李 越,孫發(fā)魚,白瑞青

(西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

天線罩作為無線電引信天線的一部分,對于引信性能有著至關(guān)重要的影響。高速飛行使火箭彈頭部迎風(fēng)而快速升溫、燒蝕[1-2],從而產(chǎn)生熱透波效應(yīng),直接導(dǎo)致基于聚四氟乙烯材料圓錐狀引信天線罩材料外表面產(chǎn)生形變,出現(xiàn)不同程度的凹陷及電性能惡化[3],進而對無線電引信的電磁波傳輸造成嚴重影響,因此需要在高速、高溫、高過載的情況下測量天線罩的形變量,滿足制導(dǎo)火箭彈無線電引信天線罩飛行測試問題。

目前常用的形變量測量方法有兩種:接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量主要采用應(yīng)力傳感器[4]來傳感物體受力產(chǎn)生的形變大小,其中電阻式應(yīng)變片受到溫度的影響較大,只適合小溫度變化范圍的應(yīng)變測量,且在對高速旋轉(zhuǎn)或移動的部件進行應(yīng)變測試時,會有機械和電路等方面的問題[5];光纖傳感器的缺點是穩(wěn)定性不高,對多種物理量的變化均很敏感[6];聲表面波傳感器所需基片材料較貴[7],成本較高。非接觸式測量技術(shù)包括數(shù)字全息干涉法,能夠?qū)θS物體應(yīng)力形變進行測量,具有較高的測量精度,但測量成本與復(fù)雜性[8]也較高。傳統(tǒng)的形變測量方法并不適用于在嚴苛的彈上環(huán)境中對天線罩進行形變測試,無法滿足動態(tài)測試需求。

本文提出基于遙測的引信天線罩形變非接觸式測試方法,適用惡劣環(huán)境中動態(tài)試驗測試。該方法利用CMOS圖像傳感器[9-10]直接獲取引信天線罩形變信息,可以實現(xiàn)有效視場角測量,可靠性好,耐高低溫,防沖擊,耐震動。

1 基于圖像遙測的形變測試原理

為得到高速飛行過程中引信天線罩形變量,可在天線罩內(nèi)部安裝一套圖像采集裝置進行在線拍攝,并利用無線遙測裝置將圖像傳輸?shù)降孛孢M行圖像分析。遙測體制采用現(xiàn)有的脈沖編碼調(diào)頻(PCM/FM)體制,該體制具有較強的抗多徑衰落能力、較高的接收靈敏度、較好的多通道適應(yīng)性、較簡單的實現(xiàn)方式且滿足不大于1 Mb/s的遙測信息傳輸速率。圖像采集裝置和圖像傳感器的尺寸應(yīng)根據(jù)天線罩的內(nèi)部實際尺寸進行設(shè)計,測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the test system

1.1 硬件組成

天線罩形變測試系統(tǒng)由圖像采集裝置(光學(xué)鏡頭、CMOS圖像傳感器、板載光源、圖像壓縮芯片)、遙測裝置(遙測編碼器、發(fā)射機、天線)、遙測接收機(接收天線、接收通道、解調(diào)與數(shù)據(jù)處理)等組成。預(yù)先在天線罩內(nèi)部加工多條水平圓環(huán)形刻線和4條垂直刻線;采用板載光源照明天線罩內(nèi)部的條紋刻線,圖像傳感器芯片配合光學(xué)鏡頭與圖像采集芯片實時采集天線罩內(nèi)部的圓環(huán)圖像;采用高效壓縮算法對采集的圖像進行壓縮后通過RS422接口轉(zhuǎn)換芯片,按照預(yù)定的傳輸協(xié)議通過網(wǎng)線接入遙測編碼器,遙測編碼器形成PCM碼流,最終的PCM碼流送至發(fā)射機和天線進行PCM-FM調(diào)制、放大和發(fā)射,實現(xiàn)飛行過程中天線罩內(nèi)部圖像的實時采集與傳輸。地面遙測站接收信號,信號解調(diào)后進行解壓縮處理,利用專用分析算法進行計算,計算出天線罩的變形量與變形位置,并直觀的進行顯示。圖2為天線罩內(nèi)部硬件組成圖。

