圖像處理技術(shù)在碎片云參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用＊

朱玉榮，吳祖堂，譚書舜，張向榮，劉冠蘭

（西北核技術(shù)研究所，西安 710024）

0 引言

彈丸高速撞擊薄靶，彈丸和靶件穿孔材料將發(fā)生破碎、熔化甚至氣化形成碎片云［1］。碎片云的形成和發(fā)展過(guò)程是很復(fù)雜的，影響碎片云破壞效應(yīng)的主要因素有碎片云的速度、噴射角度等參數(shù)，這些參數(shù)很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。文中研究了利用圖像處理技術(shù)測(cè)量碎片云的這兩個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

1 碎片云圖像的獲?。?］

高速碰撞實(shí)驗(yàn)是在二級(jí)輕氣炮上完成的。采用直徑為5 mm的鉛彈丸撞擊2 mm厚鉛靶，靶件的直徑選140 mm，碰撞速度為3.1k m／s［3］左右。實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。部分碎片云圖像見(jiàn)圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局圖

表1 碎片云圖像獲取實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖2 碰撞速度3.1k m／s下的碎片云圖像

2 圖像處理

2.1 碎片云圖像分析

X射線圖像的成像機(jī)理特殊，具有重疊度大、噪聲高、對(duì)比度低、數(shù)據(jù)量大、灰度級(jí)數(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，從而增加了X射線圖像處理的難度，目前的圖像處理模型對(duì)X射線圖像具有很大的局限性。

2.2 碎片云運(yùn)動(dòng)參數(shù)的圖像診斷方法

根據(jù)分析，碎片云運(yùn)動(dòng)參數(shù)的圖像診斷流程如圖3所示。碎片云速度分布是沿碎片前進(jìn)方向的［4］。碎片云前端速度測(cè)量需要有時(shí)間差Δt，分別從時(shí)刻t1、t2兩幅圖像中計(jì)算出碎片云前端的位置（相對(duì)于相同的坐標(biāo)原點(diǎn)）。根據(jù)已知靶板的厚度為2 mm，將圖像上的尺度換算到空間尺度。設(shè)碎片t1時(shí)刻某點(diǎn)的坐標(biāo)為 （x1，y1）和t2時(shí)刻坐標(biāo)為 （x2，y2）。設(shè)碎片在Δt時(shí)間內(nèi)飛行的位移為d，則：

圖3 碎片云運(yùn)動(dòng)參數(shù)的圖像診斷流程圖

2.3 碎片云的前端平均速度、噴射角度、靶板孔徑等參數(shù)的測(cè)量

碎片云形成的序列圖像經(jīng)過(guò)邊緣提取后，得到碎片云圖像的初始邊緣輪廓。初始輪廓受提取算法的影響，可能是不連續(xù)的，所以需要重新連接，得到碎片云序列圖像的邊緣圖像。從得到的碎片云序列邊緣輪廓圖可以診斷碎片云的前端平均速度、噴射角度和靶板孔徑等參數(shù)。圖4為采用同態(tài)濾波方法增強(qiáng)后，采用Sobel算子提取出來(lái)的不同時(shí)刻的碎片云輪廓圖序列。

2.3.1 前端平均速度

圖4 不同延遲時(shí)刻碎片云圖像提取的輪廓圖像

由于診斷到的碎片云圖像是序列圖像，而每幅圖像之間的時(shí)間間隔決定于觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)時(shí)刻與控制X射線閃光時(shí)刻之間的延遲時(shí)間，該時(shí)間是已知的，設(shè)為Δtμs，在該時(shí)間間隔內(nèi)，碎片云的擴(kuò)散位移可以通過(guò)碎片云邊緣輪廓圖提取出來(lái)。以水平方向?yàn)槔葘⒉煌瑫r(shí)刻的碎片云圖像的邊緣提取出來(lái)，從提取出來(lái)的輪廓圖可以看出輪廓包含靶面輪廓（兩條平行的直線和碎片云的橢園形輪廓，而靶面的厚度是已知的，設(shè)n靶面為靶板在圖像中所占的像素值，其對(duì)應(yīng)實(shí)物是2 mm。設(shè)n碎片為碎片云輪廓在圖像中對(duì)應(yīng)

像素值，該像素值與靶面的像素值的比就可以得到任意時(shí)刻的擴(kuò)散位移S，如圖5所示。s1＝（n1碎片／n1靶面）×2（mm），處理出對(duì)應(yīng)擴(kuò)散速度v＝（s1－s2）／Δt，單位為k m／s。

經(jīng)過(guò)處理后的序列圖像在關(guān)聯(lián)時(shí)刻分別為2μs、4μs、8μs、10μs、12.6μs、16.7μs的發(fā)展過(guò)程輪廓疊加后如圖6所示。

2.3.2 噴射角度

圖7為碎片云運(yùn)動(dòng)的示意圖，圖中定義了碎片云的一些參數(shù)。θ為噴射半角，在圖像輪廓圖中，量出DB、碎片云徑向的最大直徑D和最大半徑處距靶面的垂直距離L，則分別為彈丸在穿過(guò)靶板過(guò)程中靶后和靶前的瞬間彈坑直徑［5］。

圖6 不同時(shí)刻碎片云輪廓疊加圖

圖7 碎片云示意圖

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

1）前端平均速度

表2 碎片云前端平均速度計(jì)算表

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果繪制碎片云前端平均速度曲線如圖8所示。

圖8 前端平均速度曲線

由速度曲線圖8（a）可以看出，速度值在延遲時(shí)間為10μs和12.6μs處有兩個(gè)突變點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析，主要是靶板的安裝給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差，因此對(duì)原曲線進(jìn)行去掉兩個(gè)奇異點(diǎn)的修正，得到速度隨時(shí)間變化的曲線圖8（b）。

2）噴射角度

由圖9曲線可以得出：噴射角度隨時(shí)間的增加變化比較緩慢。通過(guò)與國(guó)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，曲線的變化趨勢(shì)是相同的。數(shù)值不同是因?yàn)樽矒魲l件不同（靶板材料和尺寸、彈丸直徑和材料、撞擊速度等）。

表3 噴射角度計(jì)算表

圖9 噴射角度曲線

圖10 國(guó)外總結(jié)的噴射角度曲線

3 結(jié)論

文中分析了碎片云圖像的特點(diǎn)，利用邊緣檢測(cè)方法，得到各個(gè)時(shí)刻的邊緣圖像，最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到碎片云的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與碎片云的膨脹理論相符，為碎片云運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑。

［1］ 張偉，龐寶君.彈丸撞擊防護(hù)屏形成碎片云的速度特性研究［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2002，22（2）：67－71.

［2］ 朱玉榮，徐守時(shí)，唐潤(rùn)棣，等.高速碰撞過(guò)程中的圖像診斷［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：357－358.

［3］ A J Piekutowski.Effects of scale on debris cloud properties［J］.International Journal of Impact Engineering，1994，20（6／10）：639－650.

［4］ 吳蕾.測(cè)量射流質(zhì)量、速度、動(dòng)能分布的圖像處理方法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，1997，2（12）：905－908.

［5］ A J Stilp and Weber.Debris clound behind double－layer targets［J］.Int.J.Impact Engine.1997，20（6／10）：765－778.