高速攝像結(jié)合虛擬儀器測(cè)量振動(dòng)及其AVD方法研究*

劉 煉 宋玉珍 劉新程

(91550部隊(duì)91分隊(duì)1) 大連 116023)(91913部隊(duì)30分隊(duì)2) 旅順 116041)

1 引言

任何一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在工作時(shí)都有可能發(fā)生振動(dòng),尤其是武器發(fā)射瞬間對(duì)整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)造成的振動(dòng)。通過(guò)獲得發(fā)射裝置在發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)特征參數(shù)及相關(guān)物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律,為檢驗(yàn)和改進(jìn)武備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、為全武器系統(tǒng)的最后定型提供必要的依據(jù)。而當(dāng)前所使用的測(cè)量和分析方法主要是力學(xué)測(cè)量與分析方法,這種方法測(cè)量系統(tǒng)龐大,數(shù)據(jù)分析效率低下,甚至有時(shí)會(huì)損壞傳感器。所以,提出一種基于虛擬儀器的高效、高精度的測(cè)量與分析方法,在物理通道的基礎(chǔ)上增加若干虛擬通道,即對(duì)信號(hào)擴(kuò)展一次積分通道、二次積分通道、一次微分通道和二次微分通道。定義虛擬通道之后,就可以實(shí)現(xiàn)在采樣時(shí),不僅記錄了物理通道中的各路數(shù)據(jù),同時(shí)還得到虛擬通道中定義的信號(hào),采樣結(jié)束后就同時(shí)保存了原始信號(hào)和虛擬通道信號(hào),相比采集后處理的方式,極大地提高了效率。結(jié)合虛擬儀器和全程微積分技術(shù),使加速度(A)、速度(V)和位移(D)三個(gè)基本參量(本文簡(jiǎn)稱AVD值)三測(cè)量的實(shí)現(xiàn)成為可能。過(guò)去某一個(gè)傳感器只能獲得其中一個(gè)信號(hào),需要采樣后處理才能獲得ACD值,若對(duì)該路擴(kuò)展適當(dāng)?shù)奈⒎趾头e分虛擬通道,就可以額外獲得AVD三測(cè)量功能:即只使用一個(gè)傳感器,只占用一路采集通道,還可以同時(shí)獲得加速度(A)、速度(V)和位移(D)三路信號(hào)。這種測(cè)量方法具有廣闊前景和深遠(yuǎn)意義。

2 系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)[1]主要由待測(cè)物體部分、光學(xué)成像部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、虛擬儀器、分析部分和結(jié)果輸出部分構(gòu)成。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件構(gòu)成

3.1 攝像系統(tǒng)

攝像系統(tǒng)[2]包括變焦距鏡頭、CCD攝像機(jī)(包括CCD芯片、驅(qū)動(dòng)電路和信息處理電路等)、尋像器和固定裝置。

選用美國(guó)EG&G公司的RA25678N芯片作為圖像傳感器。RA25678N是一種MOS高速固體圖像傳感器陣列,也稱為“自掃描光電二極管陣列”,簡(jiǎn)稱SSPD,SSPD除具有CCD的特點(diǎn)外,還具有抗彌散性好、暗電流小、實(shí)際感光面積大等優(yōu)點(diǎn),并避免了CCD在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生的不良影響。

其主要技術(shù)指標(biāo)為:

1)畫幅頻率:500幀/s

2)像元數(shù):256×256

3)像元中心距:40μ m

4)像元感光面積:800μ m2

5)動(dòng)態(tài)范圍:300:1

6)感光靈敏度:5.768V/μ j/cm

7)平均暗電流:2%

8)等效時(shí)鐘頻率:40MHz

9)有效感光面積:10.24mm×10.24mm

這種芯片在水平方向每32個(gè)像元分成一組,整個(gè)芯片共分成八組,由八個(gè)輸出端口同時(shí)分別輸出,其中四個(gè)輸出端口輸出偶數(shù)序列像元信號(hào),另四個(gè)輸出端口輸出奇數(shù)序列像元信號(hào)。

