中国指挥与控制学会会刊 
随着鱼雷技术的发展,与之博弈的鱼雷防御技术也突飞猛进,世界多国不同程度地研制了各自的鱼雷防御武器系统[1]。与诱骗、干扰为主的软杀伤对抗不同,硬杀伤拦截鱼雷武器系统则是在来袭鱼雷的航路上布阵拦截弹,等其靠近或通过时将之摧毁或使其功能丧失。拦截弹发射后的落点散布是影响其作战效能的重要因素,落点散布是拦截弹重要的性能技术指标考核内容,根据测试环境的不同,有陆试、湖试和海试之分。弹着点的海上测量[2⇓-4]与湖上测量、陆上测量有明显的差别,难度大、测量手段少是行业内长期以来的共识。因此,如何对拦截弹的海上弹着点进行测量是本文讨论的根本目的,通过本文的讨论希望能对鱼雷防御武器系统试验海上测量或其他类似试验任务提供一定的有益帮助。
1 试验任务测量需求
鱼雷防御武器系统性能是否先进、技术指标高低与否,最终表现在对来袭鱼雷的拦截效果上。具体来说,当来袭鱼雷经过拦截阵时,拦截阵的实际等效长度是否能将来袭鱼雷的航路有效覆盖,等效长度是否在设计指标的允许范围内,拦截阵的密集度或均匀度是否符合战术要求,来袭鱼雷处于拦截弹的有效作用距离内是否将其成功拦截等一系列技术问题都需要通过海上射击试验来回答。试验的一项任务就是获取悬浮式拦截弹的布阵态势图,从中可得到与作战效能相关的拦截弹间距、拦截阵方向与来袭鱼雷航向的夹角数据和弹着点密集度,用作试验后评判拦截弹引信动作和毁伤效果的有效依据。
2 高空测量方案原理
2.1 成像原理
如图1 所示的光路图中,距离相机镜头中心为d的线状物体, 假设长度为a,成像在焦距为f的底片或感光元件上,大小设为b,根据相似原理,得到如下关系式:
b/a=f/d
经过变换可得到a=bd/f,可以看出,在感光元件或底片大小一定的条件下,相机能清晰成像的最大范围a和最大拍摄距离d、成像大小分别呈线性关系,此式表明,在确知拍摄距离和相机焦距的前提下,可以通过测量图片中物体影像的大小来测算真实物体的尺寸,这是本文讨论的弹着点测量方案的理论依据。
2.2 海上测量实际
针对试验任务需求和拦截弹飞行弹道的特点,为了及时得到该型拦截弹在海上的落点分布,必须采用高空摄像方式来实施。但海上高空作业容易受到高空风和相机平台晃动的综合影响,会对拍摄效果产生一定影响。在通常状况下,正面拍摄的平面物体图像能客观地反映物体尺寸,如图1 所示,如果存在一定的倾斜角度拍摄时将会造成纵向方向上某种程度的失真,如图2 示意。
首先假定在单平面内,相机倾斜角度为α,拍摄高度为h,等效物距h″,即表达式(1)中d,相机视角半角λ,如图2 所示。h'为镜头中心到辅助线a″的距离,根据等价关系、相似原理和正弦定理,不难得到:
=
=
再结合式(1),容易得到:
a'= ·cos α
由图2 可知,相机倾斜角度α需要满足λ+α∈(λ,90°),即相机拍摄倾斜角度要在一定幅度内,具体的角度要与拍摄当时的调焦范围相对应;实物在影像中几个像素的变化都将带来拦截弹海上落点测量精度的重大变化,因此对参与试验的相机提出较高的分辨率要求。
海上高空拍摄时,由于相机搭载平台存在俯仰、横滚和旋转三个自由度上的变化,因此,为保持拍摄的稳定性,搭载相机也相应呈现如上三个自由度变化,拍摄影像应是多自由度合成的结果。α、β、θ分别为相机的绕轴俯仰角、横滚角和旋转角,相机搭载平台坐标为(0,0,h),如图3 所示。
经分析知,相机绕竖直方向的水平旋转只改变物像位置但不影响测量效果,而横滚角对俯仰角影响关系可由式(6)表示。
tan α'=cos θ·tan α
空中拍摄时引起横滚的通常是风速风向不稳,但在实际试验时如果气象良好,应不至于引起较大的横滚角度,因此影响测量失真的主要因素仍是相机拍摄时的俯仰角度。
2.3 弹着点间距的确定
拦截弹入水时将会击起水花或水柱,若是悬浮式拦截弹,入水后将会在海面浮起气囊,及时记录这些水花或气囊的相对位置和记录时刻的高度、摄像姿态,就形成了拦截弹海上落点散布及事后处理所需的第一手资料。
通过图像数据处理软件,读取水花或气囊中心之间的像素数,结合感光元件尺寸,计算图像弹着点间距。对其中存在透视效果的,要依据上述关系式加以校正。
3 海上测量方案设计
3.1 测量方案选择
通过上述分析过程可知,如何获得相机俯仰角和横滚角是海上测量方案的技术关键点和难点。若采用肩扛式人工高空摄影,手动记录同步图像的俯仰角度和高度理论可行,但在相对紧张的时间里手动记录所需数据不具有可操作性,所需姿态角参数精度无法保证。因此需要通过软件控制高清摄像机进行连续拍摄,实时同步录取所需参数。计算所需的高度参数可通过高度仪获取,摄像机的姿态角度可通过安装陀螺稳定吊舱方法获得。通过程序控制,还可实现遥控摄录,节约试验成本。
3.2 海上测量布局
根据拦截弹海上试验测量方案和航路要求,参试设备和兵力海上可按图4 所示布局。
