黃戰(zhàn)華,張 光,曹雨生,張晗笑,申苜弘
(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)教育部重點實驗室,天津 300072)
模擬測試是生產(chǎn)各種新型武器系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)[1]。對于火炮彈丸,其何時起爆由引信決定[2],因此對炸點空間位置測量技術(shù)的研究有利于提高引信技術(shù),進(jìn)一步提高打擊準(zhǔn)確度。炸點坐標(biāo)測量分為地面炸點坐標(biāo)測量和空中炸點坐標(biāo)測量[3]。早期,對炸點位置測量一般采用人工觀察法,該方法隨機(jī)誤差大且安全性差,因此需要研制新型光電測試系統(tǒng)[4-6]。對于當(dāng)前已存在的測量系統(tǒng),成本高而且容易受到測量環(huán)境的限制[7]。炸點空間坐標(biāo)探測常用的測量方法有激光測距測高儀[8]、激光電測法[9]、多光幕交匯測量法[10]以及聲學(xué)測量法[11-12]等。
由于炮彈速度非??欤⑶移浠鸸饩S持的時間只有幾毫秒,因此具有高速性和瞬時性。相機(jī)一般分為卷簾快門[13]和全局快門[14]兩種相機(jī),全局快門的曝光時間更短,適合拍攝速度較大物體;而卷簾式快門幀速更高,但會出現(xiàn)“果凍現(xiàn)象”和“晃動現(xiàn)象”。由于高速相機(jī)價格昂貴,所以進(jìn)行了基于通用工業(yè)相機(jī)的炸點瞬時位置測量的模擬研究。
2個相機(jī)中心之間的距離遠(yuǎn)小于測量距離,因此可以把2個相機(jī)的光軸看成是近似平行的。測量原理主要是基于雙目平行光軸測量模型,如圖1。左右2個相機(jī)相對位置固定,并同時曝光,再根據(jù)目標(biāo)在左右圖像中的坐標(biāo),即可獲取目標(biāo)的空間坐標(biāo)。圖中HS表示2個相機(jī)的間距,LT表示炸點到相機(jī)的深度距離,炸點在左右相機(jī)的測量角為 βL和 βR,約定光軸左側(cè)為負(fù),光軸右側(cè)為正,炸點對 兩 相機(jī)測 量 單元的 張 角為 θT, 則 θT與 βL和 βR的關(guān)系為(1):
圖1 平行光軸測距模型Fig.1 Parallel optical axis ranging model
根據(jù)圖1,有關(guān)系(2)式和(3)式:
HS與LT的關(guān)系為(4)式:
由(2)、(3)、(4)式可得(5)式,即炸點到2個相機(jī)連線的深度距離LT也 是炸點沿Z方向坐標(biāo)。
根據(jù)(2)、(3)和(5)式可以得出(6)、(7)式:
根據(jù)物像關(guān)系分別得到炸點沿X、Y方向的坐標(biāo),即(8)式與(9)式:
式中:HS已 知; (xL,yL) 與 (xR,yR)YL′是炸點在左右圖像中位置坐標(biāo); (X,Y,Z)即為炸點空間位置坐標(biāo)。
系統(tǒng)主要由瞬態(tài)閃光單元、探測傳感單元和信號處理單元組成。瞬態(tài)閃光單元通過短脈沖控制器驅(qū)動LED按固定頻率亮滅來模擬彈丸的爆炸發(fā)光,探測傳感單元用于捕捉產(chǎn)生的光信號,通過信號處理單元,觸發(fā)相機(jī)曝光采集。
該單元包含4個LED燈,均勻分布在直徑1.2 m的圓周上,各LED的相對位置固定,其距離變化小于0.5 mm,滿足精度要求。系統(tǒng)時鐘周期在16 ms~48 ms可調(diào),當(dāng)CLK信號由低變高,LED的驅(qū)動電平也由低變高,時序如圖2所示。發(fā)光時間需依據(jù)探測視場內(nèi)的背景光強(qiáng)度以及測量的深度距離而定,本系統(tǒng)中,每個LED的持續(xù)發(fā)光的時間為2 ms。
圖2 閃光控制器時序圖Fig.2 Timing diagram of flash controller
系統(tǒng)采用感光面大小為(1 0×10)mm的硅光敏二極管,光譜響應(yīng)范圍為300 nm至1 000 nm,并在二極管前方增加光學(xué)透鏡,使炸點閃光信號匯聚到感光面,使其能夠觸發(fā)相機(jī)采集圖像。信號處理過程如圖3所示:光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)為電信號,再將電流信號VINZ經(jīng)AD862轉(zhuǎn)換為電壓信號VOS;然后將VOS進(jìn)行濾波放大,得到輸出信號VOUT。