圖2 天線罩內(nèi)部安裝部件示意圖Fig.2 Schematic diagram of the internal installation parts of the radome

1.2 軟件組成

在彈的飛行過程中,獲取圖像的退化因素很多,依據(jù)地面標定數(shù)據(jù)和模型,通過圖像退化分析,預(yù)處理圖像增強和特征提取與分析,并綜合研判給出天線罩變形量。系統(tǒng)軟件分為光電成像系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)標定、圖像接收及顯示、變形量分析及結(jié)果統(tǒng)計四部分。軟件主控區(qū)包括圖像序列顯示、最終變形量三維數(shù)據(jù)及顯示、天線罩內(nèi)部指定區(qū)域變形過程數(shù)據(jù)及顯示。圖3為圖像處理與變形分析工作框圖。

圖3 圖像采集與處理部分工作框圖Fig.3 Block diagram of image acquisition and processing

2 天線罩形變動態(tài)測試與分析算法

圖4是仿真的天線罩存在變形后采集到的內(nèi)部圖像,實線圖案為預(yù)制的圓環(huán),虛線圖案為內(nèi)壁變形后的圓環(huán)。從圖中可以看到,當天線罩變形后,內(nèi)部的預(yù)制圖案形狀和位置會發(fā)生變化。如圖4(b),當內(nèi)壁膨脹后,圓環(huán)圖案跟著外擴,采集到的圓直徑變大,結(jié)合當前圓到十字劃線中心距離變化及光學(xué)成像原理,分解可能的軸向變形和圓度變形,綜合分析解算出圓環(huán)所處位置內(nèi)壁的變形量;圖4(c)是內(nèi)壁收縮后采集到的圓環(huán)圖像;圖4(d)是內(nèi)壁存在蝕化,預(yù)制圓變粗形成的圖像;圖4(e)是內(nèi)壁變形不均勻,某個方向變形相對嚴重的圖像;圖4(f)是相機與天線罩發(fā)生相對位移采集的圖像,需要配合整體圖案進行研判和分解;圖4(g)是內(nèi)壁某個方向相對蝕化嚴重;圖4(h)是內(nèi)壁同時存在蝕化收縮的情況。

圖4 天線罩存在變形后預(yù)制同心圓的圖像Fig.4 Image of prefabricated concentric circles in the radome after deformation

采用同心圓預(yù)制圖案,采集到的圖像為直徑不同、圓心可能存在微小差異的同心圓圖像,采用霍夫(Hough)變換檢測圓,輔助圓擬合獲取高精度圓參數(shù)。Hough變換的基本思想是將圖像從原圖像空間變換到參數(shù)空間,在參數(shù)空間中,使用大多數(shù)邊界點都滿足的某種參數(shù)形式作為圖像中曲線的描述,通過設(shè)置累加器對參數(shù)進行累積,其峰值對應(yīng)的點就是所需要的信息。圖5和圖6為圓環(huán)標準圖像和幾種同心圓光投影下天線罩存在變形的圖片。

圖5 預(yù)制同心圓的理想圖像Fig.5 Ideal image of prefabricated concentric circles

圖6 天線罩存在變形后預(yù)制同心圓的圖像Fig.6 Image of prefabricated concentric circles in the radome after distortion

圖6為天線罩內(nèi)壁變形引入圓變形的仿真。通過對圓等效直徑、圓形度、圓周位置統(tǒng)計特性分析,匹配多個圓環(huán)分析結(jié)果及角點分析獲得天線罩變形參數(shù)。

為了對變形進行分析,首先必須正確識別每個圓的成像。Hough變換不僅適用于直線檢測,還適用于任何形式的f(x,a)=0所表示的圖形的檢測,其中x表示坐標向量,a表示系數(shù)向量。對于一個半徑為r,圓心為(c,d)的圓,將其表示為:(x-c)2+(y-d)2=r2,其中X=[x,y]T,A=[c,d,r]T,其參數(shù)空間為三維。顯然,圖像空間上的一點(x,y)在參數(shù)空間中對應(yīng)著一個圓錐,如圖7所示。

