張振友， 楊岐子， 于政慶， 張?zhí)煳?/p>

(1.防空兵學(xué)院 彈炮一體系， 河南 鄭州 450052； 2.防空兵學(xué)院 高炮系， 河南 鄭州 450052；3.防空兵學(xué)院 基礎(chǔ)部， 河南 鄭州 450052；4.防空兵學(xué)院 科研部， 河南 鄭州 450052)

?

數(shù)字式高炮身管疵病探測(cè)儀的設(shè)計(jì)

張振友1， 楊岐子2， 于政慶3， 張?zhí)煳?

(1.防空兵學(xué)院 彈炮一體系， 河南 鄭州 450052； 2.防空兵學(xué)院 高炮系， 河南 鄭州 450052；3.防空兵學(xué)院 基礎(chǔ)部， 河南 鄭州 450052；4.防空兵學(xué)院 科研部， 河南 鄭州 450052)

高炮射擊時(shí)身管疵病會(huì)對(duì)火炮的射擊精度和使用安全造成重大影響，應(yīng)用光機(jī)電控制技術(shù)和CCD成像技術(shù)，結(jié)合炮膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了高炮身管疵病探測(cè)儀。該裝置通過(guò)多攝像頭組合，實(shí)現(xiàn)了360°全景成像，觀察內(nèi)膛表面形貌，對(duì)身管內(nèi)膛表面進(jìn)行定性及定量檢測(cè)，具有疵病自動(dòng)定位、疵病類型自動(dòng)比對(duì)、大小自動(dòng)測(cè)量等功能。系統(tǒng)可在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下沿著身管軸線移動(dòng)，對(duì)炮膛表面疵病進(jìn)行有效地識(shí)別和綜合評(píng)定。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 疵?。?探測(cè)； 高炮身管； CCD

0　引言

高炮射擊時(shí)，身管不僅要承受高溫高壓火藥燃?xì)獾臎_刷和化學(xué)作用，還要承受高速運(yùn)動(dòng)彈丸的摩擦作用，由此產(chǎn)生的疵病多達(dá)十幾種。隨著身管射擊彈數(shù)的累積，內(nèi)膛燒蝕磨損量不斷增加，會(huì)導(dǎo)致膛壓下降，初速降低，彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)擺動(dòng)，飛離炮口瞬間起始擾動(dòng)增大，使射彈散布顯著變大、命中概率降低。有些疵病如陽(yáng)線斷脫、燒蝕溝、龜裂、沖凹等，即使面積不大，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)也會(huì)對(duì)身管的結(jié)構(gòu)完整性、剛度和強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響，如果不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)疵病做出判斷和處理，可能會(huì)導(dǎo)致炮彈卡滯或膛炸等現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)火炮的使用安全造成重大影響[1-3]。對(duì)疵病進(jìn)行有效地識(shí)別和判定，是進(jìn)行身管質(zhì)量評(píng)估的基礎(chǔ)。按照《GJB2977A—2006火炮靜態(tài)檢測(cè)方法》的規(guī)定[4]，在部隊(duì)實(shí)際使用和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)身管內(nèi)壁形貌的破壞情況進(jìn)行定量測(cè)量，這對(duì)掌握火炮的精度、初速、射速、壽命等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的變化和射擊安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的作用。目前，基層分隊(duì)對(duì)高炮身管疵病檢查主要通過(guò)光學(xué)窺膛鏡依靠目測(cè)進(jìn)行[5]，僅能判斷身管內(nèi)是否有異物、銹蝕等明顯的疵病，不能進(jìn)行定量測(cè)量，自動(dòng)化程度低，不易推廣使用。

1　總體方案設(shè)計(jì)

探測(cè)儀硬件主要由光電窺膛頭、步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主控單元等部分組成，如圖1所示。軟件程序基于Windows XP平臺(tái)，利用面向?qū)ο蟮腣isual C++語(yǔ)言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制模塊、圖像采集模塊、疵病測(cè)量模塊、疵病庫(kù)管理模塊、疵病模糊識(shí)別模塊、測(cè)量報(bào)告生成模塊等組成。

圖1　系統(tǒng)組成Fig.1　System structure

光電窺膛頭用于完成光學(xué)信號(hào)的讀取和光電轉(zhuǎn)換，將炮膛表面形貌轉(zhuǎn)換為圖像信息，主要由內(nèi)窺鏡模組、定心機(jī)構(gòu)和照明光源等組成。

