CN103868528B - 靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法 - Google Patents
靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,包括:1)确定模拟目标;2)选用姿态板;3)将姿态板安装在平行光管上;4)将平行光管固定在可倾斜桁架上;5)对姿态板中心点进行测量;6)对模拟目标进行多点测量;7)对各模拟目标的姿态进行拟合;8)计算被测姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离;9)被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像;10)将被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较。本发明可为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据,提高测试精度。
Description
技术领域
本发明属于靶场光学测量技术领域,具体涉及一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,尤其涉及一种对光电经纬仪等姿态测量设备姿态测量精度的室内测量方法。
背景技术
随着现代武器装备不断向高精度、高机动性和高智能化方向发展,不仅要求靶场光测设备在性能上具有高精度、高分辨力、高可靠性和强实时性,而且要求在功能上突破传统的目标“质点化”的测量模式,将目标作为一个具有空间三维几何结构的“立体化”目标进行处理,拓展为对目标空间三维参数测量,如导弹的起飞,飞行过程中的俯仰、偏航、滚动,导弹的再入,火箭的飘移、级间分离、助推器脱落,飞机发射导弹时导弹脱钩姿态,末端制导炮弹开仓点姿态,激光制导炸弹导引头与弹体夹角等测量。测量和记录每一时刻目标的飞行轨迹和三维姿态信息,可以判断目标入轨或攻击的准确性,为各种型号设计和改进提供依据。国内多位学者就目标三维姿态测量方法进行了研究,于起峰等人在《国防科技大学学报》2000,22(2),p15-19上发表了“用光测图像确定空间目标俯仰角和偏航角的中轴线法”,该文提出了一种用电影经纬仪等光测设备获得的图像确定火箭等空间轴对称目标的俯仰角和偏航角的新方法。于起峰等人在《光学技术》2002,28(1),p77-82上发表了“从单站光测图像确定空间目标三维姿态”,该文充分利用空间目标的几何先验知识,提出了一种从单站经纬仪等光测设备获得的图像确定火箭等空间目标三维姿态的方法。彭晓东等人在《光子学报》2007,36(3),p568-573上发表了“惯量椭圆法在单站光测目标三维姿态测量中的应用”,提出了一种通过对图像中分割出来的目标图像,计算其惯量椭圆,并根据该惯量椭圆推算出目标的空间姿态角的方法。上述文献的研究内容可总结为:如何利用光电经纬仪等靶场光学测量设备获得导弹、火箭等空间飞行目标的姿态。
目前,光电经纬仪等靶场光学测量设备的姿态测量精度鉴定通常在靶场进行,光电经纬仪等被鉴定姿态测量设备和其它高精度姿态测量设备对同一个目标进行同步测量,光电经纬仪的测量结果与高精度姿态测量设备的测量结果之差即为其姿态测量误差。但是,光电经纬仪等姿态测量设备出厂前需要对各性能指标进行测试,各项指标均满足技术要求才能出厂。如何在实验室内准确的评价光电经纬仪等姿态测量设备的姿态测量精度是否合格,就成为摆在光学测量设备研制及测试人员面前的难题。而对现有的文献进行检索发现,李霞等人在《光子学报》2007,36(7),p1360-1363上发表了“高速电视姿态测量设备室内目标姿态模拟与标定测量”,提出了一种使用检测架、平行光管以及图形板(刻有不同角度的目标刻线和十字丝)室内模拟无穷远目标姿态,用高准确度经纬仪对模拟的无穷远目标姿态进行标定、测量结果与采用高速电视姿态测量设备对室内模拟目标的测量结果比较,从而确定高速电视测量***姿态角的测试准确度。基于中轴线法,用多个测量站交会测量目标姿态的方法中,影响姿态测量精度的关键因素有两个:(1)目标中轴线的斜率;(2)目标中轴线的截距。然而,该方法只能鉴定姿态测量设备获得的目标像的斜率误差,不能鉴定姿态测量设备获得的目标像的截距误差;其次,该方法对模拟的无穷远目标姿态进行标定的数学模型是在平面坐标系下推导出来的,模型不够精确;(3)经反复验证发现该方法对模拟目标姿态的标定误差较大,远低于该文献给出的标定精度。因此,研究光学姿态测量设备室内姿态精度的测试方法,可以为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据,对靶场光测设备的性能改进及发射场测控***的发展具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题,本发明提供了一种在姿态测量设备出厂前在实验室内完成其姿态测量精度的鉴定工作,从而可以为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据,保证设备的姿态测量精度满足任务要求的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法。
