█ 北京東方計量測試研究所 曹 勇 盧曉勃 農(nóng)寧寧

一、引言

一個國家航天科技的發(fā)展水平可以透射出其綜合實力及潛在的創(chuàng)新能力。世界經(jīng)濟和科技大國無不將航天科技作為國家的發(fā)展戰(zhàn)略重點。近幾年來，世界各國對航天技術研究投入呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，尤其以民營商業(yè)航天的發(fā)展最為迅猛。以美國為例，太空探索技術公司（SpaceX）、藍色起源、軌道– ATK公司、天空盒子成像公司（Skybox Imaging）等商業(yè)航天公司，已經(jīng)在美國航天經(jīng)濟中占據(jù)了絕對優(yōu)勢，并以3%的年增長率快速發(fā)展。我國的商業(yè)航天起步于20世紀90年代末，但早期發(fā)展較為緩慢，直至2014年隨著航天強國國家發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，我國的民營商業(yè)航天開始迅速發(fā)展，先后誕生了一批新興航天企業(yè)并取得了優(yōu)秀的成績，如藍箭航天、星際榮耀、零壹空間相繼實施發(fā)射，信威集團、珠海歐比特、九天微星、千乘探索、長沙天儀、廣東科創(chuàng)等公司的通信、導航、遙感、科學探測衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行，都標志著我國商業(yè)航天開始邁入發(fā)展“快車道”。展望未來3年，全球商業(yè)航天市場的競爭將更加激烈，我國商業(yè)航天發(fā)展政策環(huán)境有望得到進一步改善，下游航天產(chǎn)業(yè)（如衛(wèi)星應用）向上游航天產(chǎn)業(yè)（如火箭發(fā)射和星箭研制領域）延伸拓展的趨勢將進一步延續(xù)。

同時，隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展和衛(wèi)星市場需求規(guī)模的擴大，可以預見：火箭和衛(wèi)星等代表性航天產(chǎn)品將會逐漸呈現(xiàn)從小批量研制到大批量裝備生產(chǎn)的發(fā)展態(tài)勢。同時，對于這些航天系統(tǒng)（產(chǎn)品），從研發(fā)、設計、生產(chǎn)到維護的全生產(chǎn)壽命周期的驗證與測試方案，以及高效的批量測試方案、測試系統(tǒng)研制也將變得愈發(fā)重要。大量的產(chǎn)品性能檢測和系統(tǒng)聯(lián)試所需的測量測試設備將會更廣泛地在商業(yè)航天中得以應用，而其中，高速攝像測量系統(tǒng)作為一種非接觸式的新型測量手段，憑借其創(chuàng)新的測量技術、高效的測試效率，以及移動、安裝的靈活性、便捷性，將越來越多地被應用到生產(chǎn)、試驗、聯(lián)試、發(fā)射、在軌運行等各個環(huán)節(jié)中。

與傳統(tǒng)的接觸式測量方法不同的是，非接觸式測量是隨著近年來光學、計算機信息技術和電子元件技術的突破及廣泛應用而快速發(fā)展起來的，尤其是人工智能技術的不斷創(chuàng)新更為非接觸式測量提供了發(fā)展動力。高速攝像測量系統(tǒng)作為非接觸式光學測量系統(tǒng)的代表產(chǎn)品之一，從20世紀90年代開始，已逐漸在我國的航空航天、兵器、電子、核物理等領域嶄露頭角，并在近10年內(nèi)得到快速發(fā)展，尤其是在航天領域的應用更為廣泛。

高速攝像測量系統(tǒng)基于光學攝像測量原理，具有實時捕獲目標、快速記錄圖像、即時回放、圖像直觀清晰、測量安全性高、效率高、無破壞性及工作距離大等特點，可以對物體進行靜態(tài)或動態(tài)的測量，既是測量高速運動目標如位移、軌跡、速度、加速度、振頻、姿態(tài)、流場等參數(shù)的重要手段之一，也是觀測靜態(tài)目標如應力形變、斷裂瞬間影像、材料拉壓性能試驗等的重要手段之一，在航空航天、武器研制、試驗及應用中發(fā)揮著重要作用。例如，高速攝像測量系統(tǒng)可以跟蹤拍攝得到目標飛行過程中的序列圖像或快速反應過程圖像，把空間信息和時間信息一次性記錄下來，在形象逼真且具有動畫效果的同時，還可以進行時間域和頻率域等運動數(shù)據(jù)的分析與計算。