步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于推動(dòng)光電窺膛頭沿炮膛軸線方向前后運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度150～200 mm/min、運(yùn)動(dòng)位移范圍0～3 m、位移分辨率為10 mm，由身管夾具、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制電路和鎧裝線等組成。鎧裝線通過(guò)錐形接頭與光電窺膛頭連接，步進(jìn)電機(jī)控制鎧裝線的運(yùn)動(dòng)方向和速率，實(shí)現(xiàn)光電窺膛頭的軸向直線運(yùn)動(dòng)。由于鎧裝線的柔性和剛性適中、盤繞方便，可減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸，使探測(cè)儀具有很好的便攜性。

主控單元主要由控制面板、圖像采集卡、主控計(jì)算機(jī)等組成，用于實(shí)現(xiàn)光電窺膛頭運(yùn)動(dòng)速度、位移的控制，具有圖像顯示、疵病類型的比對(duì)和大小測(cè)量，自動(dòng)生成和打印檢測(cè)報(bào)告等功能。

檢測(cè)時(shí)，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在炮口前端，把光電窺膛頭插入炮膛內(nèi)，鎧裝線夾在主動(dòng)和從動(dòng)摩擦輪之間，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。通過(guò)控制面板或計(jì)算機(jī)軟件控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度，經(jīng)過(guò)主、從摩擦輪驅(qū)動(dòng)鎧裝線使光電窺膛頭運(yùn)動(dòng)。

圖2　系統(tǒng)工作原理框圖Fig.2　Working principle block diagram of system

照明光源照亮炮膛內(nèi)表面，被測(cè)面的反射光束經(jīng)平面反射鏡成像在CCD攝像機(jī)的光敏面上，將疵病的光學(xué)圖像變換成視頻信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)和抓拍。檢測(cè)人員利用軟件對(duì)可疑疵病進(jìn)行標(biāo)識(shí)和測(cè)量后，自動(dòng)生成分項(xiàng)和綜合檢測(cè)報(bào)告。由于一路攝像頭的視場(chǎng)有限，需對(duì)多路攝像頭的視場(chǎng)進(jìn)行合理拼接，實(shí)現(xiàn)360°全景成像。

2　光電窺膛頭設(shè)計(jì)

光電窺膛頭是檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，用于采集炮膛表面影像，主要由CCD攝像頭、定心機(jī)構(gòu)、照明光源、窺膛組件、套筒組合等組成。由于身管內(nèi)膛狹小、孔深且光照度不足，考慮到成像需有足夠的清晰度和景深，設(shè)計(jì)光電窺膛頭時(shí)將CCD攝像頭、照明光源和45°反射棱鏡組成的窺膛組件置于一套筒內(nèi)，套筒通過(guò)錐狀連接臺(tái)前端螺紋連接于鎧裝線，隨鎧裝線在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為保證窺膛時(shí)光電測(cè)量頭始終處于炮管軸心線上，還在套筒前后兩端設(shè)計(jì)了定心機(jī)構(gòu)。

2.1CCD攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1CCD攝像頭的選擇

系統(tǒng)選用適合于深孔探測(cè)的超小型內(nèi)窺鏡模組，其外形為圓柱體，直徑7 mm，長(zhǎng)23 mm. 采用1/5″CMOS CCD芯片，標(biāo)準(zhǔn)PAL制式視頻信號(hào)輸出，最高像素可達(dá)到420 000；每秒輸出50幀，無(wú)拖尾現(xiàn)象，鏡頭視場(chǎng)為60°，鏡頭光圈為F2.8.

2.1.2CCD鏡頭安裝方向設(shè)計(jì)

光電窺膛頭沿身管軸線方向移動(dòng)，受攝像頭結(jié)構(gòu)及電纜的制約，采用攝像頭沿炮膛軸線方向安裝，即對(duì)正前方成像，如圖3所示。為在有限的成像區(qū)域內(nèi)獲取盡可能多的身管內(nèi)壁有效信息，需要利用反射鏡把照射到身管內(nèi)壁上的光線反射到CCD上，將光軸方向由徑向轉(zhuǎn)為軸向，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很大便利。

圖3　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Structure diagram of optics system

2.1.3CCD攝像頭視場(chǎng)拼接設(shè)計(jì)

一個(gè)CCD攝像頭視場(chǎng)為60°，本系統(tǒng)采用多路CCD視場(chǎng)拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圓柱形身管360°全景成像。

圖4　攝像頭視場(chǎng)計(jì)算Fig.4　Calculation of camera filed of view

炮膛橫截面如圖4所示，其中，O點(diǎn)為炮膛中心點(diǎn)，火炮口徑為2R，即OA=R；F點(diǎn)為CCD攝像頭焦點(diǎn)，CCD攝像頭焦點(diǎn)距炮膛軸線距離r為2.5 mm,即OF=2.5 mm；視場(chǎng)角∠AFC為60°，設(shè)∠AOB=α.

