【技术实现步骤摘要】
一种空中炸点三维坐标探测装置及测量方法
[0001]本专利技术涉及图像处理技术和目标探测领域，尤其涉及一种空中炸点三维坐标探测装置及测量方法。
技术介绍
[0002]靶场试验中，炸点空间坐标的测量是常规靶场最重要的测试项目之一，对于武器系统的毁伤效能评估具有重要意义。炸点空间坐标测量技术常用方法主要有3种：光电测量法、声学传感器测量法和图像测量法。光电测量主要采用光电经纬仪进行炸点坐标测量，起步早、应用广，自动化程度较高，当前炸点经纬仪是靶场主要的近地炸点测量设备。但在实际应用中也存在缺陷，因其大多焦距固定，且镜头与相机封装一体不可更换，针对不同测试需求适用范围有限，且传统炸点经纬仪由于帧频较低，捕捉到第一帧爆炸图像火光大，影响炸点像素坐标提取精度。声学传感器测量是通过获取爆炸时向周围辐射的爆炸冲击波信息，结合天幕靶和炸点火焰探测器，利用多传感器信息融合理论测量到炮弹飞行方向和炸点三维坐标。其阵列布设灵活，检测范围广，距离远，不受能见度和观测视野遮蔽影响，可全天时全天候使用。但爆炸声波受炮弹落区地形、环境影响大，声波信号容易粘连混淆，定位误差大。图像测量法利用高速摄相机对测量目标进行跟踪拍摄，其具有布站方便、多镜头灵活更换的优势，近年来在靶场测试中应用较多。由于炮弹在爆炸瞬间爆炸火光迅速膨胀，并产生烟雾，其火光维持的时间只有几毫秒，因此具有高速性和瞬时性，受高速摄相机帧频的限制，常常不能捕获到爆炸瞬间第一时刻火光图像信息。
技术实现思路
[0003]本专利技术解决的问题在于提供了一种空中炸点三维坐标探...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种空中炸点瞬时三维坐标探测装置，其特征在于，包括天幕靶触发装置、测试标杆、炸点图像处理系统、北斗时统装置和至少两台高速摄像机；在终点弹道的安全区域布站位置处用三脚架分别在弹道两边均架设至少一台高速摄像机，并做岩体防护，使炮弹预炸范围处于终点弹道两边的高速摄像机的交汇探测视场区域内，将天幕靶触发装置布设在距离终点弹道两边的高速摄像机中心位置前端300～500米的预弹道下方安全区域，在理论炸点处放置测试标杆，并测量测试标杆的坐标，炸点图像处理系统和北斗时统装置布设在炸点以外安全区域，并设岩体防护；高速摄像机分别与天幕靶触发装置、炸点图像处理系统和北斗时统装置相连，北斗时统装置与炸点图像处理系统相连。2.根据权利要求1所述的空中炸点瞬时三维坐标探测装置，其特征在于，所述的测试标杆为至少两组测试标杆。3.根据权利要求1所述的空中炸点瞬时三维坐标探测装置，其特征在于，所述的高速摄像机，用于从多个角度、近距离同步拍摄终点弹道中目标炮弹的序列图像信息；天幕靶触发装置，用于向弹道两边的高速摄像机提供统一的触发信号，以确保炮弹飞过天幕靶触发装置时给高速摄像机提供准确的同步启动拍摄信号，以使高速摄像机准确拍摄到炮弹爆炸前后时段的图像信息，来降低高速摄像机图像信息的存储容量；测试标杆，用于在试验开始前，为弹道两边的高速摄像机提供已知坐标点，在试验后对高速摄像机内外参数进行标定和空间坐标解算；炸点图像处理系统，用于对通过高速摄像机捕获的目标炮弹序列图像信息，采用图像分帧获取炮弹爆炸前一帧未起爆时的炮弹图像信息和炮弹爆炸后第一帧出现火光的炮弹火光图像信息，并采用图像插帧算法结合炮弹爆炸火球膨胀模型获取炮弹起爆时第一时刻的火光图像信息，利用炮弹起爆时第一时刻的火光图像信息计算出炮弹爆炸时第一时刻的炸点空间三维坐标和爆炸时刻信息。4.一种利用权利要求1至3任一项所述的空中炸点瞬时三维坐标探测装置的空中炸点瞬时三维坐标测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：炸点图像处理系统将检测识别出的炮弹爆炸前一帧未起爆时的炮弹图像信息和爆炸后第一帧出现火光的炮弹火光图像信息，及对应每帧时刻T
n
‑1、T
n1
，采用图像插帧算法中的帧混合插帧算法，并结合炮弹爆炸火球膨胀模型，计算出插入帧图像各像素点，生成中间帧图像Gd0(u
e
,v
e
,t0)，即炮弹起爆时第一时刻的火光图像信息；步骤2)：对步骤1)生成的中间帧图像Gd0(u
e
,v
e
,t0)进行分析，存在两种情况：1)炮弹与炮弹起爆时第一时刻的火光图像帧混合后，不存在叠加或者部分叠加，则中间帧图像的炸点坐标为炮弹坐标和炮弹起爆时第一时刻的火光图像中心坐标的中间点；2)炮弹与炮弹起爆时第一时刻的火光图像帧混合后，炮弹目标完全与火光图像重合，则中间帧图像的炸点坐标即为炮弹起爆时第一时刻的火光图像中心坐标；再根据分析结果将步骤1)得到的炮弹起爆时第一时刻的火光图像信息采用基于矩的重心坐标提取算法计算中间帧图像Gd0(u