圖3 光電探測模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of photoelectric detection module
將VOUT信號傳至減法電路模塊即圖4中VINA信號,將背景光信號濾掉并放大,得到有效信號VOPPA。VOPPA信號分為兩路相同的信號:一部分進(jìn)入比較器,與啟動閾值VREFS比較,確定是否開始積分充電;一部分進(jìn)入積分控制電路,經(jīng)過ADG787之后,輸出信號VPPSA,通過AD8625得到信號VOJFA,進(jìn)入比較器再與曝光停止閾值VREFE比較,確定是否停止曝光,如圖5所示。
圖4 減法電路圖Fig.4 Subtraction circuit diagram
圖5 相機(jī)曝光控制電路圖Fig.5 Circuit diagram of camera exposure control
為保證測量的準(zhǔn)確性與可靠性,進(jìn)行了系統(tǒng)前置實驗。爆炸信號屬于高頻信號,而測量環(huán)境中信號為低頻信號,因此需通過濾波電路對有效信號進(jìn)行提取,防止誤觸發(fā)或不觸發(fā)相機(jī)曝光。圖6所示為調(diào)整參數(shù)之后噪聲與有效信號的幅值。
圖6 調(diào)整之后噪聲與爆炸信號的幅值Fig.6 Amplitude of noise and explosion signal after adjustment
首先對圖7所示原始圖像進(jìn)行中值濾波,濾除固有的椒鹽噪聲,得到圖8;然后進(jìn)行二值化處理,濾除視場內(nèi)其他光源背景的干擾,獲得圖9;接著通過腐蝕和膨脹技術(shù)獲取炸點光斑的掩碼,分別如圖10、圖11、圖12所示。
圖7 原始圖像Fig.7 Original image
圖8 中值濾波后的圖像Fig.8 Image after median filtering
圖9 二值化后圖像Fig.9 Image after binarization
圖10 腐蝕后圖像Fig.10 Image after corrosion
圖11 膨脹后圖像Fig.11 Image after expansion
圖12 光斑掩碼圖像Fig.12 Spot mask image
由于爆炸光信號形狀任意,且光能量分布不均,因此光斑質(zhì)心與幾何中心會產(chǎn)生偏移。該系統(tǒng)采用平方加權(quán)灰度重心法[15]對圖12中的光斑進(jìn)行中心定位。計算公式為(10)式和(11)式,式中: (x,y)為圖像中對應(yīng)像素點的實際尺寸坐標(biāo);f(x,y)f(x,y)表示對應(yīng)位置的灰度值;M×N表示區(qū)域大??;xC與yC為光斑中心橫縱坐標(biāo)。
以2個相機(jī)之間連線的中點作為參考零點,將目標(biāo)分別沿深度方向Z置于距離探測系統(tǒng)24 m、32 m、48 m處,在水平方向X范圍?8 m~8 m內(nèi)以2 m距離為間隔設(shè)置測量點,在豎直方向Y保持0.4 mm不變。在24 m、32 mm、48 mm處,炸點坐標(biāo)(X,Y,Z)測量結(jié)果分別如表1、2、3所示。
表1 24 m處測量結(jié)果Table 1 Measurement results at 24 m mm
表2 32 m處測量結(jié)果Table 2 Measurement results at 32 m mm
表3 48 m處測量結(jié)果Table 3 Measurement results at 48 m mm
根據(jù)公式(12)、(13)、(14),式中下標(biāo)th表示理論值,ac表示測量值,在3個不同深度距離,分別對X、Y、Z計算誤差絕對值。
綜上所述,最大誤差絕對值:在深度距離24 m處,X方向為117 mm,Y方向為59 mm,Z方向為279 mm;在32 m處,X方向為123 mm,Y方向為54 mm,Z方向為251 mm;在48 m處,X方向為127 mm,Y方向為68 mm,Z方向為274 mm。
本文對炸點空間位置的探測進(jìn)行了模擬研究,提出了一種基于光電傳感器和普通工業(yè)相機(jī)的炸點空間位置探測系統(tǒng),最終實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足探測精度要求,具有重要的實際應(yīng)用價值,但是對于實際彈丸炸點的空間位置測量還需進(jìn)一步實驗。