圖1 高速攝像測量系統(tǒng)組成示意圖

二、 高速攝像測量系統(tǒng)及技術原理簡介

（一） 系統(tǒng)組成

高速攝像測量系統(tǒng)一般由軟件和硬件兩大部分組成，其中，軟件主要包含高速攝像記錄裝置自身的參數(shù)設置及拍攝控制軟件、空間標定軟件和運動參數(shù)數(shù)據(jù)分析軟件；硬件部分一般由高速攝像機/高速相機、輔助照明設備、標定裝置、網(wǎng)絡交換機、固定安裝設備、圖像處理工作站和觸發(fā)控制設備等組成。系統(tǒng)的主要組成圖如圖1所示（以多目高速攝像測量系統(tǒng)為例）。

（二） 系統(tǒng)特點

1.高速

高速攝像測量系統(tǒng)中的“高速”指的是系統(tǒng)主要設備高速攝像機的拍攝頻率，一般高速攝像機在百萬像素下，常見拍攝頻率范圍為200~40000fps；曝光時間短，一般情況下拍攝頻率都在500fps以上，曝光時間為微秒級。

2.光學成像原理

高速攝影是一種光學測量技術，利用光對物體的反射、透射、折射及衍射等特性，觀察事物的變化規(guī)律，基本屬于光學小孔成像設備。

3.高精度

利用軟件技術和圖像處理技術，可以實現(xiàn)小于固有硬件分辨力的亞像素定位技術，達到將被測目標圖像定位精度提高至更高量級的目的。同時，可以實現(xiàn)高速攝像測量系統(tǒng)高精度的目標。

4.系統(tǒng)測量精度不易漂移

不同于接觸式測量系統(tǒng)，高速攝像測量系統(tǒng)的測量精度一般不會像一些傳統(tǒng)接觸式傳感器一樣發(fā)生隨著開機時間的增長而出現(xiàn)測量精度漂移的問題。

5.操作人員易掌握，測量方式易普及

智能手機及手機拍照功能的普及，使得即使是剛接觸該領域的員工都能很快地掌握以圖像數(shù)據(jù)為分析依據(jù)的高速攝像測量系統(tǒng)。同時，隨著芯片技術和AI技術的快速發(fā)展，高速攝像系統(tǒng)的成本將逐漸降低、性能將進一步提高，這種測量方式將會迅速普及。

6.其他特點

高速攝像測量系統(tǒng)還具有以下特點：（1）系統(tǒng)設備體積較小、便于外場攜帶；（2）系統(tǒng)啟動快、同步性好；（3）具備實時顯示和即時重放的功能，便于直接觀察試驗過程；（4）布置實施簡易、適用范圍廣等。

(三) 系統(tǒng)工作原理

攝像測量的處理對象以數(shù)字（視頻）序列圖像為主。將三維圖像成像到二維圖像是一個退化的過程。攝像測量學研究如何通過分析二維圖像來重建實際三維場景中的目標信息，其內(nèi)涵主要包括兩個方面：一是空間場景與成像系統(tǒng)間的成像投影關系，即二維圖像與對應三維空間物體之間的關系，這主要是測量學方面的知識；二是從單幅和多幅圖像中高精度提取、匹配圖像目標，這主要是計算機視覺、圖像分析方面的知識。

1.小孔成像原理（中心透視投影模型）與共線方程

大多數(shù)高速攝像測量系統(tǒng)的圖像記錄方式都可以演化為小孔成像原理的應用，典型的小孔成像原理示意圖如圖2所示。物體表面反射光或發(fā)射光經(jīng)過一個“針孔”點投影在像平面，物點、對應像點、光心（攝影中心）三點共線，滿足光的直線傳播條件，而以三點共線為基礎，建立起來的描述這三點共線的數(shù)學表達式，稱為共線條件方程式。

