瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度試驗(yàn)方法研究*

陳小軍，胡 杰，2★，張 瑜，張正成

（1.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200；2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度是觀瞄儀的一個(gè)重要性能指標(biāo)，是武器裝備動(dòng)態(tài)跟蹤和瞄準(zhǔn)性能的綜合體現(xiàn)，直接影響著武器裝備的動(dòng)態(tài)打擊精度［1］。瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度目前的試驗(yàn)方法主要有兩種，一種為野外實(shí)測(cè)法，一種為模擬試驗(yàn)法［2］。野外實(shí)測(cè)法試驗(yàn)條件難以控制，易受氣象、地面環(huán)境、載車駕駛?cè)藛T駕駛水平等因素影響，導(dǎo)致試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)。模擬試驗(yàn)方法和野外試驗(yàn)法相比，試驗(yàn)條件可控、效率高，在目前觀瞄儀的工廠、研究所的交驗(yàn)和科研試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。模擬試驗(yàn)方法目前主要有兩種：一種為通過陀螺儀傳感器采集電壓信號(hào)計(jì)算角度值，該方法會(huì)引入系統(tǒng)噪聲，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，測(cè)試結(jié)果不直觀，不利于現(xiàn)場(chǎng)分析［3］；第二種為CCD 攝像頭采集視頻圖像處理計(jì)算角度值，該方法為間接采集觀瞄儀瞄準(zhǔn)線圖像方法，同時(shí)在測(cè)試系統(tǒng)中額外引入了CCD 攝像頭，在一定程度改變了觀瞄儀自身狀態(tài)，引入誤差。

本文提出了一種基于圖像處理的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度試驗(yàn)方法，利用Matlab 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，給出了異常數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)擬合的方法和計(jì)算步驟，提高了瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度計(jì)算的效率和精度，為觀瞄儀的性能評(píng)判和改進(jìn)提高提供了有力的方法支撐。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括觀瞄儀、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、平行光管（含配套的分劃板）、視頻記錄處理裝置等。

試驗(yàn)時(shí)將觀瞄儀安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整平行光管位置，使其正對(duì)準(zhǔn)觀瞄儀瞄準(zhǔn)鏡，從觀瞄儀讀取視頻圖像信號(hào)，傳輸至視頻記錄處理裝置。按照試驗(yàn)要求給三軸轉(zhuǎn)臺(tái)輸入振幅、頻率、時(shí)間等驅(qū)動(dòng)參數(shù)，啟動(dòng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，用視頻記錄裝置采集視頻圖像，系統(tǒng)組成見圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)處理步驟及方法分析

2.1 數(shù)據(jù)處理步驟

第1 步，通過視頻記錄處理裝置將視頻圖像轉(zhuǎn)換成一幀一幀的圖片，處理出來的圖片如圖2所示。

圖2 由瞄準(zhǔn)線視頻轉(zhuǎn)化的圖片

第2 步，測(cè)量每幀圖片中瞄準(zhǔn)線十字中心和分劃十字中心在方向和俯仰上的偏差值。該步驟主要是通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)十字之間的像素個(gè)數(shù)，并通過式（1）、式（2）將像素值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的角度值。

式中：α0（k）、β0（k）為第k 點(diǎn)方位向和高低向偏差值，mil；nαk、nβk為第k 點(diǎn)方位向和高低向的像素個(gè)數(shù)；θ 為分劃板最小刻度值，mil；nˉ0為分劃板最小刻度間的像素個(gè)數(shù)。

第3 步，以第一幀圖片的瞄準(zhǔn)線十字作為坐標(biāo)原點(diǎn)，后續(xù)圖片中瞄準(zhǔn)線十字坐標(biāo)和它做差，得到瞄準(zhǔn)線在方位向和高低向隨時(shí)間變化的偏差曲線α（i）、β（i）。

第4 步，根據(jù)偏差曲線擬合出漂移曲線αp（i）、βp（i），如圖3、圖4 所示。

圖3 一階擬合偏差曲線和漂移曲線

第5 步，按照式（3）、式（4）［4］計(jì)算瞬時(shí)穩(wěn)定誤差。

式中：α（i）、β（i）為單次第i 點(diǎn)方位向和高低向偏差值，mil；αp（i）、βp（i）為單次第i 點(diǎn)方位向和高低向漂移差值，mil；Δα（i）、Δβ（i）為單次第i 點(diǎn)方位向和高低向穩(wěn)定誤差，mil。

