[发明专利]一种基于虚拟平台的外弹道光学测量精度分析方法

说明书

本发明提供一种基于虚拟平台的外弹道光学测量精度分析方法，包括以下步骤：S1、三维建模；S2、构建虚拟外弹道光学测量设备；S3、生成目标三维飞行动画；S4、输出二维图像序列；S5、误差项设置；S6、图像处理和参数解算；S7、测量精度分析。本发明所述的一种基于虚拟平台的外弹道光学测量精度分析方法，可以对图像处理软件算法进行精度分析，具备光学测量设备从硬件到软件算法全系统的精度分析能力；可以分析飞行速度、攻角等与目标运动相关的动态外弹道参数的测量精度，具备外弹道静、动态全参数测量精度分析能力。

技术领域

本发明涉及外弹道光学测量技术领域，具体涉及一种基于虚拟平台的外弹道光学测量精度方法。

背景技术

外弹道光学测量是指以光学成像原理采集飞行目标图像，经处理得到弹道轨迹、飞行速度、飞行姿态(俯仰角、偏航角和滚转角)、和攻角等外弹道参数，通常主要用于完成目标飞行初始段和再入低空段弹道的测量。具有测量精度高、直观性强(可记录目标图像)、不受“黑障”和地面杂波干扰等优点。可以为导弹和运载火箭技术性能和精度的评定、设计、改进以及武器的定型提供精确的飞行弹道参数。用于弹道测量的典型光学设备为光电经纬仪，工作时由两台或两台以上的光电经纬仪共同对准目标飞行的同一空域，对飞过该空域的目标在统一指令下进行拍照或摄像。事后或实时根据已知的经纬仪地理坐标、目标对经纬仪的方位角、俯仰角、镜头焦距等参数通过交会计算得到目标的空间位置。连续拍摄即可获取飞行目标在该空域的外弹道参数。

测量精度是外弹道光学测量设备的核心技术指标。因此，为了掌握测量精度的影响因素和影响规律，国内外众多研究聚焦于外弹道光学测量精度的分析和评定。目前，该领域的研究路线主要集中于以下四种途径：

(一)理论分析：建立光学设备伺服机构(如：光电经纬机架)运动模型和光学系统成像模型，结合所采用的参数解算算法，建立外弹道参数β_i的数学模型。再根据误差传播定律，得出外弹道参数测量误差Δβ_i与光学设备参数标称误差Δα_i的解析模型。根据该解析模型即可得到光学设备参数的测量误差和标定误差对外弹道参数测量误差的影响规律。

一方面，光学设备伺服机构和光成像系统的结构极为复杂，在建立相应的运动模型和成像模型时，不可避免的要对原系统进行简化和假设。另一方面，图像处理算法包括图像预处理、目标识别、特征参数提取和弹道参数计算等多个环节，理论分析模型很难对图像预处理、目标识别和特征参数提取的效果和准确性进行有效的表征。因此，理论分析方法存在诸多局限性。

(二)数值仿真分析：首先，直接给定弹道轨迹和目标中轴线在测量坐标系中的数学方程，以及光学测量设备的位置坐标、图像传感器尺寸和分辨率、镜头焦距等参数。之后，根据理想的光学成像模型，逆运算得到摄影坐标系下目标法线倾斜角、方位角和俯仰角。最后，根据经验给出光学设备参数的测量误差和标定误差Δα_i，利用蒙特卡洛数值仿真，分析在误差Δα_i影响下的弹道参数测量误差。

在该方法中，摄影坐标下目标法线倾角等参数是根据给定的目标中轴线方程经过数学计算得到的；而在实际测量中，该类参数需要通过图像预处理、目标识别和特征参数提取等图像处理算法获得。因此，与理论分析方法类似，数值仿真分析方法同样不能对图像预处理、目标识别和特征参数提取的效果和准确性进行有效表征，仍然存在局限性。

(三)室内模拟目标验证：在实验室内，利用平行光管模拟无穷远目标，采用尺寸缩比等效方法制作具有不同姿态的目标板，实现对远处不同姿态目标的模拟。采用高精度三坐标测量机对姿态板上各目标之间的夹角进行精确标定，将标定结果作为真值。外弹道光学测量设备测量结果与真值之差即为该设备的测量精度。

室内模拟目标验证方法在一定程度上解决了理论分析法和数值仿真分析法的局限性。但由于室内模拟的目标是静止的，因此，在分析目标飞行速度、攻角等与运动相关的外弹道参数的测量精度时，室内模拟目标验证法仍显不足。