e
,v
e
,t0)的炸点坐标(u
p0
,v
p0
)；并计算对应插帧图像的帧时刻；步骤3)：根据测试标杆图像解算出相机内外标定参数，获取系统标定数据；通过建立图像像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系，结合各个坐标系间的转换关系，求解空间炸点坐标模型，并将步骤2)得到的中间帧图像Gd0(u
e
,v
e
,t0)的炸点坐标(u
p0
,v
p0
)代入空间炸点坐标模型中，求解出炸点的空间三维坐标及爆炸时刻。
5.根据权利要求4所述的空中炸点瞬时三维坐标测量方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括以下步骤：步骤4)：在终点弹道安全区域布设天幕靶触发装置、测试标杆、炸点图像处理系统、北斗时统装置和至少两台安装在终点弹道两边的高速摄像机；并将各个装置安装起来，形成空中炸点瞬时三维坐标探测装置；步骤5)：当目标炮弹经过天幕靶触发装置探测区域时，天幕靶触发装置输出触发信号，同时启动弹道两边的高速摄像机对目标炮弹进行实时连续高帧频视频图像采集，并将采集到的图像进行缓存，得到目标炮弹序列图像信息，并将得到的目标炮弹序列图像信息发送给炸点图像处理系统；步骤6)：炸点图像处理系统接收高速摄像机发送的目标炮弹序列图像信息，并将得到的目标炮弹序列图像信息，采用视频分帧方法提取出炸点区域的图像信息，然后采用减背景和形态滤波的方法，检测识别出炮弹爆炸前一帧未起爆时的炮弹图像信息和爆炸后第一帧出现火光时的炮弹火光图像信息，及对应每帧时刻T
n
‑1、T
n1
。6.根据权利要求5所述的空中炸点瞬时三维坐标测量方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：在终点弹道的安全区域布站位置处用三脚架在弹道两边分别架设至少一台高速摄像机，并做岩体防护，使炮弹预炸范围处于终点弹道两边的高速摄像机的交汇探测视场区域内，将天幕靶触发装置布设在距离弹道两边的高速摄像机中心距离300～500米处的预弹道下方安全区域，在理论炸点处放置至少两组测试标杆，并测量测试标杆的坐标，炸点图像处理系统和北斗时统装置布设在炸点以外安全区域，并设岩体防护；高速摄像机分别与天幕靶触发装置、炸点图像处理系统和北斗时统装置相连，北斗时统装置与炸点图像处理系统相连；步骤5)具体为：当目标炮弹经过天幕靶触发装置探测区域的天幕靶光学镜头形成的光幕时，由于目标炮弹遮挡了一部分光线，使到达天幕靶光学镜头上的光电传感器感光面上的光通量发生变化，将变化的光通量经过模拟电路进行提取、放大、噪声滤波、电平转换电路的处理，最终输出一个固定脉宽的TTL电平信号同时给弹道两边的高速摄像机，启动弹道两边的高速摄像机对目标炮弹进行实时连续高帧频视频图像采集，并将采集到的图像进行缓存，得到目标炮弹序列图像信息，并将得到的目标炮弹序列图像信息发送给炸点图像处理系统；步骤6)具体为：提取步骤5)中得到的目标炮弹序列图像信息中的炮弹起爆前后目标炮弹视频信息起止时间，并采用视频分帧处理导出带有时间标记的每帧JPEG图像I(u
e
,v
e
,t)；获取炮弹进入视场前一帧图像作为背景图像M
bg
(u
e
,v
e
,t0)；对带有时间标记的目标炮弹序列图像信息采用背景差分算法进行减背景处理，来提取爆炸前一帧炮弹图像信息M
n
‑1(u
e
,v
e
,t
n
‑1)和爆炸后第一帧炮弹火光图像信息M
n1
(u
e
,v
e
,t
n1
)，其中，背景差分算法为：M
n
‑1(u
e
,v
e
,t
n
‑1)＝I(u
e
,v
e
,t
n
‑1)
‑
M
bg
(u
e
,v
e
,t0)M
n1
(u
e
,v
e
,t
n1
)＝I(u
e
,v
e
,t
n1
)
‑
M
bg
(u
e
,v
e
,t0)再在减背景处理后的多灰度级的目标炮弹序列图像信息中设灰度图像，设灰度图像为M(u
e
,v
e
,t)，在灰度图像M(u
e
,v
e
,t)中找出一个灰度值T作为阈值，将图像分割成两部分，然
后对初始的多灰度级的目标炮弹序列图像信息进行二值化处理，采用最大类间方差法确定阈值T，并将图像的全部像素互斥地分为了对象像素集G
O
和背景像素集G
B...
【专利技术属性】
技术研发人员：王泽民，刘敏，王守民，雷志勇，李静，史志军，闫克丁，雷秉山，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：
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