引信天線罩形變遙測(cè)圖像動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

李 越,孫發(fā)魚(yú),白瑞青

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

天線罩作為無(wú)線電引信天線的一部分,對(duì)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(jìn)而對(duì)無(wú)線電引信的電磁波傳輸造成嚴(yán)重影響,因此需要在高速、高溫、高過(guò)載的情況下測(cè)量天線罩的形變量,滿足制導(dǎo)火箭彈無(wú)線電引信天線罩飛行測(cè)試問(wèn)題。

目前常用的形變量測(cè)量方法有兩種:接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要采用應(yīng)力傳感器[4]來(lái)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(cè)量,且在對(duì)高速旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的部件進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試時(shí),會(huì)有機(jī)械和電路等方面的問(wèn)題[5];光纖傳感器的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不高,對(duì)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(cè)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(jìn)行測(cè)量,具有較高的測(cè)量精度,但測(cè)量成本與復(fù)雜性[8]也較高。傳統(tǒng)的形變測(cè)量方法并不適用于在嚴(yán)苛的彈上環(huán)境中對(duì)天線罩進(jìn)行形變測(cè)試,無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試需求。

本文提出基于遙測(cè)的引信天線罩形變非接觸式測(cè)試方法,適用惡劣環(huán)境中動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)有效視場(chǎng)角測(cè)量,可靠性好,耐高低溫,防沖擊,耐震動(dòng)。

1 基于圖像遙測(cè)的形變測(cè)試原理

為得到高速飛行過(guò)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(jìn)行在線拍攝,并利用無(wú)線遙測(cè)裝置將圖像傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行圖像分析。遙測(cè)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(qiáng)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(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式且滿足不大于1 Mb/s的遙測(cè)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(shí)際尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)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(cè)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(cè)裝置(遙測(cè)編碼器、發(fā)射機(jī)、天線)、遙測(cè)接收機(jī)(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(shí)時(shí)采集天線罩內(nèi)部的圓環(huán)圖像;采用高效壓縮算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行壓縮后通過(guò)RS422接口轉(zhuǎn)換芯片,按照預(yù)定的傳輸協(xié)議通過(guò)網(wǎng)線接入遙測(cè)編碼器,遙測(cè)編碼器形成PCM碼流,最終的PCM碼流送至發(fā)射機(jī)和天線進(jìn)行PCM-FM調(diào)制、放大和發(fā)射,實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中天線罩內(nèi)部圖像的實(shí)時(shí)采集與傳輸。地面遙測(cè)站接收信號(hào),信號(hào)解調(diào)后進(jìn)行解壓縮處理,利用專用分析算法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出天線罩的變形量與變形位置,并直觀的進(jìn)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(guò)程中,獲取圖像的退化因素很多,依據(jù)地面標(biāo)定數(shù)據(jù)和模型,通過(guò)圖像退化分析,預(yù)處理圖像增強(qiáng)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(biāo)定、圖像接收及顯示、變形量分析及結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(guò)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(dòng)態(tài)測(cè)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(shí)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(dāng)天線罩變形后,內(nèi)部的預(yù)制圖案形狀和位置會(huì)發(fā)生變化。如圖4(b),當(dāng)內(nèi)壁膨脹后,圓環(huán)圖案跟著外擴(kuò),采集到的圓直徑變大,結(jié)合當(dāng)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(gè)方向變形相對(duì)嚴(yán)重的圖像;圖4(f)是相機(jī)與天線罩發(fā)生相對(duì)位移采集的圖像,需要配合整體圖案進(jìn)行研判和分解;圖4(g)是內(nèi)壁某個(gè)方向相對(duì)蝕化嚴(yán)重;圖4(h)是內(nèi)壁同時(shí)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(cè)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(diǎn)都滿足的某種參數(shù)形式作為圖像中曲線的描述,通過(guò)設(shè)置累加器對(duì)參數(shù)進(jìn)行累積,其峰值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是所需要的信息。圖5和圖6為圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)對(duì)圓等效直徑、圓形度、圓周位置統(tǒng)計(jì)特性分析,匹配多個(gè)圓環(huán)分析結(jié)果及角點(diǎn)分析獲得天線罩變形參數(shù)。