CCD攝像管是電荷耦合器件,在硅片上集成了以陣列分布的成像單元及相應(yīng)的控制電路、輸出電路。當(dāng)有一束平行光照射到鏡頭上時(shí),所有的成像單元處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出的圖象為全亮平面(圖2(a));當(dāng)有一個(gè)U形物體擋在鏡頭前方時(shí),由于部分光線被擋住,導(dǎo)致部分成像單元處于截止?fàn)顟B(tài)。所以輸出圖象就會(huì)形成一個(gè)U形的陰影(圖2(b))。當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)。在任何時(shí)刻物體的形態(tài)都被以這種方式記錄下來(lái)了。光電三極管分布越密,分辨率就越高。

圖2 CCD攝像頭成像原理

3.2 主機(jī)

主機(jī)包括計(jì)算機(jī)、大容量圖像存儲(chǔ)器、監(jiān)視器、鍵盤和其它接口與控制單元。

系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量至少為2000幀全幅圖像數(shù)據(jù),每幀圖像數(shù)據(jù)按64Kbit×8計(jì),即 512Kbit,數(shù)據(jù)總量達(dá)1Gbit,如此大的存儲(chǔ)量需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。

4 軟件構(gòu)成

4.1 預(yù)處理過(guò)程

4.1.1 動(dòng)態(tài)分塊濾波算法

由于從攝像機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是物體及其周圍環(huán)境的真實(shí)反映[3],所以存在著各種外在的干擾。即使在實(shí)驗(yàn)中盡量改善測(cè)量環(huán)境,如讓與待分析振動(dòng)無(wú)關(guān)的物體(如支撐物等)不要進(jìn)入圖像,增加光線照射的強(qiáng)度,來(lái)減少物體自身投影的影響。但是有用信號(hào)中混有的干擾信號(hào)總是無(wú)法完全消除的。因此,在對(duì)原始圖像進(jìn)行識(shí)別處理之前,必須將上述的干擾因素排除,也就是要先對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行濾波。由于干擾信號(hào)的存在具有隨機(jī)性,所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“動(dòng)態(tài)分區(qū)濾波”的方法來(lái)進(jìn)行處理。該方法的具體算法如下:第一步,將整個(gè)圖像區(qū)用十字形劃分為四塊 B1、B2、B3和B4,如圖 3所示。

然后通過(guò)下面的公式求出每塊的平均灰度值H1、H2、H3和 H4。其中 H 的上標(biāo)(0)代表第零次分區(qū),以下上標(biāo)意義與此相同。

圖3 動(dòng)態(tài)分區(qū)濾波第一步

再將每一個(gè)分塊按上述方法分成四等份B11、B12、B13和B14,這樣就把噪音信號(hào)進(jìn)行“分而濾之”的處理,如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)分區(qū)濾波第二步

然后將這四個(gè)灰度值和母分區(qū)灰度值H1作比較,定義如下控制量:

可以重復(fù)以上的步驟,直到控制量δ小于某一指定值,可以認(rèn)為在此時(shí)的每一小塊中所出現(xiàn)的灰度值奇異點(diǎn)為干擾信號(hào)。這樣,就能用當(dāng)前的塊灰度平均值代替塊中的各點(diǎn)灰度值。從而也就到達(dá)了濾去噪音信號(hào)的目的。