由圖4知：

OB=OF+FB.

(1)

在Rt△ABO中

AB=OAsinα，

(2)

OB=OAcosα.

(3)

在Rt△ABF中

FB=ABcot30°=OAsinαcot30°.

(4)

將(2)式、(3)式、(4)式帶入(1)式得

OAcosα=OF+OAsinαcot30°.

(5)

(6)

對(duì)于25 mm、35 mm、37 mm和57 mm口徑的高炮而言，按照(6)式計(jì)算得到2α分別為48.52°、51.81°、52.25°和54.79°，因此采用60°視場(chǎng)的攝像頭時(shí)，為了能夠全景成像，分別至少需要8個(gè)、7個(gè)、7個(gè)和7個(gè)攝像頭。

由于存在機(jī)械加工誤差和CCD視場(chǎng)畸變，很難保證每個(gè)攝像頭相鄰部分完全相切，因此本系統(tǒng)采用9個(gè)攝像頭，分3層進(jìn)行安裝，使每個(gè)攝像頭與相鄰兩側(cè)的攝像頭視場(chǎng)有一定的交叉，能保證在360°檢測(cè)時(shí)不會(huì)有死角，攝像頭的分布如圖5所示。

圖5　光電窺膛頭攝像頭分布圖Fig.5　Camera distribution of photoelectric detector

圖5(a)中的陰影部分是相鄰2個(gè)攝像頭視場(chǎng)的交叉部分，圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)分別是第1層、第2層、第3層攝像頭的分布圖，每層的3個(gè)攝像頭都分布在以光電窺膛頭的軸線為圓心的圓周上。

2.2照明光源設(shè)計(jì)

照明光源的功能是為CCD攝像頭提供足夠的照度，保證圖像質(zhì)量[3]。由于陰陽(yáng)膛線的相互遮擋使其光路極為復(fù)雜，亮度不夠則看不清楚，太亮則使圖像一片白，為此本系統(tǒng)采用深孔照明技術(shù)，使用軸向和徑向分布式光源。軸向采用6個(gè)大散射角、高亮度、純白發(fā)光、冷光源LED組成照明光源均勻地布置在每個(gè)攝像頭前端，沿軸向均勻分布，徑向采用3個(gè)LED燈均勻布置在反射鏡的四周，光線射向身管內(nèi)壁，起到補(bǔ)光的作用。通過(guò)光線的散射和反射，不僅解決單個(gè)光源亮度不夠的問(wèn)題，而且避免了局部高亮的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)均勻照明，保證攝像頭采集的畫面清晰，照度均勻。

2.3定心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

定心機(jī)構(gòu)的作用是在窺膛過(guò)程中，使光電窺膛頭沿某一固定陰線前后運(yùn)動(dòng)，保持CCD攝像頭物距不變，視場(chǎng)變化與膛線纏度變化一致，使攝像頭視場(chǎng)與陽(yáng)線(陰線)一一對(duì)應(yīng)。定心機(jī)構(gòu)位于光電窺膛頭的前后兩端，由銅質(zhì)套環(huán)和萬(wàn)向滾珠組成，前端套環(huán)與光電窺膛頭之間可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)膛線纏度的變化要求。在銅質(zhì)套環(huán)上加工有三段圓弧狀凸起，其徑向尺寸與身管陰線直徑相匹配，寬度與陰線寬度相匹配，凸起圓弧上嵌入萬(wàn)向滾珠，滾珠在工作時(shí)嵌入炮膛內(nèi)壁陰線槽內(nèi)，使光電窺膛頭始終處于火炮身管的軸線上，保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3　軟件設(shè)計(jì)

探測(cè)儀軟件部分包括疵病庫(kù)管理模塊、疵病自動(dòng)比對(duì)模塊、疵病測(cè)量模塊和測(cè)試報(bào)告生成模塊，它具有運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集與回放、疵病測(cè)量、疵病庫(kù)管理、自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告等功能。