為了對(duì)變形進(jìn)行分析,首先必須正確識(shí)別每個(gè)圓的成像。Hough變換不僅適用于直線檢測(cè),還適用于任何形式的f(x,a)=0所表示的圖形的檢測(cè),其中x表示坐標(biāo)向量,a表示系數(shù)向量。對(duì)于一個(gè)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(diǎn)(x,y)在參數(shù)空間中對(duì)應(yīng)著一個(gè)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(gè)圓就對(duì)應(yīng)著這一簇圓錐相交的一個(gè)點(diǎn),這個(gè)特定點(diǎn)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(biāo)的圖像空間的那個(gè)圓。上述方法是經(jīng)典的Hough圓檢測(cè)方法的原理,它具有對(duì)圖像噪聲、目標(biāo)不完整性的魯棒性好,抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。加入基于同心光網(wǎng)格特點(diǎn)的約束條件,就能檢測(cè)出多個(gè)圓及等效方程,對(duì)圓進(jìn)行初步定位。為進(jìn)一步提高圓參數(shù)提取精度,對(duì)每個(gè)圓進(jìn)行輪廓跟蹤,采用非最大抑制提取精細(xì)圓輪廓進(jìn)行圓擬合,獲得各個(gè)圓基本參數(shù)(c,d,r)及輪廓位置的統(tǒng)計(jì)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(cè)緯線像素信息的方法,旨在通過(guò)提取圖像中緯線的信息特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)緯線像素信息的準(zhǔn)確檢測(cè)。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(jìn)行離散化,以極坐標(biāo)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(guò)映射關(guān)系求取在參數(shù)空間中通過(guò)的區(qū)域,統(tǒng)計(jì)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(cè)精度會(huì)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(duì)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(huì)發(fā)生變化,從發(fā)生變化對(duì)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(cè)試系統(tǒng)與天線罩之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)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(cè)試過(guò)程中,即使天線罩整體晃動(dòng),圖像采集裝置與天線罩不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),依然可以用上述方法計(jì)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(dòng),與天線罩存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),這時(shí)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(diǎn)的變化位置、各個(gè)圓心位置將作為圖像采集裝置位移量的檢測(cè)依據(jù),以此為基礎(chǔ)進(jìn)行尺度修正,按照理想狀態(tài)下的變形量計(jì)算方法,就可以對(duì)圖像采集裝置與天線罩存在相對(duì)位置變化時(shí)的天線罩變形量進(jìn)行計(jì)算。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(duì)應(yīng)實(shí)際直徑120 mm圓環(huán),最內(nèi)環(huán)對(duì)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(tái)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(jī)半徑偏差,可以看出圓環(huán)邊的毛糙,仿真了內(nèi)部燒蝕對(duì)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(duì)于產(chǎn)生形變的圖像,采用文中方法進(jìn)行了分析,通過(guò)預(yù)設(shè)的不同深度實(shí)際尺度信息設(shè)定閾值判定變形,對(duì)于超過(guò)這個(gè)閾值范圍的區(qū)域,將提取為產(chǎn)生形變的像素點(diǎn)并突出標(biāo)記。檢測(cè)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(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)了,仿真圖案上由于燒蝕引起的圓環(huán)擴(kuò)散,由于零散點(diǎn)存在超差也識(shí)別出來(lái)了。

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

進(jìn)一步對(duì)每個(gè)環(huán)上坐標(biāo)位置進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)環(huán)上中點(diǎn)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(cè)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),通過(guò)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(duì)這一組圖案進(jìn)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(biāo)與實(shí)際天線罩位置的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行展示。每個(gè)標(biāo)記出來(lái)的圓圈點(diǎn)位包含該形變位置所在輻角與天線罩高度的信息。

圖12 當(dāng)前坐標(biāo)形變曲線Fig.12 Deformation curve of the current coordinates

仿真實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)地面繪制好的圖案參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和預(yù)設(shè),對(duì)天線罩模擬飛行過(guò)程中傳回的圖像進(jìn)行處理和分析,提取出圓環(huán)特征參數(shù),可以計(jì)算出天線罩實(shí)際變形量。

4 結(jié)論

本文提出基于圖像遙測(cè)的引信天線罩形變動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),相較于其他測(cè)試方法,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),大大提升了測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)試要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,內(nèi)徑變形量測(cè)量精度可達(dá)2 mm,能夠準(zhǔn)確測(cè)量引信天線罩形變量。