圖7 Hough變換提取圓示意圖Fig.7 Schematic diagram of the Hough transform extraction circle

圖像空間的一個圓就對應(yīng)著這一簇圓錐相交的一個點,這個特定點在參數(shù)空間的三維參數(shù)一定,就表示一定半徑、一定圓心坐標的圖像空間的那個圓。上述方法是經(jīng)典的Hough圓檢測方法的原理,它具有對圖像噪聲、目標不完整性的魯棒性好,抗干擾能力強的優(yōu)點。加入基于同心光網(wǎng)格特點的約束條件,就能檢測出多個圓及等效方程,對圓進行初步定位。為進一步提高圓參數(shù)提取精度,對每個圓進行輪廓跟蹤,采用非最大抑制提取精細圓輪廓進行圓擬合,獲得各個圓基本參數(shù)(c,d,r)及輪廓位置的統(tǒng)計參數(shù)。

根據(jù)天線罩模型內(nèi)部圓環(huán)特性,結(jié)合Hough變換理論,提出一種檢測緯線像素信息的方法,旨在通過提取圖像中緯線的信息特征,實現(xiàn)對緯線像素信息的準確檢測。該方法需定位圖像中像素空間的中心,并將參數(shù)空間根據(jù)一定的角度進行離散化,以極坐標形式表示圖像空間中的像素;而后將圖像中非零像素的分布,通過映射關(guān)系求取在參數(shù)空間中通過的區(qū)域,統(tǒng)計參數(shù)空間中各區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù),選取次數(shù)大于某一閾值的區(qū)域作為表示緯線的區(qū)域;最終將參數(shù)空間中表示緯線的區(qū)域的參數(shù)作為圖像中緯線的參數(shù)。該方法將具有一定的抗干擾能力,且檢測精度會隨離散間隔縮小而提高。

從圖8可以看出,投影在天線罩內(nèi)壁的光成像在傳感器上的位置不僅與成像透鏡有關(guān),更與預(yù)制圓的位置相關(guān),對于理想的錐形內(nèi)壁,錐形內(nèi)壁的錐角、預(yù)制圖案參數(shù)與圖像分析獲得的不同圓的直徑關(guān)聯(lián)。如果內(nèi)壁發(fā)生變形,采集到的圖像中,圓的直徑就會發(fā)生變化,從發(fā)生變化對應(yīng)的圖像直徑判別出變形的位置和變形量。理想情況下,即測試系統(tǒng)與天線罩之間不存在相對運動的情況下,假設(shè)初始階段采集到的圓半徑分別為r1,r2,r3,發(fā)生變形后采集到的圓半徑變化為r1′,r2′,r3′,此時Δr1,Δr2,Δr3即為內(nèi)壁上相應(yīng)圓環(huán)位置處的變形量,十字線的特征變化量表征了四個方向上內(nèi)壁的變化情況,網(wǎng)格的灰度變化和網(wǎng)絡(luò)的尺寸變化表征了變形引入的內(nèi)壁粗糙度變化。在測試過程中,即使天線罩整體晃動,圖像采集裝置與天線罩不存在相對運動,依然可以用上述方法計算天線罩變形量。

圖8 預(yù)制同心圓成像示意圖Fig.8 Schematic diagram of prefabricated concentric circles

若圖像采集裝置在天線罩內(nèi)部發(fā)生振動,與天線罩存在相對運動,這時圖像采集系統(tǒng)采集到的網(wǎng)格圖案在整幅圖像中的位置發(fā)生變化,圖像提取的十字線交叉點的變化位置、各個圓心位置將作為圖像采集裝置位移量的檢測依據(jù),以此為基礎(chǔ)進行尺度修正,按照理想狀態(tài)下的變形量計算方法,就可以對圖像采集裝置與天線罩存在相對位置變化時的天線罩變形量進行計算。