3.1疵病庫(kù)管理模塊

本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，分別建立系統(tǒng)疵病庫(kù)和用戶自定義疵病庫(kù)。疵病庫(kù)包含疵病編號(hào)、名稱、特征碼與疵病信息等字段，其中系統(tǒng)疵病庫(kù)選取《GJB2977A—2006火炮靜態(tài)檢測(cè)方法》[4]中具有代表性的42種疵病。

3.2疵病自動(dòng)比對(duì)模塊

疵病自動(dòng)比對(duì)模塊主要是通過(guò)對(duì)抓拍的疵病圖片進(jìn)行幾何變換、灰度處理、計(jì)算灰度平均值，獲取當(dāng)前圖片的特征碼，并自動(dòng)與疵病庫(kù)中的疵病特征碼進(jìn)行比對(duì)，確定疵病類型。

首先，對(duì)拍攝的原始圖像進(jìn)行幾何校正，消除因攝取位置不同而造成的身管特征區(qū)域原始圖像的非線性誤差，然后經(jīng)過(guò)均衡化和邊緣銳化處理，得到最后供屏幕比對(duì)使用的圖像[5-6]，圖6為疵病探測(cè)儀拍攝的身管內(nèi)表面陽(yáng)線劃痕和陰線脫鉻疵病的圖像。其次，對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行二值化，系統(tǒng)采用一種基于局部區(qū)域平均灰度的二值化算法，考慮遍歷待處理圖像的矩形區(qū)域，如果當(dāng)前像素p的灰度大于該矩形區(qū)域的平均灰度，則p被二值化為1，否則p為0. 得到正確的二值化圖像之后，經(jīng)形態(tài)學(xué)處理去除噪聲點(diǎn)，得到圖像信息，經(jīng)Hash算法變換，符合條件的在特征碼序列中加入1，否則加入0，得到256位特征碼。

圖6　身管內(nèi)表面疵病Fig.6　Flaws of inner surface of barrel

圖6中劃痕的特征碼為0000000000000000000 00000000000000000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000011100000000 00000111111111100010011111111111111011111111 11111111101111111111111110111111111111111111 11001111100011110001111111000111101111111110 01111111111111111，將該特征碼與疵病庫(kù)中劃痕特征碼按位依次進(jìn)行比對(duì)，如果相同則計(jì)數(shù)器累加1，最后累加數(shù)除以256即為該疵病的相似度。圖6中劃痕與疵病庫(kù)中劃痕的相似度為36.3%，小于系統(tǒng)默認(rèn)的60%，系統(tǒng)判定兩幅圖片不相似；如果相似度超過(guò)60%，則系統(tǒng)提示兩幅圖片為相似圖片，并彈出疵病庫(kù)中的相似疵病類型和信息的提示框，供檢測(cè)人員使用。

3.3疵病測(cè)量模塊

測(cè)量模塊主要完成比例尺的確定、疵病長(zhǎng)度和面積的測(cè)量。對(duì)于口徑一定的身管而言，其陽(yáng)線和陰線的寬度是已知的，因此，設(shè)計(jì)時(shí)采用比較測(cè)量法，在起始界面中，選擇不同口徑的高炮，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用與口徑相應(yīng)的陰線寬度值，通過(guò)鼠標(biāo)獲取陰線(圖7所示)左邊緣點(diǎn)坐標(biāo)P1(x1，y1)和與之垂直的右邊緣點(diǎn)坐標(biāo)P2(x2，y2)，計(jì)算兩點(diǎn)之間長(zhǎng)度及其所占的總像素?cái)?shù)，就可計(jì)算并存儲(chǔ)每個(gè)像元的長(zhǎng)度當(dāng)量，完成比例尺的換算。

圖7　疵病測(cè)量Fig.7　Flaws detection

圖7中有兩處脫鉻疵病，測(cè)量線性疵病長(zhǎng)度時(shí)，按下鼠標(biāo)左鍵，獲取疵病起始點(diǎn)坐標(biāo)S1(x3，y3)，沿疵病位置從左至右拖動(dòng)鼠標(biāo)至疵病結(jié)束點(diǎn)后松開鼠標(biāo)左鍵，獲取終點(diǎn)坐標(biāo)S2(x4，y4)；測(cè)量疵病面積時(shí)，用同樣方法沿矩形框?qū)蔷€拖動(dòng)鼠標(biāo)，獲取S1和S2坐標(biāo)后，系統(tǒng)分別自動(dòng)計(jì)算和顯示疵病的長(zhǎng)度、面積。

