靶機陣地發(fā)射及回收航拍方法研究

王雷　計世勛

設計了一種基于多旋翼無人機的靶機陣地發(fā)射回收的航拍方法，對高速后上方拍攝、高速側方拍攝、常速后上方拍攝、常速側方拍攝四種拍攝模式進行了計算，對搭載的攝錄平臺進行了選型比對，對類似目標拍攝具有借鑒意義。

靶機是一種動態(tài)實物模擬器，替代真實的空中飛行器，用于防空武器系統(tǒng)的試驗鑒定、部隊演習等。靶機的使用貫穿于各型防空武器系統(tǒng)科研試驗和軍事訓練的始終，不僅為武器系統(tǒng)試驗提供一個攻擊目標，其性能更具有一個尺度作用，直接關系到對武器裝備的正確評價與應用，對部隊防空武器的發(fā)展和防空能力的提高起著至關重要的作用。目前靶機發(fā)射回收觀測方法主要基于地面的長焦攝像機及操控人員目測，其觀測范圍較近且在靶機回收時不易捕捉到目標。利用多旋翼無人機搭載高速攝錄設備進行航拍將大為提高觀測視場范圍，利于觀察整個發(fā)射陣地態(tài)勢，同時便于更早發(fā)現(xiàn)回收返航的靶機。本文對基于多旋翼無人機的靶機陣地發(fā)射及回收的航拍方法展開研究。

基本模型建立

以現(xiàn)有某型靶機基本為例，該機長3m，翼展1.6m，發(fā)射初速度為87m/s。陸上發(fā)射時，發(fā)射場風力情況：年平均風速5m/s，4-5月平均最大為6m/s.1月和12月平均最小為4m/s，最大風力33m/s;發(fā)射場氣溫情況：最低溫度-25.40C，最高溫度34.30C;發(fā)射前15min鎖定目標，發(fā)射后2min懸停跟蹤攝像，目標從視場中消失后停止攝像。目標回收前10min升空至回收區(qū)域待命，發(fā)現(xiàn)回收目標后跟蹤攝錄，順利回收后停止攝錄。要求拍攝分辨率達到能夠識別目標的程度，拍攝時間希望盡可能長。在靶機發(fā)射段，其運動軌跡可認為是仰角15。的直線，設TO時刻助推器點火，（TO+2）時刻目標脫離助推器（加速度為59），之后目標繼續(xù)以4m/s加速度加速運動。靶機回收過程為飛臨預定回收地域上空后空中停車，然后開傘飄落到預定回收位置或者附近位置，飄出范圍通常為2-3km。整個回收過程中，目標的速度很低。

拍攝方案設計

由于回收過程的拍攝對載荷要求相對較低，只需要載荷具備搜索跟蹤功能并滿足分辨率要求即可，因此，下面重點針對發(fā)射過程制定拍攝方案。側方拍攝時，必須與發(fā)射彈道垂面保持300m以上的水平距離，后上方拍攝時，必須在發(fā)射點后方30m以外進行拍攝。初步設定拍攝目標為：至少拍攝到目標脫離助推器之后2s的運動軌跡（直線距離約182m，仰角15。），先分兩種情況進行方案論述，再綜合對比拍攝效果選取最終的拍攝方案。

后上方拍攝

后上方拍攝時，拍攝示意圖如圖1所示。

其中，AO=s為無人機離開發(fā)射點后方的水平距離（≥30m），h為無人機拍攝的相對高度，設定拍攝時攝像機的光軸對準發(fā)射點O、橫向視場（圖中未示出）為w，則FG=v為等效縱向視場，BC=（X+y）為實際拍攝到的縱向視場大小，OE段為實際能夠拍攝到的發(fā)射過程。實際載荷選型時，給定AO=s的距離、作業(yè)高度h以及期望的橫向視場大小，即可根據(jù)圖1的幾何關系計算出各項參數(shù)或指標。

側方拍攝

側方拍攝時，拍攝示意圖如圖2所示。其中，DP為拍攝的光軸，同時也近似為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x（≥300m），ABFC為拍攝時截止到發(fā)射垂面的視場大小，OE段為實際能夠拍攝到的發(fā)射過程。