圖2 高速攝像測量系統(tǒng)組成示意圖

一條通過物點、像點和光心的直線一般可用兩個分式線性方程表示，其共線方程的解析表達

式如下：

式中，x0、y0、f代表攝影系統(tǒng)的3個內(nèi)方位元素，即主光軸、焦距在像面上垂足的像面坐標位置；XS、YS、ZS代表攝影系統(tǒng)的外方位元素，即攝影中心S在空間坐標系中的3個坐標值；a1、a2、a3、b1、…、c3是由3個角元素φ、ω、κ （攝影中心S空間坐標系中的3個坐標值與主光軸的夾角）構成的旋轉（正交）矩陣的9個系數(shù)：

根據(jù)共線方程理論基礎，可知1個點有2個方程，已知3個點可列6個方程，因此，可以解得6個外方位元素。根據(jù)（至少）3個空間已知點A、B、C，與它們在影像上的3個對應點a、b、c，就能求得影像的 6 個外方位元素。共線方程是高速攝像測量系統(tǒng)的基本數(shù)學模型和構成數(shù)字式投影的基礎，也是系統(tǒng)標定及進行圖像測量的基礎數(shù)學公式。

2.雙攝像機（或多像機）交會原理

利用兩套或多套高速攝像測量系統(tǒng)可以得到被測目標三維空間的運動參數(shù)，其基本原理是雙攝像機（或多像機）交會原理測量目標空間位置。

人眼的立體視覺是從左、右兩眼分別觀測一個空間點時，可以看到該點的偏差，而這種偏差與人眼觀測點到被觀測點的距離有關。利用三點共線知識可以得出結論：三維空間內(nèi)的一個點在投影圖像上的位置是由三維空間中的某條直線決定的。因此，如果一個三維空間點從其他視點觀測也有同樣的三維投影圖像，那么被觀測點的空間坐標就可以利用共線方程確定，同時，兩條視線的交點就是它的位置，這就是三維重建的過程。一個空間點三維重建的基本模型如圖3所示。

圖3 空間點三維重建模型

對于空間物體表面的任意一點P，被攝像頭C1拍攝下來后，在圖片上位于P1，被攝像頭C2拍攝下來后，在圖片上位于P2，但是無法僅僅通過P1或者P2來得出P的三維位置，因為在直線O1P或O2P上的任意一點P′，其在圖像上的位置都是P1或P2。如果利用兩套攝像頭來拍攝圖片，就可以得知目標點位于O1P1和O2P2兩條直線的交點，即可以唯一確定目標點的三維位置。

為了確定目標點的空間位置，使用不同位置的兩臺攝像機對目標點成像，各自定出一條通過目標點的直線，兩直線的交點即是目標點的位置，這就是線–線交會，也是雙攝像機三維交會測量目標點空間位置的基本原理。

（四） 系統(tǒng)優(yōu)勢

高速攝像系統(tǒng)作為現(xiàn)代光測的重要手段，能夠提供高動態(tài)目標運動與形態(tài)變化的大量細節(jié)信息，分析其所記錄的圖像，可以得到目標的定量運動參數(shù)。該系統(tǒng)可廣泛地應用于高準確度運動測量領域，較之常規(guī)的光學攝像測量設備，高速攝像測量設備能夠提供動態(tài)范圍更廣、準確度更高、參數(shù)更全面及內(nèi)容更豐富的測量數(shù)據(jù)。

三、 在商業(yè)航天中的應用分析

高速攝像測量系統(tǒng)在科學研究、醫(yī)藥衛(wèi)生、建筑建材、冶金礦產(chǎn)等行業(yè)都有所應用，一般常用于流體研究、爆炸燃燒研究、飛行及武器研究等具體領域。

根據(jù)高速攝像測量系統(tǒng)在軍工領域的實際應用情況，預測該系統(tǒng)可以在我國商業(yè)航天事業(yè)發(fā)展中提供的檢測測試能力及應用范圍見表 1。

四、應用案例設計

（一） 商業(yè)航天星箭分離地面解鎖試驗運動參數(shù)測量

1.測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由2臺高速攝像機、1臺圖像分析工作站、2套高速攝像機三腳架、2個24~70mm的自動變焦鏡頭、1組高亮度小范圍冷光源照明燈、1塊5m×5m的三維標定板、1臺同步觸發(fā)器、1套系統(tǒng)標定軟件和1套三維運動分析姿態(tài)軟件等組成。

