通用工業(yè)相機的炸點瞬時位置測量模擬研究

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)教育部重點實驗室，天津 300072）

引言

模擬測試是生產(chǎn)各種新型武器系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)[1]。對于火炮彈丸，其何時起爆由引信決定[2]，因此對炸點空間位置測量技術(shù)的研究有利于提高引信技術(shù)，進一步提高打擊準確度。炸點坐標測量分為地面炸點坐標測量和空中炸點坐標測量[3]。早期，對炸點位置測量一般采用人工觀察法，該方法隨機誤差大且安全性差，因此需要研制新型光電測試系統(tǒng)[4-6]。對于當前已存在的測量系統(tǒng)，成本高而且容易受到測量環(huán)境的限制[7]。炸點空間坐標探測常用的測量方法有激光測距測高儀[8]、激光電測法[9]、多光幕交匯測量法[10]以及聲學(xué)測量法[11-12]等。

由于炮彈速度非?？?，并且其火光維持的時間只有幾毫秒，因此具有高速性和瞬時性。相機一般分為卷簾快門[13]和全局快門[14]兩種相機，全局快門的曝光時間更短，適合拍攝速度較大物體；而卷簾式快門幀速更高，但會出現(xiàn)“果凍現(xiàn)象”和“晃動現(xiàn)象”。由于高速相機價格昂貴，所以進行了基于通用工業(yè)相機的炸點瞬時位置測量的模擬研究。

1 測量原理

2個相機中心之間的距離遠小于測量距離，因此可以把2個相機的光軸看成是近似平行的。測量原理主要是基于雙目平行光軸測量模型，如圖1。左右2個相機相對位置固定，并同時曝光，再根據(jù)目標在左右圖像中的坐標，即可獲取目標的空間坐標。圖中HS表示2個相機的間距，LT表示炸點到相機的深度距離，炸點在左右相機的測量角為 βL和 βR，約定光軸左側(cè)為負，光軸右側(cè)為正，炸點對 兩 相機測 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，即炸點到2個相機連線的深度距離LT也 是炸點沿Z方向坐標。

根據(jù)（2）、（3）和（5）式可以得出（6）、（7）式：

根據(jù)物像關(guān)系分別得到炸點沿X、Y方向的坐標，即（8）式與（9）式：

式中：HS已 知； (xL,yL) 與 (xR,yR)YL′是炸點在左右圖像中位置坐標； (X,Y,Z)即為炸點空間位置坐標。

2 實現(xiàn)方案

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

2.1 瞬態(tài)閃光單元

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

圖2 閃光控制器時序圖Fig.2 Timing diagram of flash controller

2.2 閃光信號起始探測傳感單元

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

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

2.3 相機曝光時序控制

將VOUT信號傳至減法電路模塊即圖4中VINA信號，將背景光信號濾掉并放大，得到有效信號VOPPA。VOPPA信號分為兩路相同的信號：一部分進入比較器，與啟動閾值VREFS比較，確定是否開始積分充電；一部分進入積分控制電路，經(jīng)過ADG787之后，輸出信號VPPSA，通過AD8625得到信號VOJFA，進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 相機曝光控制電路圖Fig.5 Circuit diagram of camera exposure control

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

為保證測量的準確性與可靠性，進行了系統(tǒng)前置實驗。爆炸信號屬于高頻信號，而測量環(huán)境中信號為低頻信號，因此需通過濾波電路對有效信號進行提取，防止誤觸發(fā)或不觸發(fā)相機曝光。圖6所示為調(diào)整參數(shù)之后噪聲與有效信號的幅值。

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

3.1 光斑提取

首先對圖7所示原始圖像進行中值濾波，濾除固有的椒鹽噪聲，得到圖8；然后進行二值化處理，濾除視場內(nèi)其他光源背景的干擾，獲得圖9；接著通過腐蝕和膨脹技術(shù)獲取炸點光斑的掩碼，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)心與幾何中心會產(chǎn)生偏移。該系統(tǒng)采用平方加權(quán)灰度重心法[15]對圖12中的光斑進行中心定位。計算公式為（10）式和（11）式，式中： (x,y)為圖像中對應(yīng)像素點的實際尺寸坐標；f(x,y)f(x,y)表示對應(yīng)位置的灰度值；M×N表示區(qū)域大小；xC與yC為光斑中心橫縱坐標。

3.3 數(shù)據(jù)分析

以2個相機之間連線的中點作為參考零點，將目標分別沿深度方向Z置于距離探測系統(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)置測量點，在豎直方向Y保持0.4 mm不變。在24 m、32 mm、48 mm處，炸點坐標(X,Y,Z)測量結(jié)果分別如表1、2、3所示。

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

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

表3 48 m處測量結(jié)果Table 3 Measurement results at 48 m mm

根據(jù)公式（12）、（13）、（14），式中下標th表示理論值，ac表示測量值，在3個不同深度距離，分別對X、Y、Z計算誤差絕對值。

綜上所述，最大誤差絕對值：在深度距離24 m處，X方向為117 mm，Y方向為59 mm，Z方向為279 mm；在32 m處，X方向為123 mm，Y方向為54 mm，Z方向為251 mm；在48 m處，X方向為127 mm，Y方向為68 mm，Z方向為274 mm。

4 結(jié)論

本文對炸點空間位置的探測進行了模擬研究，提出了一種基于光電傳感器和普通工業(yè)相機的炸點空間位置探測系統(tǒng)，最終實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足探測精度要求，具有重要的實際應(yīng)用價值，但是對于實際彈丸炸點的空間位置測量還需進一步實驗。