孫策， 郝群， 閆振綱， 曹杰， 李杰

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 陜西 西安 710065)

一種駕束制導(dǎo)信息場參數(shù)的高速測試與處理方法

孫策1， 郝群1， 閆振綱2， 曹杰1， 李杰2

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 陜西 西安 710065)

激光駕束制導(dǎo)是一種重要制導(dǎo)方式，制導(dǎo)儀激光信息場的質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。為實現(xiàn)快速、直觀地評價激光信息場質(zhì)量，提出一種基于信息場光斑圖像的快速測試與處理方法。在內(nèi)外場快速搭建測試系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；基于漫反射低照度瞬態(tài)成像原理，利用低照度相機(jī)拍攝制導(dǎo)儀激光束，得到直觀的條紋狀光斑圖像；通過快速圖像處理技術(shù)，計算光斑尺寸、光斑中心、條紋亮度等參數(shù)來評價制導(dǎo)儀光軸穩(wěn)定性、信息場能量均勻性等技術(shù)指標(biāo)。試驗結(jié)果表明：該測試方法可得到激光信息場的條紋狀圖像，實現(xiàn)對制導(dǎo)儀性能的快速檢測，測試精度1.8 mm，處理時間0.35 s.

兵器科學(xué)與技術(shù)； 激光駕束制導(dǎo)； 條紋狀光斑圖像； 信息場能量均勻性

0 引言

激光駕束制導(dǎo)是由制導(dǎo)儀發(fā)出制導(dǎo)信息場，導(dǎo)彈根據(jù)信息場調(diào)整自身飛行方向，沿光束前進(jìn)，直至擊中目標(biāo)[1]，原理如圖1所示。信息場質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度，對其測試和評價是一項非常重要而復(fù)雜的技術(shù)；傳統(tǒng)的信息場測試多采用“機(jī)械掃描”的方式[1-3]，系統(tǒng)搭建復(fù)雜，測試時間長，無法直觀地看到信息場圖像。本文利用高速成像系統(tǒng)，拍攝制導(dǎo)儀信息場瞬時光斑，得到直觀的條紋狀信息場圖像，并通過對圖像的處理與分析快速評判制導(dǎo)儀信息場質(zhì)量。

圖1 激光駕束制導(dǎo)原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser riding guidance

現(xiàn)有檢測方法分為兩種：1)通過在光斑區(qū)域布置多個傳感器獲得激光能量值；2)利用上萬幀頻的高速相機(jī)拍攝。第1種方法無法得到光斑的全部信息，缺少直觀性，另外，測試時間較長，只能對制導(dǎo)儀能量分布性能進(jìn)行評價；第2種方法相機(jī)造價非常昂貴，系統(tǒng)搭建復(fù)雜，目前只拍攝到圓斑圖像。而本文方法通過低照度、短曝光成像技術(shù)，可以直觀顯示整個光斑區(qū)域的光強(qiáng)和條紋分布。

1 基于光斑圖像的測試系統(tǒng)設(shè)計

圖2 測試系統(tǒng)與方法Fig.2 Test system and method

制導(dǎo)儀出射的激光束能量特別低，并且測試系統(tǒng)需在制導(dǎo)儀整個變焦過程控制光斑尺寸在一個可測量范圍內(nèi)。對此，本文介紹一種快速直觀低成本的測試評估系統(tǒng)，能夠在內(nèi)外場快速搭建，利用低照度相機(jī)拍攝光斑圖像[4]快速測試制導(dǎo)儀，測試系統(tǒng)與方法如圖2所示。

測試流程如圖3所示，制導(dǎo)儀發(fā)出激光束，經(jīng)光束控制系統(tǒng)在漫反射屏上形成光斑，利用低照度相機(jī)對其進(jìn)行采集，得到光斑圖像，對圖像進(jìn)行處理與分析，得到制導(dǎo)儀信息場參數(shù)，進(jìn)而評估信息場質(zhì)量。

圖3 測試流程圖Fig.3 Test flow chart

測試系統(tǒng)的關(guān)鍵是成像，瞬時信息場圖像質(zhì)量是測試評估的基礎(chǔ)，為保證像質(zhì)，系統(tǒng)需滿足低照度高速測試。本相機(jī)的最小照度0.001 lux，最小曝光時間為16 μs，在此期間圖像旋轉(zhuǎn)角度0.01 rad. 探測器材料選為硅(Si)，雖然Si對1.06 um波長響應(yīng)微弱，但經(jīng)測試可以清晰分辨條紋，銦鎵砷 (InGaAs)對1.06 um波長反應(yīng)靈敏，但相機(jī)造價昂貴，對光學(xué)系統(tǒng)要求高，分辨率低，不利于后期的圖像處理。

在VC++平臺下，編寫制導(dǎo)儀光斑采集和處理軟件，實現(xiàn)對制導(dǎo)儀光斑的尺寸計算、光軸穩(wěn)定性計算、光強(qiáng)分布分析等功能，圖像處理流程如圖4所示。