三个自定位浮标大致呈等边三角形,分布于拦截弹有限落点区域外围,可以起到区域指示作用和对比尺度作用。区域指示作用是指,在发射拦截弹前作为空中摄录系统的初始聚焦定位参考点,为系统被试舰发射拦截弹时刻提供位置参考。对比尺度作用是指,任意两个自定位浮标的连线都可以看作一个可拉伸比例尺,通过该“比例尺”来对比测量拦截弹落点的散布、拦截阵方向。这样设置的目的是通过航路设计,提前布设浮标阵,悬浮式拦截弹若能在预设“伏击圈”成功拦截来袭鱼雷,不但考核了拦截弹的各项设计指标、拦截效果,同时也验证了武器系统火控台对目标运动要素的解算功能的正确性。
图像摄录系统暂定以直升飞机为平台,在拦截弹预定入水区域正上或接近正上方安全空域提前开机备便,实时抓拍拦截弹弹着点影像,并记录摄录姿态。
3.3 方案的可行性分析
高清摄像机的分辨率对试验测量结果有极其重要的影响,试验需求对高清摄像机提出较高要求。根据现有的摄像机发展技术水平,如某品牌的摄影设备连拍速率为6帧/s,镜头焦距为28 mm,其CCD感光元件尺寸36 mm×24 mm,分辨率为5760×3840像素,则像元尺寸为6.25 um,最大视角为65.4°。以摄像机拍摄高度为900 m算,按式(1)可求得相应地面分辨率为200.89 mm,即1 m线状目标在像平面上呈现约为5个像素点,可满足1m2的拦截弹击水水花的识别要求,可拍摄海面区域约为1156 m×771 m,远远覆盖了拦截阵的区域范围。可见飞行高度有较大冗余,若采用更先进的广角镜头,实际飞行高度还可降低。另外,3级海况属于波峰开始破裂,偶见白浪花,这些白浪花不会对大面积的拦截弹击水水花形成干扰,因此从技术上来说,用高清摄像机拍摄拦截弹击水水花进行拦截弹态势测量的方法存在理论上的可行性。
现使用尼康d7200照相机(感光元件尺寸为23.5 mm×15.6 mm),采用其中等分辨率4496×3000像素对一枚一元人民币硬币(直径25 mm)从不同位置进行摄像测量,测量条件和计算结果见表1 。
表1 验证实验结果统计 |
| 次数项目 | 1 | 2 | 3 | |
|---|---|---|---|---|
| 测量 条件 | 拍摄高度 | 150 cm | 140 cm | 700 cm |
| 水平距离 | 80 cm | 80 cm | 300 cm | |
| 倾角 | 28. 07° | 29.74° | 23.20° | |
| 焦距 | 55 mm | 27 mm | 200 mm | |
| 视角 | 43° | 77° | 12° | |
| 摄像 结果 | 高度像素 | 148 | 70 | 112 |
| 宽度像素 | 167 | 82 | 130 | |
| 测量 结果 | 横向尺寸 | 26.84 mm | 25.46 mm | 25.74 mm |
| 横向误差 | 7.37% | 1.86% | 2.97% | |
| 纵向尺寸 | 24.89 mm | 27.40 mm | 22.22 mm | |
| 纵向误差 | -0.46% | 9.6% | -11.11% | |
由于测量条件的限制,本例验证拍摄高度和水平距离不是精准数值,拍摄焦距取自拍摄图像文件属性,各焦距对应的镜头视角是根据资料折算得到。由于透视效果的存在,在提取硬币图像上边缘时难以准确把握,这和纵向尺寸的换算结果与真值存在较大出入有直接关系。
可用作高空摄影平台的有直升机、热气球和飞艇等,但后两者易受高空风影响,不易悬停定位,稳定平台[5]安装受限。无人直升机定点悬停性能好,机动性好,对起降场所要求较低,安装稳定吊舱方便,但高空拍摄必须采用遥控拍摄,无线传输受限,抗风能力欠佳,初始位置确定对焦难,这对单次试验耗费巨大,机会稍纵即逝的拦截弹入水场景拍摄存在较大风险。有人直升机航拍主要涉及直升机的悬停高度、稳定吊舱安装等使用问题。受高空气流的托举效应影响,现场实施的悬停高度与理论高度会有所差别,有人直升机作为测量平台应是最佳选择。
本文述及的“自定位浮标”不需精确定位,只是两个浮标点之间的相对距离,这样可以脱离必须架设基站的限制,符合远离陆地的海上试验海域要求,动态比例尺的设置也可成为事后数据处理的有效补充手段。
综合来说,本文提出的基于图像处理的高空摄影测量拦截弹海上弹着点态势的方案在技术上是可行的。
4 结束语
据了解,国外对鱼雷防御对抗战术技术研究得较早,发展得较快,鱼雷防御武器系统比较先进,较为完善。而首装某舰的鱼雷防御武器系统作为我国一种全新的硬杀伤来袭鱼雷的武器系统,还需通过鉴定试验在各种接近实战条件下对其实际作战性能给出科学合理的评判,而试验方法的选择显得尤为重要。本文从试验实际需求出发,提出基于图像处理的某型拦截弹海上弹着点态势的高空摄影测量方案[6],也可拓展应用到无浮标定位的更接近实战情势的试验测量中,希望对后续的该试验任务或其他类似型号试验任务有所帮助,对提升我军战斗力有所帮助。