第6 步，按照式（5）～式（10）得到觀瞄儀的穩(wěn)定精度，計(jì)算結(jié)果見表1 所示。

圖4 二階擬合偏差曲線和漂移曲線

表1 一、二階擬合計(jì)算觀瞄儀穩(wěn)定精度

2.2 數(shù)據(jù)處理方法分析

2.1 節(jié)中描述了從視頻圖像到試驗(yàn)結(jié)果的一般數(shù)據(jù)處理流程和方法，但其計(jì)算過程中并未對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，在漂移曲線擬合的過程中也未明確擬合方法，因此，試驗(yàn)結(jié)果存在較大的誤差。下面將從3 個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析。

2.2.1 物理特性分析

觀瞄儀是武器火控系統(tǒng)的隨動(dòng)部件，根據(jù)其設(shè)計(jì)原理可知，觀瞄儀工作時(shí)其瞄準(zhǔn)線十字中心應(yīng)該始終瞄準(zhǔn)打擊目標(biāo)中心，當(dāng)其十字中心偏離打擊目標(biāo)中心時(shí)，火控系統(tǒng)會(huì)將其拉回并重新瞄準(zhǔn)目標(biāo)中心［5］。通過對(duì)采集到的俯仰和方位信號(hào)計(jì)算其角度偏差均值，方位均值為0.006 129 mil、俯仰均值為0.085 073 mil，可以看出不論是在方位還是在俯仰上，觀瞄儀工作狀態(tài)在物理學(xué)上屬于簡(jiǎn)諧機(jī)械振動(dòng)［6］。

2.2.2 異常數(shù)據(jù)處理

從方位和俯仰偏差曲線可以看出，曲線中存在一些非常尖銳的峰值，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅是根據(jù)坦克裝甲車輛運(yùn)動(dòng)特性設(shè)置的，其頻率一般不大于3 Hz，振幅不大于3 °，觀瞄儀瞄準(zhǔn)線十字隨時(shí)間變化的偏差曲線α（i）、β（i）應(yīng)該是連續(xù)的，不應(yīng)該出現(xiàn)巨大的跳躍。說明采集到的數(shù)據(jù)受傳感器自身測(cè)量原理約束，原始數(shù)據(jù)存在雜波干擾。因此，需要對(duì)視頻圖像處理出來的方位向和高低向的角度偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪［7］。采用移動(dòng)平均濾波器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪，根據(jù)奈奎斯特采用定理，選取移動(dòng)平均濾波器的窗寬為6，對(duì)原始數(shù)據(jù)新進(jìn)行濾波降噪處理。

2.2.3 擬合及結(jié)果輸出

計(jì)算上述降噪后的方位向和高低向的角度偏差數(shù)據(jù)的均方誤差MSE，用以評(píng)價(jià)其數(shù)據(jù)的變化程度，MSE 值越小，則預(yù)測(cè)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的描述越精確［8］。采用Matlab 編程實(shí)現(xiàn)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合［9］，其一階、二階擬合后計(jì)算其MSE 值見表2：

表2 降噪前后角度偏差數(shù)據(jù)的MSE

圖5 濾波降噪后一階擬合偏差曲線和漂移曲線

圖6 濾波降噪后二階輸出偏差曲線和漂移曲線

表3 瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度

通過計(jì)算對(duì)比，降噪后無論是俯仰還是方位的MSE 值均小于5‰，說明可以利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳數(shù)據(jù)擬合，采用matlab 工具實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平均濾波降噪，并擬合畫出偏差曲線和漂移曲線如圖5、圖6 所示［10］。

最終計(jì)算的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度結(jié)果輸出如表3所示。

3 結(jié)論

綜上所述，本文提出的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度試驗(yàn)方法和給出的數(shù)據(jù)處理方法，在靶場(chǎng)多個(gè)型號(hào)裝備的科研試驗(yàn)過程中得到充分驗(yàn)證，與之前的試驗(yàn)方法相比，結(jié)果直觀，能夠有效提高計(jì)算效率和精度，為觀瞄儀的性能評(píng)判和改進(jìn)提高提供有力的方法支撐。