本发明的技术解决方案是:本发明提供了一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特殊之处在于:所述方法包括以下步骤:
1)根据需要被测姿态测量设备确定模拟目标;
2)根据模拟目标选用姿态板;
3)将姿态板安装在平行光管上,并使姿态板位于平行光管焦平面处;
4)将平行光管固定在可倾斜桁架上;
5)采用高精度经纬仪或全站型电子速测仪对姿态板中心点进行测量,同时记录姿态板中心点的方位俯仰角(A0,E0);
6)采用高精度经纬仪对模拟目标进行多点测量,同时记录各测量点的方位俯仰角(Ai,Ei),其中,i=1,2,3,…,n;
7)根据步骤5)中所获取的姿态板中心点的方位俯仰角(A0,E0)以及步骤6)中所获取的模拟目标的各测量点的方位俯仰角(Ai,Ei)对各模拟目标的姿态进行拟合,得到各模拟目标的倾角的真值;
8)计算被测姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离;
9)被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像,经过图像判读***输出各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离;
10)将步骤9)所中被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与步骤7)和步骤8)所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较,得到将姿态测量设备的姿态测量精度。
上述步骤1)的具体实现方式是:
根据被测姿态测量设备的工作波段选择相应的目标模拟方案,靶场常用光学测量设备分为可见光测量设备以及红外光学测量设备。
上述步骤2)的具体实现方式是:
所述姿态板包括玻璃姿态板和金属姿态板;
所述姿态板上目标的尺寸的确定方式是:
式中:
R——目标的距离,单位:m;
f′——平行光管焦距,单位:mm;
L——被测目标的尺寸,单位:m;
l——姿态板上目标尺寸,单位:mm。
上述步骤5)的具体实现方式是:
用高精度经纬仪或者全站型电子速测仪进行精确调平,测量姿态板中心点坐标,记录其方位俯仰角为(A0,E0)。
上述步骤6)的具体实现方式是:
用高精度经纬仪对各模拟目标进行多点测量,在测量时根据目标大小及形状确定是沿目标的边缘选取测量点还是沿目标的中轴线选取测量点;在目标较窄时可选择沿目标中轴线选取测量点,在目标较宽时沿目标边缘选取测量点,测量点数不低于10个,选取的测量点在目标上均匀分布。
上述步骤7)的具体实现方式是:
7.1)由姿态板中心点测量坐标(A0,E0)及目标上选取的若干点测量值(Ai,Ei),i=1,2,3,…,n,根据以下公式计算各测量点相对姿态板中心点的坐标值(xi,yi),i=1,2,3,…,n;
Vi=atan[tanEi/cos(Ai-A0)]-E0
xi=tan(Ai-A0)·cos(E0+Vi)·f'摄
yi=tanVi·f'摄
其中:
f'摄——摄像机的焦距,单位:mm。
7.2)用最小二乘法用一阶多项式模型对步骤7.1)所得到的(xi,yi)进行拟合,得到一条直线,该直线的斜率是该目标的中轴线的倾角的正切值,倾角是表示该目标姿态的关键参数。
上述步骤8)的具体实现方式是:
根据姿态板中心点到各目标中轴线的距离计算姿态测量设备像面上姿态中心点像到各目标像的中轴线的距离;具体计算方式是:
式中,
di——是姿态板中心点到各目标中轴线的距离
di'——是姿态中心点像到各目标像的中轴线的距离,单位:mm;
f'平——平行光管的焦距,单位:mm;
f'摄——摄像机的焦距,单位:mm。
上述步骤9)的具体实现方式是:
根据被测姿态测量设备的保精度跟踪角速度和保精度跟踪角加速度设计正弦引导函数,对被测姿态测量设备进行正弦引导,使被测姿态测量设备经过平行光管时角速度最大,姿态测量设备的摄像机对各目标进行动态成像,记录目标的图像,经图像判读***判读给出目标中轴线的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离,作为姿态测量设备的测量值。
