炸点测试中时间和空间数据融合算法研究

炸点测试中时间和空间数据融合算法研究朱望飞 李宏凯 尚书贤（中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴50信箱747分箱 714200）【摘要】 利用光电经纬仪测试引信作用点坐标，其有限的图像采集帧频制约了目标相对经纬仪的空间指向角的测试精度。为此，该文研究提出了一种利用引信作用时间和光电经纬仪测试数据融合处理的目标空间指向角测试技术。数据仿真分析表明，该方法有利于提高目标空间指向角的测试精度，从而能提高引信作用点坐标测试精度。【关键字】 引信作用点；数据融合；光电经纬仪Fusion algorithm about Time and space data from Burst testZhu Wang-fei Li Hong-kai Shang Shu-xian(China Huayin Weapons Testing Center , Huayin Shanxi 714200, China)【Abstract】 using theodolite test Fuze point coordinates, the limited frame rate of image acquisition constraints of the spatial angle measurement accuracy of the target relative to theodolite point. To this end, this paper presents the spatial angle testing technology using Fuze time and theodolite test data fusion.Data simulation shows that this method can improve the measurement accuracy of angle.【Keywords】Fuze point ; Data fusion; theodolite1 引言国内多采用光电经纬仪进行引信作用点坐标测试，部分测试项目需要高精度测试。目标空间指向角的测试精度直接影响坐标测试精度，而图像采集帧频是光电经纬仪测量目标空间指向角测试精度的决定因素之一。有限的图像采集帧频将制约目标空间指向角的测试精度，导致坐标测试结果不能满足测试需求。为此，研究提出了一种利用引信作用时刻和光电经纬仪测角数据融合处理的测试方法，以提高目标空间指向角的测试精度，从而提高引信作用点坐标测试精度。2 弹丸运动特性产生的测角误差分析引信作用时弹丸一般处于高速运动中，而引信作用具有突发性，是一个发光过程，且具有生灭性的特点，记录引信作用时刻的精确位置和时间有着重要意义。光电经纬仪中的高速录像机记录的目标信息是一组离散的图像，在弹丸处于高速运动时，它的质心位置不断变化。图像采集频率越高，弹丸位置的变化将更精细，记录引信作用时刻的弹丸质心位置也就更准确。由于帧频的限制，引信作用点很难被精确获到，一般以作用前后帧图像的弹丸位置估计引信作用点位置，由此产生目标相对经纬仪的空间指向角的测试偏差。设在相邻两帧时间内，弹丸飞行距离为L，录像机帧频为f，弹丸速度为v，则L=v/f；目标相对录像机的作用距离为S，SL，弹体飞行方向与拍摄视线夹角为，如图1，B经纬仪点C:t+1时刻目标位置 A:t时刻目标位置 F图1作辅助线CF，CF垂直于AB，则弹体相对录像机飞行的角度为1： （1）由于几乎为零，其中：L=|AC|，S=|AB|BC|角速率（2）设D点为引信作用点，弹丸引信作用前后瞬间的飞行速度可以看成近似相等，引信起爆瞬间的时刻作为作用时刻，在引信作用前后两帧图像的时间区间内，起爆是等概率发生的，由此可推算出由于目标的运动特性引起的测角误差服从均匀分布。推算过程如下：ADCB图 2 位置与角度关系如图2有正弦定理可知：；（3）由于：，（4）联合式（3），（4）可得由于为几个10-3弧度，所以采用近似计算有：即 （5）由此可知，设AC为前后两帧图像目标运动区间，如果起爆点D在AC中等概率分布，则角度在00B中等概率分布，即均匀分布。设弹体飞行方向与拍摄视线夹角为，由目标运动产生的测角均方根误差为 (6)有公式(6)可以看出，测角误差与相机帧频成反比，而与弹丸速度成正比。在弹体飞行方向与拍摄视线夹角接近垂直的情况下，将对测角误差产生很大的影响。表1给出不同帧频的摄像机拍摄不同速度的目标所产生的测角误差，其中设S=1km，。表 1测角误差 V f100m/s200m/s300m/s400m/s5023847671495210011923825747625047119142190100011233547从表1给出的计算纵向结果可知：高帧频对减少测角误差起到显著的作用。3 引信作用测试时刻数据分析引信作用时刻由引信测试系统获取。在高精度时间同步系统支持下，目标作用点时刻数据与弹道上的点对应，测时精度可理解为由于采样频率有限引入的分辨率误差。引信作用时间测试精度为0.2毫秒，对应的等效采样频率为4数据融合模型对引信进行测试时,光电经纬仪最高图像采集频率为1000帧/秒。在GPS实现两测试系统微秒级时间同步下，利用引信作用时刻光和电经纬仪获取的目标坐标或角度信息进行插值修正处理，可得到更精确引信作用点的估值。信息融合框图如图3所示。引信作用时刻测试设备光电经纬仪炸点测试设备引信作用后目标位置引信作用时刻炸点坐标信息融合算法炸点信息图 3 信息融合框图对于单台光电经纬仪测试，可构建角度数据融合模型如下：(7)(8)(9)公式（7）中，代表融合计算结果；代表引信作用前一帧的目标角度；tk代表引信作用时刻；tl 代表对应的时刻，如图4，通过公式（8）求取，其中t(n-1)代表引信作用前一帧的摄像机外触发信号的时刻，为摄像机图像传感器积分时间，通过测试软件设置；目标在很短的两帧时间内，运动速度近似不变，可由式（9）求得，其中代表引信作用前上上帧的目标角度。复位输出时间一帧时间T积分时间外触发信号时刻t(n-1)外触发信号图 4图像采集的帧定时逻辑图5 测试精度比较分析对于经纬仪单独测试，公式（6）给出了目标运动产生的测角均方根误差。对公式（7）的融合结果进行误差分析，设弹体速度为常量。（10）不考虑其他误差源，设，为0，则（11）由于、远小于 ，因此可以忽略，即（12） 将公式2带入上式，得（13）根据公式（6）和（13），求取图像采集频率f为1000帧/秒时由目标运动产生的测角误差画图下。图 5测试误差对比从图中可以看出：对于运动目标，融合测试方法相对传统方法减少了测角误差，从而能提高测试精度。设目标运动速度为200米/秒，求取两种测试方法在不同图像采集频率下的测角误差画图如图4。图 6 测试误差对比从图可知，融合测试方法由于目标运动引入的测试误差为常数：8.2506秒，不随光电经纬仪图像采集频率降低而降低；而光电经纬仪随图像采集频率降低，该方面的测角误差逐渐变大，在100帧时，均方根误差达到 238.1741秒。6 总结该文提出了一种基于光电经纬仪数据与目标作用时刻数据融合的引信作用