應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)直徑為10 mm圓形和長(zhǎng)度為10 mm方形模擬疵病貼片進(jìn)行疵病尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　疵病尺寸測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該疵病測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差率小于1%，能夠滿足身管疵病的長(zhǎng)度和面積測(cè)量精度的需要。

3.4測(cè)試報(bào)告生成模塊

3.4.1分項(xiàng)報(bào)告

分項(xiàng)報(bào)告主要是將某一個(gè)疵病的大小、位置和影像等信息插入到Word文檔中，自動(dòng)比對(duì)或人工判斷疵病類型、添加疵病特征描述，自動(dòng)形成疵病檢查結(jié)論并提供使用建議選項(xiàng)，供顯示或打印。其中，使用建議由人工選擇或輸入。根據(jù)兵器操作教程中的有關(guān)規(guī)定，軟件提供的維護(hù)保養(yǎng)建議選項(xiàng)主要有：1)炮膛內(nèi)油污過(guò)多，需要汽油(煤油)或肥皂水清洗炮膛；2)炮膛內(nèi)表面有火藥殘?jiān)?，需要繼續(xù)擦拭；3)內(nèi)膛表面銹蝕，需要木炭粉混合劑除銹；4)內(nèi)膛表面有掛銅，需用除銅劑清洗炮膛；5)內(nèi)膛表面有鍍鉻層剝落，加強(qiáng)維護(hù)和檢查；6)導(dǎo)氣塞有燒蝕或火藥殘?jiān)?，需拆卸并清洗?)導(dǎo)氣孔燒蝕嚴(yán)重，建議申請(qǐng)報(bào)廢；8)陽(yáng)線斷裂長(zhǎng)度超出范圍，建議申請(qǐng)報(bào)廢；9)內(nèi)膛表面有明顯裂紋，建議申請(qǐng)報(bào)廢。

3.4.2綜合檢測(cè)報(bào)告

根據(jù)《GJB 5900—2006高炮身管壽命評(píng)定準(zhǔn)則》[7]等資料要求，重點(diǎn)考慮單個(gè)和累計(jì)疵病面積、斑點(diǎn)直徑和總數(shù)、裂紋長(zhǎng)度、膛線斷裂或剝落長(zhǎng)度、導(dǎo)氣孔直徑等身管疵病特征值，利用軟件對(duì)身管等級(jí)進(jìn)行量化處理，實(shí)現(xiàn)身管質(zhì)量的自動(dòng)評(píng)定。

4　結(jié)論

本數(shù)字測(cè)量?jī)x綜合采用光機(jī)電等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)窺膛組件在膛內(nèi)的自動(dòng)移動(dòng)、定位和疵病大小的自動(dòng)測(cè)量，能夠定性、定量分析身管疵病的類型與特征；系統(tǒng)能夠自動(dòng)評(píng)定身管質(zhì)量等級(jí)、提出維護(hù)保養(yǎng)建議，滿足部隊(duì)基層級(jí)維護(hù)保養(yǎng)的實(shí)際需要；該數(shù)字測(cè)量?jī)x架設(shè)方便，智能化程度高，適合基層分隊(duì)使用，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Digital Detector for Detecting the Flaws of Anti-aircraft Artillery Barrel

ZHANG Zhen-you1, YANG Qi-zi2, YU Zheng-qing3, ZHANG Tian-wen4

(1.Department of Missile-Gun Integrated, Air Defense Forces Academy, Zhengzhou 450052, Henan, China; 2.Department of Artillery, Air Defense Forces Academy, Zhengzhou 450052, Henan, China; 3.Department of Basic Courses, Air Defense Forces Academy, Zhengzhou 450052, Henan, China; 4.Department of Scientific Research, Air Defense Forces Academy, Zhengzhou 450052，Henan，China)

The flaws of barrel of anti-aircraft artillery may influence the accuracy of launching and safety of use during launching. A device of detecting the flaws of artillery barrel is designed using optical-electron-mechanical control technology and CCD imaging technology based on the structure of bore. This device is used to investigate the surface appearance of inner bore through 360 ° panoramic imaging, thereby examining the surface of inner bore qualitatively and quantitatively. It has the functions to position the flaws, compare the types of flaws and measure the sizes of flaws on barrel automatically. The system can be driven to move along the barrel axis, thereby effectively identifying the flaws on bore and making a comprehensive assessment.

ordnance science and technology; flaw; detecting； anti-aircraft artillery barrel; CCD

2014-06-04

張振友(1965—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：yqz196210@163.com

TJ35

A

1000-1093(2015)04-0590-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.003