孫策， 郝群， 閆振綱， 曹杰， 李杰

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 陜西 西安 710065)

一種駕束制導(dǎo)信息場(chǎng)參數(shù)的高速測(cè)試與處理方法

孫策1， 郝群1， 閆振綱2， 曹杰1， 李杰2

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 陜西 西安 710065)

激光駕束制導(dǎo)是一種重要制導(dǎo)方式，制導(dǎo)儀激光信息場(chǎng)的質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。為實(shí)現(xiàn)快速、直觀地評(píng)價(jià)激光信息場(chǎng)質(zhì)量，提出一種基于信息場(chǎng)光斑圖像的快速測(cè)試與處理方法。在內(nèi)外場(chǎng)快速搭建測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；基于漫反射低照度瞬態(tài)成像原理，利用低照度相機(jī)拍攝制導(dǎo)儀激光束，得到直觀的條紋狀光斑圖像；通過快速圖像處理技術(shù)，計(jì)算光斑尺寸、光斑中心、條紋亮度等參數(shù)來評(píng)價(jià)制導(dǎo)儀光軸穩(wěn)定性、信息場(chǎng)能量均勻性等技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該測(cè)試方法可得到激光信息場(chǎng)的條紋狀圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)制導(dǎo)儀性能的快速檢測(cè)，測(cè)試精度1.8 mm，處理時(shí)間0.35 s.

兵器科學(xué)與技術(shù)； 激光駕束制導(dǎo)； 條紋狀光斑圖像； 信息場(chǎng)能量均勻性

0 引言

激光駕束制導(dǎo)是由制導(dǎo)儀發(fā)出制導(dǎo)信息場(chǎng)，導(dǎo)彈根據(jù)信息場(chǎng)調(diào)整自身飛行方向，沿光束前進(jìn)，直至擊中目標(biāo)[1]，原理如圖1所示。信息場(chǎng)質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度，對(duì)其測(cè)試和評(píng)價(jià)是一項(xiàng)非常重要而復(fù)雜的技術(shù)；傳統(tǒng)的信息場(chǎng)測(cè)試多采用“機(jī)械掃描”的方式[1-3]，系統(tǒng)搭建復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，無法直觀地看到信息場(chǎng)圖像。本文利用高速成像系統(tǒng)，拍攝制導(dǎo)儀信息場(chǎng)瞬時(shí)光斑，得到直觀的條紋狀信息場(chǎng)圖像，并通過對(duì)圖像的處理與分析快速評(píng)判制導(dǎo)儀信息場(chǎng)質(zhì)量。

圖1 激光駕束制導(dǎo)原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser riding guidance

現(xiàn)有檢測(cè)方法分為兩種：1)通過在光斑區(qū)域布置多個(gè)傳感器獲得激光能量值；2)利用上萬幀頻的高速相機(jī)拍攝。第1種方法無法得到光斑的全部信息，缺少直觀性，另外，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，只能對(duì)制導(dǎo)儀能量分布性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；第2種方法相機(jī)造價(jià)非常昂貴，系統(tǒng)搭建復(fù)雜，目前只拍攝到圓斑圖像。而本文方法通過低照度、短曝光成像技術(shù)，可以直觀顯示整個(gè)光斑區(qū)域的光強(qiáng)和條紋分布。

1 基于光斑圖像的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 測(cè)試系統(tǒng)與方法Fig.2 Test system and method

制導(dǎo)儀出射的激光束能量特別低，并且測(cè)試系統(tǒng)需在制導(dǎo)儀整個(gè)變焦過程控制光斑尺寸在一個(gè)可測(cè)量范圍內(nèi)。對(duì)此，本文介紹一種快速直觀低成本的測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，能夠在內(nèi)外場(chǎng)快速搭建，利用低照度相機(jī)拍攝光斑圖像[4]快速測(cè)試制導(dǎo)儀，測(cè)試系統(tǒng)與方法如圖2所示。

