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)
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。
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)。
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。
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
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
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
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
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
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)。
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。
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)。