一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统

1.本发明涉及光电测量技术领域，具体涉及一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统。


背景技术：

2.线阵相机交汇靶是用线阵相机构成的光学摄影系统，弹丸通过靶面时将在相机上成像，通过成像点的位置来确定弹丸在靶面的位置，它与其它光电靶的重要区别是它结构简单，操作方便，测量精度高，测试速度快和自动化程度高等优点。早些年，由于线阵相机成本高且扫描速率低导致线阵光靶并没有得到足够的应用，但随着科学技术和集成工艺的发展，目前线阵相机的扫描速率和分辨率得到了很大的提高，成本也在下降，因此有着广阔的前景。现今对弹丸速度和位置的采集方法已经越来越多，但只有速度与位置对于动态参数测量而言还不够。
3.近些年来，随着空化和超空化机理的深入研究，超空化产生的空炮，能够有效降低弹丸水下运动阻力的现象所以被人们重视起来。超空泡是一个物体被一层气体所包裹的流体动力学的现象被人们重视起来。超空泡是一个物体完全被一层气体所包裹的流体动力学过程，因为气体的密度和黏度都比海水低得多，所以能剧烈降低被包裹物体表面摩擦力。如果物体外形合适，那伴随的压差阻力就能保持非常低的值，使得弹丸水下航行时速度降低，实现高度运动，从而为常规水下弹丸的使用，提供了更广阔的应用前景。但水下超空泡检测的相关发明却很少，故对水下超空泡检测的探究也是水下弹丸动态参数测量中重要的一环。因此，亟需提出一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统，实现动态高精度检测弹丸姿态和超空泡形态。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统，包括多个传感器阵列、触发装置和总控制器，其中：
6.多个传感器阵列平行共轴放置，每个传感器阵列由两台线阵相机、两个线光源、正方形铁架和站控制器组成，两台线阵相机安装在正方形铁架的相邻边上，使两台线阵相机的拍摄方向正交，此时，两台相机形成的重叠区为有效靶面；两个线光源分别在两台线阵相机的正对面，产生一字线形激光投向线阵相机；站控制器由计算机和时序控制器组成，两台线阵相机通过千兆网将采集到的图像传输至站控制器中的计算机，时序控制器通过外触发方式控制线阵相机开始采集；
7.触发装置由红外光幕靶构成，总控制器由总时序控制器和总计算机组成，弹丸向与传感器阵列垂直的方向发射，通过触发装置时，会产生电信号发送到总控制器，由总控制器中的总时序控制器向各个传感器阵列的站控制器中的时序控制器发送信号，启动线阵相机拍摄图像，当弹丸通过每一个传感器阵列时会获取弹丸穿过有效靶面的多帧图像，并实
时通过千兆网将图像发送到站控制器，由站控制器中的计算机进行图像处理，得到拼接完成的弹丸和空炮形态图像并计算水下弹丸弹道参数，再发送到总控制器中的总计算机进行数据汇总，模拟水下弹丸飞行轨迹。
8.进一步的，每组传感器阵列单元中，两台相机形成的有效靶面的大小根据铁架宽度及线阵相机视场角来调节，具体如下：
[0009][0010]
式中，x为铁架宽度，α为线阵相机视场角，y为所需正方形有效靶面宽度。
[0011]
进一步的，所述线光源由多个绿光led串联组成，led的功率根据线光源与线阵相机的距离进行选择，具体如下：
[0012][0013]
式中，w为线光源所需功率或能量，e0为线阵相机靶面辐照度，镜头数值孔径为d/f，c为激光的水质衰减系数，l为传输距离，即铁架宽度。
[0014]
进一步的，所述外触发方式为外部ttl信号，时序控制器实现方法是由单片机控制多路管脚，输出ttl高电平。
[0015]
进一步的，所述控制器中，计算机根据弹丸的图像信息确定弹丸弹道参数，拼接图像恢复弹形，具体方法为：
[0016]
s1，采用surendra算法进行背景差分，当差值图像灰度值小于触发大于变化阈值时，认为背景有变化但变化不大，用比例因子a更新背景图像；当差值大于触发阈值时，即认为背景有变化，此时开始进行后续图像处理；
[0017]
s2，对每个传感器阵列采集的两个图像进行滤波、二值化和边缘检测，得到空泡和弹丸的边缘轮廓，将多帧图像根据时间首尾相接进行图像拼接，得到弹丸以及空炮的两组图像序列；