上述步骤10)的具体实现方式是:
将姿态测量设备的测试结果与真值比较,得到将姿态测量设备的姿态测量精度,测试结果以多个目标测量误差的均方根表示;
式中,
Δθ,Δd——倾角及截距测量误差;
θi',di'——倾角及截距测量值;
θi,di——倾角及截距真值;
m——测量目标的个数。
本发明的有益效果是:
本发明提供了一种室内检测光电经纬仪等姿态测量设备姿态测量精度的装置和方法,打破了传统的在靶场才能完成精度鉴定的局限,缩短了姿态测量设 备的研制周期,同时可以为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据,具有很强的实际应用价值。
附图说明
图1姿态板示意图;
图2可倾斜桁架示意图;
其中:
1,2,3,4,5-模拟目标;6-安装有姿态板的平行光管;7-被测姿态测量设备;8-地基环;9-可倾斜桁架。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
本实例中“姿态测量设备”的参数如下:摄像***的焦距为1000mm,工作波段为3~5μm,被测目标导弹,直径为3m,长度为30m,作用距离为8km。
整个实施例的具体实现过程如下
步骤1:确定目标模拟器组成。
根据被测姿态测量设备的工作波段选择相应的目标模拟方案,靶场常用光学测量设备根据工作波段,可分为可见光测量设备、红外光学测量设备。对于可见光光学测量设备,目标模拟器由以下几部分组成:可见光平行光管、由玻璃板或金属薄片制作的姿态板、卤素灯(或其它可见光光源)。对于红外光学测量设备,目标模拟器由以下几部分组成:红外平行光管、由金属薄片制作的姿态板、黑体(或其它红外辐射源)。因为被测姿态测量设备的工作波段为3~5μm,为中波红外。目标模拟器的平行光管的工作波段应覆盖3~5μm,可选择反射式平行光管,无色差,工作波段宽,还具有尺寸小、重量轻便于架设。姿态板选用薄铜片制作,根据需要模拟的目标的大小和形状,在薄铜片上刻划相应大小和尺寸的孔。光源选用面源黑体,其工作温度应大于100℃,以保证信号的强度。
步骤2:设计姿态板。
姿态板根据其基板材料可分为玻璃姿态板和金属姿态板。玻璃姿态板通常用于可见光目标的模拟,其制作方法是,在玻璃基板的背景区域镀黑色无反光镀层,在目标区域无黑色镀层,透光区即形成了目标。金属姿态板配合可见光 光源可以模拟可见目标,和红外辐射源配合可以模拟红外目标。其制作方法是,在金属基片上刻划一定形状的孔,该孔透光形成目标,其它区域不透光形成背景,金属基板通常选用热传导性较好的铜片。
在薄铜片上刻划一定形状的孔,该孔透光形成目标,其它区域不透光形成背景。
姿态板上目标的形状及尺寸的确定:
被测目标导弹可以认为是轴对称的,沿轴线的截面为矩形,因此,姿态板上的目标设计为矩形。按照尺寸缩比等效的方法在实验室内用焦距为f'=1200mm的平行光管模拟。被测目标直径为3m,长度为30m,目标与测量***的距离为8km。
则姿态板上孔的尺寸应为:
目标在姿态板上的分布:
在姿态板的中心设计一个圆点,作为目标像截距的测量基准,各目标的中轴线与姿态板中心的距离可以用大型工具显微镜或者三坐标测量机进行精确测量,作为真值。多个目标以一定的角度分布在姿态板上,如图1所示,在图1中,装置包括模拟目标1、模拟目标2、模拟目标3、模拟目标4以及模拟目标5。目标在姿态板上呈60°角对称分布,到姿态板中心的间距设计为5mm。
步骤3:将姿态板安装在平行光管上,并使其位于平行光管焦平面处。
靶场被测目标如导弹、火箭、炸弹通常距离光电经纬仪等光学测量设备较远,两者之间的距离远大于光电经纬仪摄像机的焦距,可近似为无穷远目标。因此,需要将制作好的姿态板精确安装在平行光管的焦平面上,以模拟无穷远的被测目标。
姿态测量设备与测量目标的距离从几百米到8公里,该距离远大于姿态测量设备摄像***的焦距f'=1200mm,可近似为无穷远目标。因此,需要将制作好的姿态板精确安装在平行光管的焦平面上,以模拟无穷远的被测目标。
步骤4:将平行光管固定在可倾斜桁架上。
光电经纬仪的测角精度受照准差、水平轴倾斜误差、跟踪架变形等因素的影响,测量误差随目标俯仰的增大而增大。因此,通常将平行光管固定在可倾斜桁架上,通过可倾斜桁架可方便调整平行光管所模拟目标的俯仰角。可倾斜桁架示意图如图2所示,图2中,装置包括安装有姿态板的平行光管6、被测姿态测量设备7、地基环8以及可倾斜桁架9。
姿态测量设备在对飞行目标进行测量时,目标的方位角和俯仰角是变化的。目标的俯仰角通常小于65°,姿态测量精度的鉴定,也通常在该角度附近进行。但实例中平行光管的俯仰角约30°。
步骤5:用高精度经纬仪对姿态板中心点进行测量,记录方位俯仰角(A0,E0)。
对高精度经纬仪(或者全站型电子速测仪)进行精确调平,测量姿态板中心点坐标,记录其方位俯仰角为(0°0′0″,36°18′1.3″)。
