的弹着点位置，通过建立空间直角坐标系，根据弹道特性，通过连接同一发弹丸穿过两个激光靶面的弹着点，并延长交于地面，交点即可近似等效为实际的打靶弹着点。通过计算，得出弹丸末端弹道参数(包括在地面上的实际弹着点位置)，同时，运用均值法和线性回归拟合等数据统计处理方法[11]，借助SPSS、MATLAB等软件，对得出的数据进行误差处理和和定位修正，满足大范围精确探测高速小目标的要求。

2.3激光靶面探测误差分析

该激光探测靶采取立靶的方式，通过合理设置探测器距离靶场的位置以及适当调整靶面的角度，机载火炮在地面的爆炸产物飞溅不到靶面的有效探测区域，从而避免了前一发炮弹在地面的爆炸产物对后续炮弹的探测的影响，同时，增加探测器距离靶场的位置还可以提高探测器的安全性。

该激光探测靶采用多重频脉冲激光测距技术，在报靶系统中添加单片机控制芯片在一个周期内实现对弹丸的多次测量，结合自动增益控制技术、接收放大技术等，可大大提高脉冲激光测距的精度。

对于多次测量，探测系统总的测量误差Δ和测量次数N的关系为

(1)

其中Δ单为单次测量的误差。根据文献[12]，对于短距离(100 m内)的多次测量(1 000次)。每一次测量中，系统误差Δ系统为5 mm，时间测量单元误差Δ时间为9.8 mm，脉冲上升时间的误差Δ脉冲为5 mm，噪声误差Δ噪声为13.2 mm，则单次测量误差为

(2)

探测系统总的测量误差为

(3)

这样的探测系统总的测量误差完全可以满足机载火炮对地攻击训练的报靶精度要求。

该激光探测靶探测范围大、探测精度高、环境适应性强，能满足对于不同弹丸、不同弹速和不同发射方式(单射、连射、齐射)的弹着点精确和及时有效地探测，可有效避免昆虫以及弹丸爆炸产物等干扰，并且可移动和安装方便，适应于机载火炮对地攻击训练的弹着点探测定位。

3结束语

在机载火炮对地攻击训练时，能及时有效探测出弹着点位置对于评判飞行员打靶成绩、提高训练技能有重要作用。然而，目前还没有一种有效的自动报靶系统，已被应用的射击报靶系统应用于机载火炮对地攻击的报靶又有很多局限性。基于高重频脉冲激光测距原理的自动报靶系统可适应检测弹着点的复杂条件，解决其他报靶系统应用于机载火炮对地攻击训练报靶遇到的难题和局限，是一种比较有效的报靶系统。

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(责任编辑杨继森)

本文引用格式：陈朋，诸德放，王杨.机载火炮对地攻击训练自动报靶方法[J].兵器装备工程学报，2016(4):81-84.

Citation format:CHEN Peng，ZHU De-fang，WANG Yang.Automatic Target-Scoring Methods in Airborne Artillery Air-to-Ground Attack Training[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):81-84.

Automatic Target-Scoring Methods in Airborne Artillery Air-to-Ground Attack Training

CHEN Peng，ZHU De-fang，WANG Yang

(Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Abstract:As it’s difficult to detect impact points of airborne artillery air-to-ground attack, this paper introduced several automatic target-scoring methods, and analyzed the advantages and limits of airborne artillery air-to-ground attack, and put forward an automatic target-scoring method based on high repetition frequency pulse laser rang finding theory. This method has the characteristics of large range detection, high-accuracy and good environmental suitability, which could satisfy impact point detection in indifferent condition.

Key words:image processing; charge-coupled device; acoustic electricity; optical fiber coding; laser

文章编号：1006-0707(2016)04-0081-04

中图分类号：TJ43

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.020

作者简介：陈朋(1991—)， 男，硕士研究生，主要从事武器系统与运用工程研究。

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2015-11-20

【光学工程与电子技术】