海军工程大学的科研人员提出电磁发射装置弹丸姿态测量的新方法

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电磁发射装置是一种依靠电磁能将弹丸以极快的速度推射出膛的电气设备，针对弹丸弹道姿态测量问题，舰船综合电力技术国防重点实验室（海军工程大学）的研究人员李松乘、鲁军勇、程龙、李湘平，在2020年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于高速摄像技术以及图像增强与边缘提取后处理技术的弹丸姿态测量方法，并进一步基于SUSAN算法与形态学操作对图像边缘进行提取，同时利用基于最小二乘原理的多项式拟合迭代方法实现了对弹丸边缘的拟合和姿态的提取，最后通过实验验证了该方法的有效性。

电磁发射不同于传统发射技术，其可将电磁能转换为被发射物的动能，具有弹丸出膛速度精确可控的优势，在防空、反导以及对地支援方面具有极其广阔的应用前景。随着对电磁发射装置的研究从理论化向工程化不断迈进，针对电磁发射装置及其发射物的相关测试技术逐渐成为研究热点。

电磁轨道发射装置的中间弹道是指弹丸出膛后，弹拖、电枢与弹丸分离的过程，中间弹道飞行姿态作为超高声速弹丸设计参考的重要实验指标，对提升电磁发射装置打击精确度具有重要意义。

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由于电磁发射装置刚由理论阶段过渡到工程阶段，对于弹丸中间弹道姿态的测量基本属于空白。与传统火炮不同的是，电磁发射装置弹丸发射速度更高，可达2000m/s，同时其射程远大于传统火炮，这使得弹丸的姿态变化不断在距离上进行累积，影响最终的打击精度。由于没有类似于传统发射装置内的膛线设计，弹丸出膛后不存在自旋，导致弹丸姿态可能有较大变化，同时弹丸体积相对较小，因此需要测量精度更高。

在弹丸上搭载传感器在一定程度上会改变弹丸重心等物理特性，因此一般采用高速摄像的非接触方法对弹丸中间弹道姿态进行测量。高速摄像作为一种非接触式光学测量手段，具有测量结果直观，测量数据后处理方式灵活多样的优点，被广泛应用于电磁轨道发射装置膛内关于固体电枢的观察与测量。

由于发射弹丸速度快，弹丸体积较小，受高速摄像设备及实验成本限制，拍摄得到的弹丸图像分辨率有限，同时受到发射过程中的弧光干扰，很难得到清晰的弹丸图像，为进一步分析弹丸的姿态造成了很大障碍。数字图像增强技术为提升图像清晰度与对比度提供了有力工具，一般可以将数字图像增强技术分为空间域增强与变换域增量两种处理方法。与空间域增强技术相比，例如傅里叶变换、小波变换等变换域增强技术可以有效地提升图像质量，但同时也存在计算量较大的缺点。

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针对以上问题，基于模糊理论的图像增强算法得到了快速发展。J. M. S. Prewitt首次提出将图像子集看作模糊集的观点，基于这一观点，S. A. Pal等学者提出了基于模糊集合理论的图像增强算法，该算法将图像像素点灰度通过非线性变换映射到模糊域中，基于灰度特征确定像素点相对应的隶属度，进一步通过设定适当的阈值对像素隶属度进行迭代变换，最终反变换到灰度场，实现图像增强的效果。

针对Pal算法中出现的灰度截断舍去的缺陷，诸多学者对非线性映射函数以及阈值确定方法进行了改进。但没有发生改变的是，无论使用何种映射方式，数字图像中的像素灰度值都对应一个确定的隶属度，而这会降低算法的鲁棒性。为此L. A. Zadeh在模糊集（一型模糊集）的基础上引入二型模糊集，其隶属度不再是一个确定的值，而处于一个区间内，将模糊理论从二维空间提升到了三维空间。

关于二型模糊集图像增强算法的研究目前还比较少，H. R. Tizoosh等学者基于两级隶属度函数创建了一种新的隶属度函数，并将其运用到二型模糊集图像增强中。T. Chair等学者提出利用Hamcher T余模集合算子，基于二型模糊集隶属度函数上界与下界构建新的隶属度函数，从而实现图像增强，取得了较好的效果。

在上述研究的基础上，海军工程大学的研究人员首先阐述了电磁发射中弹丸姿态测量的需求以及涉及的主要障碍，对中间弹道测试系统以及二型模糊集基础理论进行了介绍；然后，提出了一种基于高速摄像技术及数字图像后处理技术的弹丸姿态测量方法。由于弹丸运动速度极快，采用高速摄像技术对飞行中的弹丸进行拍摄，同时鉴于摄像设备硬件以及拍摄条件限制，提出一种基于伽马变换以及二型模糊集的图像增强算法以改善图像对比度及清晰度。

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首先，他们对实验所用测量平台以及二型模糊集基本理论进行了概述，进一步结合二型模糊集处理模糊图像的优势，提出了基于Gamma变换的二型模糊集增强算法，采用划分图像子集分区增强的方法克服图像中的灰度不均匀现象，并将其应用于低对比度实验图像中，取得了良好效果。

同时，基于图像增强结果，他们运用SUSAN边缘检测算子对增强后图像进行边缘提取，利用形态学操作对提取的边缘进行细化，并利用基于最小二乘原理的多项式函数进行拟合，得到弹丸边缘在图像坐标系中的函数表达式，据此得出弹丸的水平姿态角度。最后，通过设计仿真进一步验证了该算法的有效性，仿真结果显示该算法具有较高精确度，可基本满足测试需求。

以上研究成果发表在2020年第23期《电工技术学报》，论文标题为“电磁发射装置弹丸弹道姿态测量”，作者为李松乘，鲁军勇，程龙，李湘平。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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