步骤6:用高精度经纬仪对各模拟目标进行多点测量,记录各测量点的方位俯仰角(Ai,Ei),i=1,2,3,…,n。
用高精度经纬仪对其中一个模拟目标进行多点测量,在测量时可根据目标大小及形状确定是沿目标的边缘选取测量点还是沿目标的中轴线选取测量点。为提高测量精度,通常在目标较窄时可选择沿目标中轴线选取测量点,在目标较宽时沿目标边缘选取测量点,测量点数一般大于10个,选取的测量点在目标上的分布应尽量均匀。由于目标较大,对中轴线瞄准比较困难,而对边缘瞄准相对容易,在目标的边沿上均匀选取10个测量点,测量点方位俯仰角见表1。
表1测量点方位俯仰角
测量点序号 | 方位角A | 俯仰角E |
1 | 0°15′40.0″ | 36°10′31.2″ |
2 | 0°16′15.6″ | 36°10′17.5″ |
3 | 0°16′47.4″ | 36°9′59.1″ |
4 | 0°17′14.6″ | 36°9′47.9″ |
5 | 0°17′45″ | 36°9′33.3″ |
6 | 0°18′32.7″ | 36°9′10.9″ |
7 | 0°19′5.9″ | 36°8′53.9″ |
8 | 0°19′42.3″ | 36°8′34.2″ |
9 | 0°20′30.0″ | 36°811.0″ |
10 | 0°20′50.9″ | 36°8′3.4″ |
步骤7:按照推导的精确模型,对各模拟目标的姿态进行拟合,得到各模拟目标的姿态角真值。
由姿态板中心点测量坐标(0°0′0″,36°18′1.3″)及目标上选取的若干点测量值(Ai,Ei),i=1,2,3,…,n,按模型(10)、(11)、(12)计算各测量点相对姿态板中心点的坐标值(xi,yi),i=1,2,3,…,n。
Vi=atan[tanEi/cos(Ai-A0)]-E0 (10)
xi=tan(Ai-A0)·cos(E0+Vi)·f'摄 (11)
yi=tanVi·f'摄 (12)
用最小二乘法用一阶多项式模型对(xi,yi)进行拟合,可以得到一条直线,该直线的斜率即为该目标的中轴线的倾斜角的正切值,试验计算,该目标中轴线的倾斜角为39.6362°,该方法的测量得到的目标中轴线的倾斜角的精度为0.05°。
步骤8:计算各目标像到姿态中心点像的距离。
步骤2中对姿态板中心点到各目标中轴线的距离进行了测量,记为d=5mm。根据物像关系计算姿态测量设备像面上姿态中心点像到目标像的中轴线的距离。
步骤9:被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像,经过图像判读***输出各目标像的倾角及姿态板中心点像到各目标像的距离。
根据被测姿态测量设备的保精度跟踪角速度和保精度跟踪角加速度设计正弦引导函数,对被测姿态测量设备进行正弦引导,使其经过平行光管时角速度最大,姿态测量设备的摄像机对各目标进行动态成像,记录目标的图像,事后经图像判读***判读给出目标中轴线的倾角及姿态板中心点像到各目标像的距离,作为姿态测量设备的测量值。被测姿态测量设备对目标倾角的测量结果为 39.13°,目标中轴线到姿态板中心的距离为4.14mm。
步骤10:将姿态测量设备的测试结果与真值比较,得到将姿态测量设备的姿态测量精度,测试结果以多个目标测量误差的均方根表示。
该实例中仅对一个目标进行测量,所以不涉及到均方根的计算,被测姿态测量设备的测量结果与标定结果之差即为被测姿态测量设备的测量误差。
式中,Δθ,Δd——倾角及截距测量误差;
θi',di'——倾角及截距测量值;
θi,di——倾角及截距真值。
m——测量目标的个数。
Δθ=39.13-39.6362=-0.51°
Δd=4.14-4.167=-0.027mm。
Claims (9)
1.一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
1)根据需要被测姿态测量设备确定模拟目标;
2)根据模拟目标选用姿态板;
3)将姿态板安装在平行光管上,并使姿态板位于平行光管焦平面处;
4)将平行光管固定在可倾斜桁架上;
5)采用高精度经纬仪或全站型电子速测仪对姿态板中心点进行测量,同时记录姿态板中心点的方位俯仰角(A0,E0);
6)采用高精度经纬仪对模拟目标进行多点测量,同时记录各测量点的方位俯仰角(Ai,Ei),其中,i=1,2,3,…,n;
7)根据步骤5)中所获取的姿态板中心点的方位俯仰角(A0,E0)以及步骤6)中所获取的模拟目标的各测量点的方位俯仰角(Ai,Ei)对各模拟目标的姿态进行拟合,得到各模拟目标的倾角的真值;
8)计算被测姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离;