測(cè)試流程如圖3所示，制導(dǎo)儀發(fā)出激光束，經(jīng)光束控制系統(tǒng)在漫反射屏上形成光斑，利用低照度相機(jī)對(duì)其進(jìn)行采集，得到光斑圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理與分析，得到制導(dǎo)儀信息場(chǎng)參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估信息場(chǎng)質(zhì)量。

圖3 測(cè)試流程圖Fig.3 Test flow chart

測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵是成像，瞬時(shí)信息場(chǎng)圖像質(zhì)量是測(cè)試評(píng)估的基礎(chǔ)，為保證像質(zhì)，系統(tǒng)需滿足低照度高速測(cè)試。本相機(jī)的最小照度0.001 lux，最小曝光時(shí)間為16 μs，在此期間圖像旋轉(zhuǎn)角度0.01 rad. 探測(cè)器材料選為硅(Si)，雖然Si對(duì)1.06 um波長(zhǎng)響應(yīng)微弱，但經(jīng)測(cè)試可以清晰分辨條紋，銦鎵砷 (InGaAs)對(duì)1.06 um波長(zhǎng)反應(yīng)靈敏，但相機(jī)造價(jià)昂貴，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)要求高，分辨率低，不利于后期的圖像處理。

在VC++平臺(tái)下，編寫制導(dǎo)儀光斑采集和處理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)制導(dǎo)儀光斑的尺寸計(jì)算、光軸穩(wěn)定性計(jì)算、光強(qiáng)分布分析等功能，圖像處理流程如圖4所示。

圖4 圖像處理流程圖Fig.4 Flow chart of image processing

2 測(cè)試圖像處理與分析

利用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)固定近距離L處的制導(dǎo)儀光斑進(jìn)行快速測(cè)試，計(jì)算制導(dǎo)儀光斑尺寸、光斑中心、光軸穩(wěn)定性[5]以及信息場(chǎng)能量均勻性等參數(shù)。

2.1 圖像采集與標(biāo)定

圖像采集之前需要進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定分為幾何標(biāo)定和能量標(biāo)定。

2.1.1 幾何標(biāo)定

在可見光正常曝光模式下進(jìn)行幾何標(biāo)定，如圖5所示，軟件界面上顯示出標(biāo)定靶紙，根據(jù)標(biāo)定靶紙，選取固定距離的兩點(diǎn)，間隔500 mm，然后通過軟件界面，獲取兩點(diǎn)間像素?cái)?shù)為278，計(jì)算出物像比，得到測(cè)試精度1.8 mm.

圖5 幾何標(biāo)定Fig. 5 Geometric calibration

2.1.2 能量標(biāo)定

選用美國(guó)Thorlabs公司的PM400光功率計(jì)進(jìn)行能量標(biāo)定，利用探頭接收不同位置的光功率，該位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度值由光斑圖像可以得到，經(jīng)過多次測(cè)量，最終建立圖像灰度值與激光束能量密度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1.3 圖像采集

標(biāo)定成功后，設(shè)置到16 μs曝光時(shí)間下對(duì)制導(dǎo)儀激光束進(jìn)行瞬時(shí)光斑成像，圖6為發(fā)射后4 s相鄰兩幀n1和n2的瞬時(shí)光斑圖像。

圖6 瞬時(shí)光斑Fig.6 Instantaneous spot

2.2 預(yù)處理

圖像噪聲會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生干擾，影響后續(xù)的分析和處理，所以需要盡可能的去除噪聲。本文對(duì)源圖像進(jìn)行高斯去噪，去噪后的圖像如圖7所示。

圖7 去噪后的光斑圖像Fig.7 Spot image after denoising

對(duì)去噪后的圖像進(jìn)行閾值處理，根據(jù)拍攝到的光斑圖像處理效果，全局閾值法更適合測(cè)試結(jié)果的圖像分割。另外，制導(dǎo)儀是一個(gè)連續(xù)變焦的過程，激光束能量密度隨時(shí)間變化，所以不同時(shí)間下采集到的圖像灰度值是不同的，不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用固定閾值來統(tǒng)一處理，每幅圖像需用迭代方法找到最佳閾值。基于以上分析，選用基本全局閾值法[6]對(duì)圖像進(jìn)行閾值化處理，該算法如下：

