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通用工業(yè)相機(jī)的炸點(diǎn)瞬時(shí)位置測(cè)量模擬研究

2021-09-27 02:48:26黃戰(zhàn)華曹雨生張晗笑申苜弘
應(yīng)用光學(xué) 2021年5期
關(guān)鍵詞:炸點(diǎn)光軸光斑

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

引言

模擬測(cè)試是生產(chǎn)各種新型武器系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)[1]。對(duì)于火炮彈丸,其何時(shí)起爆由引信決定[2],因此對(duì)炸點(diǎn)空間位置測(cè)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(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量分為地面炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量和空中炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量[3]。早期,對(duì)炸點(diǎn)位置測(cè)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(cè)試系統(tǒng)[4-6]。對(duì)于當(dāng)前已存在的測(cè)量系統(tǒng),成本高而且容易受到測(cè)量環(huán)境的限制[7]。炸點(diǎn)空間坐標(biāo)探測(cè)常用的測(cè)量方法有激光測(cè)距測(cè)高儀[8]、激光電測(cè)法[9]、多光幕交匯測(cè)量法[10]以及聲學(xué)測(cè)量法[11-12]等。

由于炮彈速度非???,并且其火光維持的時(shí)間只有幾毫秒,因此具有高速性和瞬時(shí)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(shí)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(huì)出現(xiàn)“果凍現(xiàn)象”和“晃動(dòng)現(xiàn)象”。由于高速相機(jī)價(jià)格昂貴,所以進(jìn)行了基于通用工業(yè)相機(jī)的炸點(diǎn)瞬時(shí)位置測(cè)量的模擬研究。

1 測(cè)量原理

2個(gè)相機(jī)中心之間的距離遠(yuǎn)小于測(cè)量距離,因此可以把2個(gè)相機(jī)的光軸看成是近似平行的。測(cè)量原理主要是基于雙目平行光軸測(cè)量模型,如圖1。左右2個(gè)相機(jī)相對(duì)位置固定,并同時(shí)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(gè)相機(jī)的間距,LT表示炸點(diǎn)到相機(jī)的深度距離,炸點(diǎn)在左右相機(jī)的測(cè)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(diǎn)對(duì) 兩 相機(jī)測(cè) 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(cè)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(diǎn)到2個(gè)相機(jī)連線的深度距離LT也 是炸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在左右圖像中位置坐標(biāo); (X,Y,Z)即為炸點(diǎn)空間位置坐標(biāo)。

2 實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)主要由瞬態(tài)閃光單元、探測(cè)傳感單元和信號(hào)處理單元組成。瞬態(tài)閃光單元通過(guò)短脈沖控制器驅(qū)動(dòng)LED按固定頻率亮滅來(lái)模擬彈丸的爆炸發(fā)光,探測(cè)傳感單元用于捕捉產(chǎn)生的光信號(hào),通過(guò)信號(hào)處理單元,觸發(fā)相機(jī)曝光采集。

2.1 瞬態(tài)閃光單元

該單元包含4個(gè)LED燈,均勻分布在直徑1.2 m的圓周上,各LED的相對(duì)位置固定,其距離變化小于0.5 mm,滿足精度要求。系統(tǒng)時(shí)鐘周期在16 ms~48 ms可調(diào),當(dāng)CLK信號(hào)由低變高,LED的驅(qū)動(dòng)電平也由低變高,時(shí)序如圖2所示。發(fā)光時(shí)間需依據(jù)探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)的背景光強(qiáng)度以及測(cè)量的深度距離而定,本系統(tǒng)中,每個(gè)LED的持續(xù)發(fā)光的時(shí)間為2 ms。

圖2 閃光控制器時(shí)序圖Fig.2 Timing diagram of flash controller

2.2 閃光信號(hào)起始探測(cè)傳感單元

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(diǎn)閃光信號(hào)匯聚到感光面,使其能夠觸發(fā)相機(jī)采集圖像。信號(hào)處理過(guò)程如圖3所示:光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào),再將電流信號(hào)VINZ經(jīng)AD862轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)VOS;然后將VOS進(jìn)行濾波放大,得到輸出信號(hào)VOUT。

圖3 光電探測(cè)模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of photoelectric detection module

2.3 相機(jī)曝光時(shí)序控制

將VOUT信號(hào)傳至減法電路模塊即圖4中VINA信號(hào),將背景光信號(hào)濾掉并放大,得到有效信號(hào)VOPPA。VOPPA信號(hào)分為兩路相同的信號(hào):一部分進(jìn)入比較器,與啟動(dòng)閾值VREFS比較,確定是否開(kāi)始積分充電;一部分進(jìn)入積分控制電路,經(jīng)過(guò)ADG787之后,輸出信號(hào)VPPSA,通過(guò)AD8625得到信號(hào)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

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性,進(jìn)行了系統(tǒng)前置實(shí)驗(yàn)。爆炸信號(hào)屬于高頻信號(hào),而測(cè)量環(huán)境中信號(hào)為低頻信號(hào),因此需通過(guò)濾波電路對(duì)有效信號(hào)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(hào)的幅值。

圖6 調(diào)整之后噪聲與爆炸信號(hào)的幅值Fig.6 Amplitude of noise and explosion signal after adjustment

3.1 光斑提取

首先對(duì)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(chǎng)內(nèi)其他光源背景的干擾,獲得圖9;接著通過(guò)腐蝕和膨脹技術(shù)獲取炸點(diǎn)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

3.2 光斑中心定位

由于爆炸光信號(hào)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(huì)產(chǎn)生偏移。該系統(tǒng)采用平方加權(quán)灰度重心法[15]對(duì)圖12中的光斑進(jìn)行中心定位。計(jì)算公式為(10)式和(11)式,式中: (x,y)為圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸坐標(biāo);f(x,y)f(x,y)表示對(duì)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)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

以2個(gè)相機(jī)之間連線的中點(diǎn)作為參考零點(diǎn),將目標(biāo)分別沿深度方向Z置于距離探測(cè)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(cè)量點(diǎn),在豎直方向Y保持0.4 mm不變。在24 m、32 mm、48 mm處,炸點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)測(cè)量結(jié)果分別如表1、2、3所示。

表1 24 m處測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results at 24 m mm

表2 32 m處測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results at 32 m mm

表3 48 m處測(cè)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(cè)量值,在3個(gè)不同深度距離,分別對(duì)X、Y、Z計(jì)算誤差絕對(duì)值。

綜上所述,最大誤差絕對(duì)值:在深度距離24 m處,X方向?yàn)?17 mm,Y方向?yàn)?9 mm,Z方向?yàn)?79 mm;在32 m處,X方向?yàn)?23 mm,Y方向?yàn)?4 mm,Z方向?yàn)?51 mm;在48 m處,X方向?yàn)?27 mm,Y方向?yàn)?8 mm,Z方向?yàn)?74 mm。

4 結(jié)論

本文對(duì)炸點(diǎn)空間位置的探測(cè)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(diǎn)空間位置探測(cè)系統(tǒng),最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足探測(cè)精度要求,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,但是對(duì)于實(shí)際彈丸炸點(diǎn)的空間位置測(cè)量還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

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