圖4 圖像處理流程圖Fig.4 Flow chart of image processing

2 測試圖像處理與分析

利用該測量系統(tǒng)對固定近距離L處的制導(dǎo)儀光斑進(jìn)行快速測試，計算制導(dǎo)儀光斑尺寸、光斑中心、光軸穩(wěn)定性[5]以及信息場能量均勻性等參數(shù)。

2.1 圖像采集與標(biāo)定

圖像采集之前需要進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定分為幾何標(biāo)定和能量標(biāo)定。

2.1.1 幾何標(biāo)定

在可見光正常曝光模式下進(jìn)行幾何標(biāo)定，如圖5所示，軟件界面上顯示出標(biāo)定靶紙，根據(jù)標(biāo)定靶紙，選取固定距離的兩點(diǎn)，間隔500 mm，然后通過軟件界面，獲取兩點(diǎn)間像素數(shù)為278，計算出物像比，得到測試精度1.8 mm.

圖5 幾何標(biāo)定Fig. 5 Geometric calibration

2.1.2 能量標(biāo)定

選用美國Thorlabs公司的PM400光功率計進(jìn)行能量標(biāo)定，利用探頭接收不同位置的光功率，該位置對應(yīng)點(diǎn)的灰度值由光斑圖像可以得到，經(jīng)過多次測量，最終建立圖像灰度值與激光束能量密度對應(yīng)關(guān)系。

2.1.3 圖像采集

標(biāo)定成功后，設(shè)置到16 μs曝光時間下對制導(dǎo)儀激光束進(jìn)行瞬時光斑成像，圖6為發(fā)射后4 s相鄰兩幀n1和n2的瞬時光斑圖像。

圖6 瞬時光斑Fig.6 Instantaneous spot

2.2 預(yù)處理

圖像噪聲會對圖像產(chǎn)生干擾，影響后續(xù)的分析和處理，所以需要盡可能的去除噪聲。本文對源圖像進(jìn)行高斯去噪，去噪后的圖像如圖7所示。

圖7 去噪后的光斑圖像Fig.7 Spot image after denoising

對去噪后的圖像進(jìn)行閾值處理，根據(jù)拍攝到的光斑圖像處理效果，全局閾值法更適合測試結(jié)果的圖像分割。另外，制導(dǎo)儀是一個連續(xù)變焦的過程，激光束能量密度隨時間變化，所以不同時間下采集到的圖像灰度值是不同的，不能簡單地應(yīng)用固定閾值來統(tǒng)一處理，每幅圖像需用迭代方法找到最佳閾值。基于以上分析，選用基本全局閾值法[6]對圖像進(jìn)行閾值化處理，該算法如下：

1) 為全局選擇一個初始估計閾值T，采用(1)式計算圖像平均灰度：

(1)

式中：f(x,y)為一個像素的灰度值；m為像素總數(shù)。

2) 按(2)式進(jìn)行二值化，G1區(qū)域由灰度值大于T的像素組成，G2區(qū)域由小于等于T的像素組成：

(2)

3) 按(3)式和(4)式分別計算G1、G2區(qū)域的平均灰度值：

(3)

(4)

4) 按(5)式計算得到新的閾值T：

(5)

5) 重復(fù)步驟2～步驟4，直到連續(xù)迭代中T值間的差小于預(yù)先設(shè)定的T0.

分割后的二值圖像如圖8所示。

圖8 二值圖像Fig.8 Binary Image

2.3 光斑參數(shù)計算

2.3.1 光斑尺寸

光斑尺寸的大小與制導(dǎo)儀定焦的制導(dǎo)距離相關(guān)，傳統(tǒng)的測試方法只得到一個完整的圓斑[7]，本方法拍攝得到激光駕束制導(dǎo)儀光斑的條紋信息。求光斑尺寸實際等價于求輪廓點(diǎn)集的最小包圍圓[8]。圖9(a)為光斑的輪廓線，直接對輪廓點(diǎn)集擬合圓[9-10]偏差較大，可先求出光斑的凸包，即求得光斑邊界的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖9(b)所示。

圖9 光斑尺寸計算Fig.9 Spot size calculation

對凸包點(diǎn)集擬合得到初始圓，從圖9(c)可以看到一些邊界點(diǎn)還未包含在圓內(nèi)，再以初始圓圓心為中心，增大半徑繼續(xù)搜索，具體算法步驟如下：

2) 對凸包點(diǎn)集D進(jìn)行最小二乘擬合，得到初始圓C0的圓心O點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)和半徑R0；

3) 在圓心鄰域{(x,y)|x0-a0內(nèi)搜索，按(6)式判斷關(guān)鍵點(diǎn)是否都落在圓內(nèi)，|OP|為關(guān)鍵點(diǎn)集D里點(diǎn)到圓心的距離：

(6)

如果沒有，增大r繼續(xù)套圓；

4) 重復(fù)步驟3，直到所有關(guān)鍵點(diǎn)落入圓內(nèi)，迭代終止。

迭代結(jié)果如圖9(d)所示，處理時間為0.35 s.