3 仿真驗證

為了驗證本文方法的有效性,基于500型天線罩采用數(shù)學(xué)仿真的方法生成圓環(huán)組圖案,如圖9(a)所示。最外環(huán)對應(yīng)實際直徑120 mm圓環(huán),最內(nèi)環(huán)對應(yīng)距最外環(huán)深度150 mm處直徑70 mm圓環(huán)。由于投射原理,深處的圓環(huán)在二維平面上的成像比淺處相同直徑圓環(huán)要小,仿真圖案中的亮環(huán)是天線罩內(nèi)臺階形成的。加入了變形的仿真圖案如圖9(b),在最外環(huán)和最內(nèi)環(huán)均加入了2 mm的局部變形量,中間圓環(huán)加入了2 mm的隨機半徑偏差,可以看出圓環(huán)邊的毛糙,仿真了內(nèi)部燒蝕對天線罩內(nèi)部可能造成的影響。

圖9 仿真天線罩內(nèi)壁圓環(huán)組圖案Fig.9 Simulating the pattern of the ring group on the inner wall of the radome

對于產(chǎn)生形變的圖像,采用文中方法進行了分析,通過預(yù)設(shè)的不同深度實際尺度信息設(shè)定閾值判定變形,對于超過這個閾值范圍的區(qū)域,將提取為產(chǎn)生形變的像素點并突出標記。檢測結(jié)果如圖10所示,最外環(huán)和最內(nèi)環(huán)的局部變形都準確地識別出來了,仿真圖案上由于燒蝕引起的圓環(huán)擴散,由于零散點存在超差也識別出來了。

圖10 仿真圖案圖像識別結(jié)果Fig.10 Image recognition result of simulated pattern

進一步對每個環(huán)上坐標位置進行分析,最外面的為外環(huán),向內(nèi)依次為內(nèi)環(huán)4,內(nèi)環(huán)3,內(nèi)環(huán)2和內(nèi)環(huán)1,可以獲得等效圓心、距離方差、環(huán)寬、變形位置的角度信息等多種參數(shù)。如圖11所示,不同曲線表明了變形后圓環(huán)上的中點到等效圓心的半徑分布,直線表示未變形前圓環(huán)上的中點位置到等效圓心的中位距離,能清晰地反映出變形位置。

圖11 每個環(huán)上中點位置到等效圓心的距離分布曲線Fig.11 Distance distribution curve from the midpoint position on each ring to the center of the equivalent circle

從表1也可以看出:內(nèi)環(huán)3明顯環(huán)寬偏大,與仿真圖案一致;與中位距離的最大偏差和變形發(fā)生角度的檢出,都表明外環(huán)和內(nèi)環(huán)1出現(xiàn)局部變形,檢測出的變形方位角與仿真圖案一致。

表1 圓環(huán)特征分析表Tab.1 The table of ring characteristics

隨后在實驗室進行了模擬實驗,通過粘貼變形塊等方法生成一組天線罩內(nèi)部圓環(huán)形變圖案,利用算法對這一組圖案進行分析。圖12是將天線罩俯視圖投射到二維平面,并分為若干象限,將像素坐標與實際天線罩位置的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行展示。每個標記出來的圓圈點位包含該形變位置所在輻角與天線罩高度的信息。

圖12 當前坐標形變曲線Fig.12 Deformation curve of the current coordinates

仿真實驗分析結(jié)果表明,通過對地面繪制好的圖案參數(shù)進行標定和預(yù)設(shè),對天線罩模擬飛行過程中傳回的圖像進行處理和分析,提取出圓環(huán)特征參數(shù),可以計算出天線罩實際變形量。

4 結(jié)論

本文提出基于圖像遙測的引信天線罩形變動態(tài)測試系統(tǒng),相較于其他測試方法,簡化設(shè)計,大大提升了測試效率,在功能、性能和環(huán)境使用要求等方面能夠滿足引信天線罩形變量的動態(tài)測試要求。通過實驗驗證,內(nèi)徑變形量測量精度可達2 mm,能夠準確測量引信天線罩形變量。