[0018]
s3，根据两组弹丸图像计算弹丸坐标、速度、俯仰角、偏航角信息，根据各传感器阵列弹丸坐标信息及传感器阵列与炮口的距离得到水下弹丸的空间坐标，最后由总控制器的主控计算机模拟整个空间的弹丸模拟飞行轨迹。
[0019]
一种基于线阵相机的水下弹道参数测试方法，利用所述的基于线阵相机的水下弹道参数测试系统，实现基于线阵相机的水下弹道参数测试。
[0020]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：克服了传统水下弹丸姿态检测的结构笨重，安装复杂，对照明光源依赖性强，同步采集困难以及易受水下环境干扰等问题，提高了测试效率，具有很大的应用前景。
附图说明
[0021]
图1为本发明的系统测试原理图。
[0022]
图2为本发明的线阵相机传感阵列的安装方法图。
[0023]
图3为本发明弹丸及空炮的图像拼接图。
具体实施方式
[0024]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0025]
线阵相机相对于面阵相机的优点是一维像元数多，探测距离大，精度高，帧率大，对光源的要求低。随着科学技术和集成工艺的发展，目前线阵相机的扫描速率和分辨率得到了很大的提高，成本也在下降，有着广阔的前景。
[0026]
据此，本发明提出了一种基于线阵相机的水下弹道参数测试系统及方法。通过正交的线阵相机和较小能量线光源搭建的照相装置来拍摄水下运动弹丸的连续图像，当运动弹丸穿过测量区域时，线阵相机将拍摄的图像信息通过千兆网线输出到站控制器的计算机中，由计算机进行图像处理实现对弹丸及空泡形态的复现，计算水下弹丸的弹道参数，最后发送到总控制器，由总控制器中的计算机拟合出弹丸在整个水下空间中的飞行轨迹。
[0027]
步骤一、传感器阵列由线阵相机，线光源，铁架，站控制器组成，安装方式如图1所示，将两台线阵相机安装在正方形铁架的相邻边上，使两台线阵相机的拍摄方向正交，此时，两台相机形成的重叠区为有效靶面，有效靶面的大小可根据铁架宽度及线阵相机视场角来调节，如公式1.1所示，式中x为铁架宽度，α为线阵相机视场角，y为所需正方形有效靶面宽度。
[0028][0029]
分别在两台线阵相机的正对面采用线光源产生一字线形激光投向线阵相机。线阵相机相对于面阵相机的优点是一维像元数多，探测距离大，精度高，帧率大，对于线阵相机的选择，可以计算弹丸过靶时间：
[0030]
t1＝弹丸长度/过靶速度＝100
×
10-3
/600＝0.167
×
10-3s[0031]
若要保证过靶时弹丸至少被扫描到一次，则要求光靶相机的帧频率至少是：
[0032]
f1＝1/t1＝6k帧/秒
[0033]
要保证弹形的精确性，至少需要6帧图像，所以需要行频不小于36k的线阵相机。由于绿光在水下传播的衰减系数最小，所述线光源是采用由多个低功率绿光led串联组成的线光源，led光源选用电压高、电流小特性元器件，且led的功率可根据线光源与线阵相机的距离进行选择，如公式1.2所示，式中w为线光源所需功率或能量，e0为线阵相机靶面辐照度，一般为50nj/cm2时可获得满意图像，镜头数值孔径为d/f，c为激光的水质衰减系数，l为传输距离，即铁架宽度。
[0034][0035]
站控制器由计算机和时序控制器组成，时序控制器是由单片机控制多路管脚，输出ttl高电平构成，两台线阵相机通过千兆网将采集到的图像传输至站控制器中的计算机，时序控制器通过ttl外触发方式控制线阵相机开始采集。接着进行标定实验，以获得水下弹丸位置坐标与两台线阵相机的映射，对于靶面中的任意一点，在两台线阵相机上均由一个像点对应存在，因此两台线阵相机分别能获得弹丸的一个坐标信息，结合坐标可获得弹丸的二维坐标(x，y)，标定的具体过程为对线阵相机的像元位置进行标定，再对着靶点坐标的
位置进行标定，对这两个指标参数进行标定之后，就能建立图像的不同像元与着靶点坐标的对应关系。以上装置组成一个传感器阵列单元。
[0036]