4.1.2 二值化算法

濾波以后,就可以對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理了。二值化算法[4]的核心在于如何獲得一個(gè)良好的灰度閾值,使得圖像的二值化處理能達(dá)到最佳效果。如果該閾值選得過(guò)亮,那么圖像就會(huì)在物體本身之外產(chǎn)生許多黑斑,達(dá)不到分辨的目的;如果該閾值選得過(guò)暗,又會(huì)使待測(cè)物體的外形變小,導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。為了對(duì)圖像進(jìn)行更好的提取,必須選擇一個(gè)較好的閾值自動(dòng)選擇算法。在計(jì)算機(jī)顯示器上,每個(gè)像素的顏色有R,G,B三部分構(gòu)成,當(dāng)R=G=B=255時(shí),該點(diǎn)為白色,也就是對(duì)應(yīng)為亮點(diǎn);當(dāng)R=G=B=0時(shí)該點(diǎn)為黑色,也就是對(duì)應(yīng)為暗點(diǎn)。由于圖像是黑白的,所以對(duì)于同一點(diǎn),其R,G,B的值大致相同,首先將屏幕上每個(gè)像素的R值讀到一個(gè)二維矩陣R[i][j]中,如果實(shí)驗(yàn)背景選定為白色,而且已經(jīng)對(duì)圖像進(jìn)行了濾波處理,因此得到的圖像點(diǎn)的R值的分布應(yīng)該是在振動(dòng)物體的位置上有個(gè)突起的峰(谷),而其他位置上變化應(yīng)該很平滑。所以通過(guò)對(duì)這i×j個(gè)值求平均值得到Ravi作為原始閾值是具有分辨能力的。通過(guò)實(shí)驗(yàn),在此閾值控制下,圖像的二值化效果一般能夠滿足要求。為了進(jìn)行彌補(bǔ),系統(tǒng)另外設(shè)置了人工控制的模式。也就是在閾值附近通過(guò)手動(dòng)控件進(jìn)行調(diào)整,并隨時(shí)監(jiān)控圖像處理的結(jié)果,直到滿意為止。

4.1.3 圖像線化處理算法

該算法的主要目的就是從圖像中提取到可以進(jìn)行后處理的數(shù)據(jù)[5]。首先按列找到二值化處理后圖像的陰影上、下邊沿,按著兩個(gè)邊沿?cái)?shù)據(jù)求一個(gè)平均值Yavi[i]。將這些值看成是一維振動(dòng)結(jié)構(gòu)的中心線,在忽略物體材料的微小不均勻性的情況下,該曲線的形態(tài)就能認(rèn)為是物體的振動(dòng)形態(tài)。如圖5所示。

圖5 圖像線化處理示例

將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中,準(zhǔn)備進(jìn)行參數(shù)求解和分析。由于顯示器的最小單位是像素,所以在求取Yi(avi)時(shí)必須用整型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。這樣在所得到的中心線上會(huì)出現(xiàn)一些不光滑的地方。對(duì)此系統(tǒng)將數(shù)據(jù)讀到分析模塊中時(shí),采用了線性插值和二次曲線插值的方法來(lái)進(jìn)行平滑處理,獲得了良好的效果。

4.1.4 虛擬擴(kuò)展通道

本文的虛擬儀器[6]采用DASP智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng),通道設(shè)置如圖6所示,上半部為采集器的物理參數(shù)設(shè)置,下半部是虛擬通道參數(shù)設(shè)置[7]。

圖6 物理通道和虛擬通道設(shè)置

4.1.5 振動(dòng)參數(shù)頻譜分析

通過(guò)上述各步驟的圖像處理工作,以圖6為例可以獲得結(jié)構(gòu)(如橫梁)上的任意點(diǎn)的X(k)采樣函數(shù)。參數(shù)分析的基本算法[8]就是對(duì)X(k)進(jìn)行離散傅立葉變換,并在頻域內(nèi)進(jìn)行分析處理。通過(guò)對(duì)幅值/相位圖的分析,就能得到各階振型的頻率和其它所需要的各種參數(shù)。

采用虛擬微積分通道還具有不受信號(hào)端點(diǎn)截?cái)嗟挠绊?因?yàn)椴杉瘍x得到的信號(hào)是連續(xù)的。若采用采集后再進(jìn)行微積分轉(zhuǎn)換,則可能在數(shù)字信號(hào)兩端出現(xiàn)嚴(yán)重的波形畸變現(xiàn)象。