1) 為全局選擇一個(gè)初始估計(jì)閾值T，采用(1)式計(jì)算圖像平均灰度：

(1)

式中：f(x,y)為一個(gè)像素的灰度值；m為像素總數(shù)。

2) 按(2)式進(jìn)行二值化，G1區(qū)域由灰度值大于T的像素組成，G2區(qū)域由小于等于T的像素組成：

(2)

3) 按(3)式和(4)式分別計(jì)算G1、G2區(qū)域的平均灰度值：

(3)

(4)

4) 按(5)式計(jì)算得到新的閾值T：

(5)

5) 重復(fù)步驟2～步驟4，直到連續(xù)迭代中T值間的差小于預(yù)先設(shè)定的T0.

分割后的二值圖像如圖8所示。

圖8 二值圖像Fig.8 Binary Image

2.3 光斑參數(shù)計(jì)算

2.3.1 光斑尺寸

光斑尺寸的大小與制導(dǎo)儀定焦的制導(dǎo)距離相關(guān)，傳統(tǒng)的測(cè)試方法只得到一個(gè)完整的圓斑[7]，本方法拍攝得到激光駕束制導(dǎo)儀光斑的條紋信息。求光斑尺寸實(shí)際等價(jià)于求輪廓點(diǎn)集的最小包圍圓[8]。圖9(a)為光斑的輪廓線，直接對(duì)輪廓點(diǎn)集擬合圓[9-10]偏差較大，可先求出光斑的凸包，即求得光斑邊界的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖9(b)所示。

圖9 光斑尺寸計(jì)算Fig.9 Spot size calculation

對(duì)凸包點(diǎn)集擬合得到初始圓，從圖9(c)可以看到一些邊界點(diǎn)還未包含在圓內(nèi)，再以初始圓圓心為中心，增大半徑繼續(xù)搜索，具體算法步驟如下：

2) 對(duì)凸包點(diǎn)集D進(jìn)行最小二乘擬合，得到初始圓C0的圓心O點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)和半徑R0；

3) 在圓心鄰域{(x,y)|x0-a0內(nèi)搜索，按(6)式判斷關(guān)鍵點(diǎn)是否都落在圓內(nèi)，|OP|為關(guān)鍵點(diǎn)集D里點(diǎn)到圓心的距離：

(6)

如果沒有，增大r繼續(xù)套圓；

4) 重復(fù)步驟3，直到所有關(guān)鍵點(diǎn)落入圓內(nèi)，迭代終止。

迭代結(jié)果如圖9(d)所示，處理時(shí)間為0.35 s.

2.3.2 光軸穩(wěn)定性

光軸穩(wěn)定性為制導(dǎo)儀的一個(gè)主要參數(shù)，影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。拍攝制導(dǎo)過程中的不同時(shí)刻不同位置的信息場(chǎng)圖像，每隔0.2 s選取一幅圖像，計(jì)算光斑中心位置，可得到光軸中心位置分布。光斑中心坐標(biāo)如表1所示，其中標(biāo)定的物像比為1.8，光斑中心的空間分布如圖10所示。

根據(jù)表1和圖10，評(píng)價(jià)光軸穩(wěn)定性。設(shè)第i幀圖像光斑中心坐標(biāo)為(xi,yi)，n幀圖像的光軸均值為

(7)

(8)

光軸x方向最大偏差xmax=311.4 mm，離散度為

(9)

表1 光斑中心坐標(biāo)

圖10 光軸穩(wěn)定性Fig.10 Optical axis stability

光軸y方向最大偏差ymax=316.8 mm，離散度為

(10)