2.測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要包括：星箭分離過程中衛(wèi)星和箭體的相對速度、姿態(tài)及運行軌跡；解鎖包帶的分離時長、運動距離；包帶解鎖過程中是否發(fā)生回彈碰撞和產(chǎn)生多余物；分離過程中的影像資料記錄。

3.測量范圍

測量視場：（2m×2m）~（10m×10m）；相機距離被攝物體運動平面距離：4~80m。

4.測量方式

采用雙目相機正交測量法布置高速攝像測量系統(tǒng)（攝像機在百萬像素下拍攝參數(shù)一般選取2000~4000fps，曝光時間不大于100μs，頭觸發(fā)狀態(tài)）；將標定板在被測區(qū)域內(nèi)隨意運動，觸發(fā)高速攝像機工作記錄圖像，通過標定軟件讀取圖像資料并對2臺高速攝像機進行內(nèi)外參數(shù)標定和鏡頭畸變校正；在衛(wèi)星和箭體上張貼不全共面的至少6個合作標識；將系統(tǒng)同步觸發(fā)信號與包帶解鎖點火器發(fā)火信號同步并聯(lián)；解鎖試驗開始后，同步觸發(fā)高速攝像機拍攝整個分離運動過程，并存儲圖像數(shù)據(jù)；利用三維運動分析軟件分析計算試驗測量內(nèi)容要求的數(shù)據(jù)，并生成測量數(shù)據(jù)報告。

表1 高速攝像/高速相機測量系統(tǒng)在商業(yè)航天領域的應用及案例

續(xù)表

（二） 商業(yè)火箭發(fā)射起飛狀態(tài)實時監(jiān)視測量

1.測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由2臺黑白超寬譜段高速攝像機、2臺圖像分析工作站、2套高速攝像機三腳架、2個400mm的長焦定焦鏡頭、1組紅外照明燈、1套遙控控制器（含發(fā)射端和接收端）、1臺同步觸發(fā)器、1套系統(tǒng)標定軟件和1套三維運動分析姿態(tài)軟件等組成。

2.測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要包括：火箭發(fā)射瞬間的箭體姿態(tài)、起飛初速；起飛過程中的箭體姿態(tài)變化、速度變化及飛行軌跡；觀測火箭發(fā)動機噴管運動特征及測量尾焰輪廓，進而對比推導釋放能量；起飛過程中是否發(fā)生箭體故障傾斜和產(chǎn)生尾噴多余物；起飛全過程的影像資料記錄。

3.測量范圍

測量視場：（20m×20m）~（50m×50m）；相機距離被攝物體運動平面距離：200~800m。

4.測量方式

采用雙目相機正交測量法布置高速攝像測量系統(tǒng)（攝像機在百萬像素下拍攝參數(shù)一般選取1000~4000fps，曝光時間不大于400μs，中間觸發(fā)狀態(tài)）；獲取箭體長度、直徑等數(shù)據(jù)，并利用軸向橢圓法、箭體長寬比法和中軸線交會提取法作為現(xiàn)場標定輸入和后期數(shù)據(jù)分析的計算方法；如果是夜間發(fā)射，利用紅外照明燈為高速攝像系統(tǒng)提供紅外譜段的照明需求；將同步觸發(fā)器與遙控控制器的接收端相連；火箭點火起飛瞬間通過遙控控制器發(fā)送觸發(fā)信號，并通過同步觸發(fā)器觸發(fā)高速攝像機拍攝整個分離運動過程，并存儲圖像數(shù)據(jù)；利用三維運動分析軟件分析計算試驗測量內(nèi)容要求的數(shù)據(jù)，生成測量數(shù)據(jù)報告。

五、 結束語

未來，高速攝像測量系統(tǒng)將在商業(yè)航天研制、試驗、發(fā)射、飛行等過程的不同階段中發(fā)揮不可替代的作用，同時，隨著當前光學圖像測量技術和計算機信息技術的不斷發(fā)展，利用高速攝像機設備的非接觸式測量手段必將逐漸取代部分傳統(tǒng)接觸式測量手段（如振動傳感器、角速率傳感器、應變傳感器等）。