需要說(shuō)明的是,基于梯形法等的傳統(tǒng)微積分運(yùn)算方法,對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)振動(dòng)信號(hào)具有難以克服的缺點(diǎn),積分操作易受信號(hào)基線和低頻漂移的影響導(dǎo)致積分后波形基線的大幅波動(dòng),微分操作則易受信號(hào)局部噪聲的影響導(dǎo)致微分后波形噪聲比較大。因此在AVD三測(cè)量中,對(duì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)振動(dòng)波形需要采取考慮波形全程特性的微積分運(yùn)算手段,才能保證獲得理想的微積分虛擬通道信號(hào)。

5 對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

試件采用圖7所示的一維振動(dòng)結(jié)構(gòu),其具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 待測(cè)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

用本系統(tǒng)對(duì)其振型作了測(cè)量和分析。所使用的待測(cè)物體的材料為有機(jī)玻璃,總長(zhǎng)為110cm寬度為5cm厚度為0.4cm,攝像頭垂直照射在厚度方向上。將攝像系統(tǒng)的采集速度設(shè)為24幅/秒,在該試件上加上兩個(gè)質(zhì)量適當(dāng)?shù)捻来a作為配重來(lái)控制振動(dòng)頻率。根據(jù)振動(dòng)理論,如果改變配重 M1和M2的質(zhì)量,或者改變長(zhǎng)度a和b的值(見(jiàn)圖7)都會(huì)引起各階振型所對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生移動(dòng)。因此,在改變這些參數(shù)的條件下進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集與分析實(shí)驗(yàn)。選取了兩張有代表性的頻譜曲線進(jìn)行比較。如圖8、圖9所示。

圖8 高速攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在圖9(a)、(b)兩張頻譜圖上,可以清晰地看到一階振型和二階振型所對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了移動(dòng)。而且經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)兩張圖上頻率比值也發(fā)生了變化。這正是由于改變了配重 M1和 M2在待測(cè)物體上的位置,根據(jù)振動(dòng)理論,必然會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。由此也就間接地證明了本系統(tǒng)的可用性。再通過(guò)建立初步數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的AVD值與虛擬通道記錄的AVD值相比較,數(shù)值基本一致。

圖9 待測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜分析曲線圖

6 系統(tǒng)應(yīng)用及可能遇到的問(wèn)題

本系統(tǒng)為達(dá)到精確、高效的目的。以一種車載武器發(fā)射裝置為例,測(cè)量發(fā)射系統(tǒng)的水平、垂直和射向三個(gè)方向的一維振動(dòng)量(如圖10)就可獲得該發(fā)射系統(tǒng)的特征值和AVD值。

圖10 攝像頭位置圖

仍存在一些可能影響測(cè)量結(jié)果的問(wèn)題:

1)攝像系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的固定位置選擇;

2)日光、背景對(duì)攝像系統(tǒng)的影響;

3)發(fā)射時(shí),尾焰的熱和光對(duì)攝像系統(tǒng)的影響;

4)發(fā)射瞬間,氣流對(duì)攝像系統(tǒng)的沖擊;

5)發(fā)射時(shí),煙塵對(duì)攝像系統(tǒng)的影響。

針對(duì)以上問(wèn)題,可采用以下辦法解決或減少影響程度:

(1)攝像系統(tǒng)攝像頭固定在測(cè)量點(diǎn)2～4m的地方,以遠(yuǎn)離氣流沖擊和看清目標(biāo)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn);

(2)攝像頭處加裝遮光裝置減少日光和發(fā)射時(shí)火光、煙塵影響;

(3)在發(fā)射裝置后面裝氣流導(dǎo)向板,減少氣流對(duì)攝像頭的沖擊。

[1]張三喜,姚敏,孫衛(wèi)平.高速攝像及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006

[2]徐青,張艷,耿則勛.遙感影像融合與分辨率增強(qiáng)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007

[3]沈鳳池.圖形圖像處理技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2006

[4]應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動(dòng)與噪聲技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2008

[5]賈永紅.數(shù)字圖像處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003

[6]劉進(jìn)明,應(yīng)懷樵.虛擬擴(kuò)展通道采樣技術(shù)[M].北京:北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所,2008

[7]應(yīng)懷樵.DASP-V10操作使用手冊(cè)[M].北京:北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所,2008

[8]謝官模.振動(dòng)力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007