實際載荷選型時，給定DP=d的距離、期望的橫向視場w大小，即可根據(jù)圖2的幾何關系計算出各項參數(shù)或指標。

載荷選型

考慮旋翼機的帶載能力現(xiàn)狀，按照高速攝錄裝置和常速攝錄裝置兩種配置分別進行選型。

高速攝錄裝置

（1）后上方拍攝

要實現(xiàn)對目標的精確識別，目標翼展方向至少要在傳感器上占到8個像元以上，因此，系統(tǒng)分辨率至少要優(yōu)于1 .61 4m/8≈0.2m。如果橫向視場達到100m，則傳感器橫向的分辨率至少為100/0.2=500，由此初步選定美國VisionResearch公司R系列Micr0 120型高速攝像機.性能指標如下所示。

根據(jù)圖1的幾何關系，選定不同的AO=s距離、作業(yè)高度h和橫向視場，判別條件為：所計算的視場是否已經(jīng)覆蓋目標脫離助推器后2s的運動軌跡。在計算過程中，選定Micr0120型高速攝像機的分辨率為1024×1024，對應的幀頻為1530fps，計算結果表明只有兩組數(shù)據(jù)滿足上述判別條件，因此拍攝方案為無人機離開發(fā)射點后方水平距離100m，懸停高度100m，攝像機焦距7.2mm，光軸與水平線夾角45°，視場角為70.5°，拍攝到的實際視場大小為200m×565.7m，橫向分辨率為0.2m，縱向分辨率為0.55m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約3000幀圖像。

（2）側方拍攝

側方拍攝仍選定美國VisionResearch公司R系列Micr0120型高速攝像機，根據(jù)圖2的幾何關系，給定不同的DP=d距離，可得到表1的計算結果。

判別條件為：所計算的視場已經(jīng)覆蓋目標脫離助推器后2s的運動軌跡。在計算過程中，選定Micr0 120型高速攝像機的分辨率為1280×800，對應的幀頻為1600fps，拍攝方案為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x300m，懸停高度75m，攝像機焦距16mm，橫向視場角為43.6°，拍攝到的視場大小為240m x150m，分辨率為0.19m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約3200幀圖像。

常速攝錄裝置

如果考慮實時回傳，則只能選擇常速攝錄裝置，此時載荷選型盡可能保證傳感器的分辨率較高、吊艙的穩(wěn)定精度較高，以達到較好的攝錄效果。考慮到無人機的帶載能力，選擇某型光電吊艙，其性能指標如下：

（1）后上方拍攝

根據(jù)圖1幾何關系，選定不同的AO=s距離、作業(yè)高度h和橫向視場，可以得到表2的計算結果，其中的判別條件同上。在計算過程中，選定攝像機的分辨率為1920×1080，對應的幀頻為25fps，計算結果顯示只有一組數(shù)據(jù)滿足上述判別條件，無人機離開發(fā)射點后方水平距離300m，懸停高度100m，攝像機焦距6.1mm，光軸與水平線夾角18.4。，視場角為25.1°，拍攝到的實際視場大小為250m×801.2m，橫向分辨率為0.13m，縱向分辨率為0.74m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約50幀圖像。

（2）側方拍攝

根據(jù)圖2的幾何關系，給定不同的DP=d距離，可得到表2的計算結果。

判別條件同上。在計算過程中，選定攝像機的分辨率為1920×1080，對應的幀頻為25fps.拍攝方案為無人機離開發(fā)射彈道垂面?zhèn)确降乃骄嚯x300m，懸停高度75m，攝像機焦距5.4mm，橫向視場角為47.9。，拍攝到的視場大小為266.7m×150m，分辨率為0.14m。目標脫離助推器2s內(nèi)，將可拍攝約50幀圖像。

結束語

綜合對比上述4種拍攝方案（即高速后上方拍攝、高速側方拍攝、常速后上方拍攝、常速側方拍攝），從拍攝效果來看，可以得出以下結論：如果可以進行機載錄制，不要求實時回傳，推薦高速拍攝，能夠拍到足夠多的幀數(shù)，視頻非常連貫。后上方拍攝能更清楚地觀察目標的翼展方向，而側方拍攝可以更清楚地觀察目標的機長方向。如果必須進行機載錄制，則只能選取常速拍攝，只能拍到很少的幀數(shù)，很可能還會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。拍攝方位的選取則與高速裝置情況下有相似的結論。

（參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部）