步骤二、如图2所示，基于线阵相机的水下弹道参数测试系统由触发装置，多个传感器阵列，总控制器组成。触发装置由红外光幕靶构成，多个传感器阵列平行共轴放置，总控制器由总时序控制器和主控计算机组成，测量开始时，向与传感器阵列垂直的方向发射弹丸，通过触发装置时，会产生电信号发送到总控制器，由总控制器中的总时序控制器向各个传感器阵列的站控制器中的时序控制器发送信号，启动线阵相机拍摄图像，当弹丸通过每一个传感器阵列时会获取弹丸穿过有效靶面的多帧图像，并实时通过千兆网将图像发送到站控制器。
[0037]
步骤三、各平面传感器阵列的站控制器的计算机收到两台相机的图像数据后，将两组图像数据进行相同的图像处理过程，弹丸经过传感器阵列时的影像被投射到两台线阵相机光敏面上，由于弹丸的影像区与背景光强变化强烈，使线阵相机输出信号电平在弹丸遮挡的阴影区与非阴影区明显不同，由程序判定后可以只对穿过该传感器阵列时的弹丸多帧图像进行处理，不对无弹丸信息的帧图像进行图像处理从而提高效率，具体方法为：首先采用surendra算法进行背景差分，把第一帧图像a0作为原始背景并设置迭代参数，令i＝1；其次求当前帧差分的二值图像ri,如公式1.3所示；并根据二值图像ri更新背景bi，如公式1.4所示；最后令i＝i+1，接着求帧差分的二值化图像，并进行迭代。
[0038][0039][0040]
当差值图像灰度值小于触发大于变化阈值时，认为背景有变化但变化不大，用比例因子a更新背景图像。当差值大于触发阈值时，即可认为背景有变化，此时开始进行处理。
[0041]
水下气泡往往是随机产生的噪声，其幅度和出现的位置一般是随机的孤立点。为了剔除这些气泡杂散点，故利用高斯平滑中值滤波的方法将图像进行去噪，使用像素个数为非偶数的窗口在图像中反复移动，利用窗口平均的方法，将每一次滑动中的窗口中心点的灰度值用此时窗口所处位置中所有像素点的灰度均值代替。对处理图像的每一个像素(x，y)进行处理，得出一个邻域r，分别计算得出邻域r中所有像素值和该像素点的灰度平均值，如式1.5。
[0042]
g(x，y)＝[f(x，y)+∑
(i，j∈r)
f(i，j)]/(m+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.5)
[0043]
r是预定的邻域，m是r的邻域的中像素的数量，g是输出图像，f(x，y)为原始图像。邻域平均法通过模板的卷积运算来实现。
[0044]
对高斯平滑中值滤波后的图像进行二值化处理之后，对图像进行边缘检测，对于边缘检测，sobel算子是典型的基于一阶导数的边缘检测算子，由于该算子中引入了类似局部平均的运算，因此对噪声具有平滑作用，能够很好的消除噪声的影响，sobel算子如式1.6。
[0045][0046]
卷积算子为：
[0047][0048]
图像进行边缘检测后得到空泡和弹丸的边缘轮廓，最后将多帧图像根据时间首尾相接进行图像拼接，得到弹丸的两副图像信息，根据弹丸的图像信息计算弹丸弹道参数，主要包括弹丸在有效靶面的位置、瞬时速度、俯仰角和偏航角，根据标定实验的结果，得到图像中像元对应弹丸在有效靶面的位置，根据到达不同平面的时间以及平面间的距离算出任意两个平面间的平均速度。如图3所示，将多帧图像根据时间首尾相接进行图像拼接，恢复弹形。当弹丸以一定俯仰角或偏航角过靶时，弹丸的不同部位就会以不同的着靶点穿越靶面，则会成像到不同的像元位置上，假设在相机1中弹头与弹尾着靶点坐标分别为a(x1，y1)和b(x2，y2)，l为弹丸的长度。按照定义,目标的俯仰角定义为目标轴线矢量ba和水平面的夹角偏航角θ定义为目标轴线ab和坐标系y轴正向的夹角θ，公式如下：
[0049][0050]
最后，各传感器阵列都得到两组拼接完成的弹丸图像以及水下弹丸到达该传感器阵列时的弹丸姿态信息。
[0051]
步骤四、各传感器阵列的站控制器将两组弹丸图像和弹丸姿态信息发送给交换机，交换机连接总控制器的总计算机，由总计算机进行数据汇总，计算各传感器阵列间弹丸的平均速度，根据各传感器阵列图像弹丸的弹头着靶点坐标(x，y)结合传感器阵列相对于炮口垂直于传感器阵列的z轴距离z，得到每一个传感器阵列弹丸的坐标信息(x，y，z)，用matlab进行坐标拟合，得到整个空间的弹丸模拟飞行轨迹。
[0052]
综上所述，本发明可以高精度的动态测量水下运动弹丸及空泡的姿态，具有结构简单、操作简单、信息量全面，抗干扰能力较强等优势。
[0053]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。