9)被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像,经过图像判读***输出各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离;
10)将步骤9)中被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与步骤7)和步骤8)所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较,得到被测姿态测量设备的姿态测量精度。
2.根据权利要求1所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤1)的具体实现方式是:
根据被测姿态测量设备的工作波段选择相应的目标模拟方案,靶场常用光学测量设备分为可见光测量设备以及红外光学测量设备。
3.根据权利要求2所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤2)的具体实现方式是:
所述姿态板包括玻璃姿态板和金属姿态板;
所述姿态板上目标的尺寸的确定方式是:
式中:
R——目标的距离,单位:m;
f′——平行光管焦距,单位:mm;
L——被测目标的尺寸,单位:m;
l——姿态板上目标尺寸,单位:mm。
4.根据权利要求3所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤5)的具体实现方式是:
用高精度经纬仪或者全站型电子速测仪进行精确调平,测量姿态板中心点坐标,记录其方位俯仰角为(A0,E0)。
5.根据权利要求4所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤6)的具体实现方式是:
用高精度经纬仪对各模拟目标进行多点测量,在测量时根据目标大小及形状确定是沿目标的边缘选取测量点还是沿目标的中轴线选取测量点;在目标较窄时可选择沿目标中轴线选取测量点,在目标较宽时沿目标边缘选取测量点,测量点数不低于10个,选取的测量点在目标上均匀分布。
6.根据权利要求5所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤7)的具体实现方式是:
7.1)由姿态板中心点测量坐标(A0,E0)及目标上选取的若干点测量值(Ai,Ei),i=1,2,3,…,n,根据以下公式计算各测量点相对姿态板中心点的坐标值(xi,yi),i=1,2,3,…,n;
Vi=atan[tanEi/cos(Ai-A0)]-E0
xi=tan(Ai-A0)·cos(E0+Vi)·f'摄
yi=tanVi·f'摄
其中:
f'摄——摄像机的焦距,单位:mm;
7.2)用最小二乘法用一阶多项式模型对步骤7.1)所得到的(xi,yi)进行拟合,得到一条直线,该直线的倾角是该目标的中轴线的倾角的正切值,倾角是表示该目标姿态的关键参数。
7.根据权利要求6所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤8)的具体实现方式是:
根据姿态板中心点到各目标中轴线的距离计算被测姿态测量设备像面上姿态中心点像到各目标像的中轴线的距离;具体计算方式是:
式中,
di——是姿态板中心点到各目标中轴线的距离
d′i——是姿态中心点像到各目标像的中轴线的距离,单位:mm;
f'平——平行光管的焦距,单位:mm;
f'摄——摄像机的焦距,单位:mm。
8.根据权利要求7所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤9)的具体实现方式是:
根据被测姿态测量设备的保精度跟踪角速度和保精度跟踪角加速度设计正弦引导函数,对被测姿态测量设备进行正弦引导,使被测姿态测量设备经过平行光管时角速度最大,被测姿态测量设备的摄像机对各目标进行动态成像,记录目标的图像,经图像判读***判读给出目标中轴线的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离,作为被测姿态测量设备的测量值。
9.根据权利要求8所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法,其特征在于:步骤10)的具体实现方式是:
将被测姿态测量设备的测试结果与真值比较,得到被测姿态测量设备的姿态测量精度,测试结果以多个目标测量误差的均方根表示;
式中,
Δθ,Δd——倾角及截距测量误差;
θ′i,d′i——倾角及截距测量值;
θi,di——倾角及截距真值;
m——测量目标的个数。
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