2.3.2 光軸穩(wěn)定性

光軸穩(wěn)定性為制導(dǎo)儀的一個主要參數(shù)，影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。拍攝制導(dǎo)過程中的不同時刻不同位置的信息場圖像，每隔0.2 s選取一幅圖像，計算光斑中心位置，可得到光軸中心位置分布。光斑中心坐標(biāo)如表1所示，其中標(biāo)定的物像比為1.8，光斑中心的空間分布如圖10所示。

根據(jù)表1和圖10，評價光軸穩(wěn)定性。設(shè)第i幀圖像光斑中心坐標(biāo)為(xi,yi)，n幀圖像的光軸均值為

(7)

(8)

光軸x方向最大偏差xmax=311.4 mm，離散度為

(9)

表1 光斑中心坐標(biāo)

圖10 光軸穩(wěn)定性Fig.10 Optical axis stability

光軸y方向最大偏差ymax=316.8 mm，離散度為

(10)

光軸抖動在整個制導(dǎo)全過程范圍內(nèi)符合指定精度，從光斑圖像可以快速判斷光軸穩(wěn)定性。

2.3.3 信息場能量均勻性

光斑信息場能量均勻性是衡量制導(dǎo)儀光強(qiáng)分布的重要指標(biāo)。根據(jù)光斑圖像的灰度分布，可計算得到激光信息場的能量均勻性。

圖11(a)為制導(dǎo)儀激光束的一幅瞬時光斑圖像，由于條紋的存在，光斑出現(xiàn)4個能量區(qū)域，標(biāo)記出這4個區(qū)域分別為A、B、C和D. 由圖11(b)看出，區(qū)域A光強(qiáng)灰度值不到50，區(qū)域B灰度值為100左右，區(qū)域C和區(qū)域D最高，灰度值高于150，光強(qiáng)由A到D逐漸升高，此光強(qiáng)分布為偏心分布，從圖像可以快速直觀判斷制導(dǎo)儀激光信息場能量分布的均勻性。

圖11 光強(qiáng)分布Fig.11 Light intensity distribution

根據(jù)駕束制導(dǎo)的使用過程，每隔1 s鎖定制導(dǎo)距離拍攝一幅光斑圖像，共采集15組圖像，計算其灰度值的均值和方差。如圖12所示，隨著制導(dǎo)儀制導(dǎo)距離越來越遠(yuǎn)，光斑尺寸不斷變小，光斑信息場能量灰度均值從89到134逐步上升，方差從27到24緩慢變小，均勻性逐漸趨于穩(wěn)定，從整個過程的光強(qiáng)均勻性變化趨勢，可以快速檢測制導(dǎo)儀激光束均勻性。

圖12 光強(qiáng)變化曲線Fig.12 Changing curves of light intensity

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種駕束制導(dǎo)信息場參數(shù)的高速測試與處理方法，利用低照度、短曝光技術(shù)拍攝制導(dǎo)儀信息場，得到條紋狀光斑圖像，利用標(biāo)定靶紙和激光能量計對激光信息場進(jìn)行幾何和能量標(biāo)定，利用基本全局閾值法分割圖像，迭代擬合計算最小包圍圓，最終得到條紋狀光斑尺寸，從光斑中心分布可快速評判制導(dǎo)儀光軸穩(wěn)定性，利用光斑圖像的灰度分布可快速直觀判斷信息場能量的均勻性。目前該方法已用于制導(dǎo)儀測試，對相關(guān)研究進(jìn)行了支撐，尤其在一種新型信息場研制測試中發(fā)揮了積極作用。

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AHighSpeedTestandAnalysisMethodforInformationFieldParametersofBeamRidingGuidance

SUN Ce1， HAO Qun1， YAN Zhen-gang2， CAO Jie1， LI Jie2

(1.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2.Xi’an Modern Control Technology Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China)

Laser beam riding guidance is an important guidance mode. The accuracy of guidance is affected directly by the quality of laser information field. A testing method based on the spot images of information field is proposed to evaluate the quality of laser information field fastly and intuitively. The proposed method allows the fast setup of a test system in inside and outside fields, and calibrates the system. Based on the principle of transient diffuse reflectance imaging under low illumination, the stripe-shaped spot images are quickly obtained by using low-light-high-speed imaging of laser beam. The rapid image processing technology is used to calculate the spot size, center location, stripe brightness for evaluating the parameters, including optical axis stability and energy uniformity of information field. Experimental results show that the test method can be used to obtain the stripe-shaped spot images of laser information field, and detect the performance of the guidance device rapidly with test accuracy of 1.8 mm and processing time of 0.35 s.

ordnance science and technology; laser beam riding guidance; stripe-shaped spot image; energy uniformity of information field

TN247； TJ765.4+1

A

1000-1093(2017)11-2111-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.005

2017-04-14

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(61605008)

孫策(1986—)，男，博士研究生。E-mail:brave_sunce@163.com

郝群(1968—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:qhao@bit.edu.cn