光軸抖動(dòng)在整個(gè)制導(dǎo)全過程范圍內(nèi)符合指定精度，從光斑圖像可以快速判斷光軸穩(wěn)定性。

2.3.3 信息場(chǎng)能量均勻性

光斑信息場(chǎng)能量均勻性是衡量制導(dǎo)儀光強(qiáng)分布的重要指標(biāo)。根據(jù)光斑圖像的灰度分布，可計(jì)算得到激光信息場(chǎng)的能量均勻性。

圖11(a)為制導(dǎo)儀激光束的一幅瞬時(shí)光斑圖像，由于條紋的存在，光斑出現(xiàn)4個(gè)能量區(qū)域，標(biāo)記出這4個(gè)區(qū)域分別為A、B、C和D. 由圖11(b)看出，區(qū)域A光強(qiáng)灰度值不到50，區(qū)域B灰度值為100左右，區(qū)域C和區(qū)域D最高，灰度值高于150，光強(qiáng)由A到D逐漸升高，此光強(qiáng)分布為偏心分布，從圖像可以快速直觀判斷制導(dǎo)儀激光信息場(chǎng)能量分布的均勻性。

圖11 光強(qiáng)分布Fig.11 Light intensity distribution

根據(jù)駕束制導(dǎo)的使用過程，每隔1 s鎖定制導(dǎo)距離拍攝一幅光斑圖像，共采集15組圖像，計(jì)算其灰度值的均值和方差。如圖12所示，隨著制導(dǎo)儀制導(dǎo)距離越來越遠(yuǎn)，光斑尺寸不斷變小，光斑信息場(chǎng)能量灰度均值從89到134逐步上升，方差從27到24緩慢變小，均勻性逐漸趨于穩(wěn)定，從整個(gè)過程的光強(qiáng)均勻性變化趨勢(shì)，可以快速檢測(cè)制導(dǎo)儀激光束均勻性。

圖12 光強(qiáng)變化曲線Fig.12 Changing curves of light intensity

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種駕束制導(dǎo)信息場(chǎng)參數(shù)的高速測(cè)試與處理方法，利用低照度、短曝光技術(shù)拍攝制導(dǎo)儀信息場(chǎng)，得到條紋狀光斑圖像，利用標(biāo)定靶紙和激光能量計(jì)對(duì)激光信息場(chǎng)進(jìn)行幾何和能量標(biāo)定，利用基本全局閾值法分割圖像，迭代擬合計(jì)算最小包圍圓，最終得到條紋狀光斑尺寸，從光斑中心分布可快速評(píng)判制導(dǎo)儀光軸穩(wěn)定性，利用光斑圖像的灰度分布可快速直觀判斷信息場(chǎng)能量的均勻性。目前該方法已用于制導(dǎo)儀測(cè)試，對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了支撐，尤其在一種新型信息場(chǎng)研制測(cè)試中發(fā)揮了積極作用。

References)

[1] 于洵, 宇文乾, 姜旭, 等. 激光駕束制導(dǎo)儀制導(dǎo)過程中信息場(chǎng)參數(shù)測(cè)量方法研究[J]. 應(yīng)用光學(xué),2011,32(1):75-78.

YU Xun, YUWEN Qian, JIANG Xu, et al. Information field parameters measurement in laser beam riding guidance[J]. Journal of Applied Optics, 2011, 32(1):75-78.(in Chinese)

[2] 李云霞. 激光駕束制導(dǎo)儀性能測(cè)試系統(tǒng)研究[J]. 紅外與激光工程, 2001, 30(6): 474-477.

LI Yun-xia. Research on performance testing solution of laser beam riding guider[J]. Infrared and Laser Engineering, 2001, 30(6): 474-477. (in Chinese)

[3] 李松明, 黃柯彥, 徐榮甫. 激光駕束制導(dǎo)儀空間光場(chǎng)性能測(cè)量系統(tǒng)[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2001, 22(4):508-511.

LI Song-ming, HUANG Ke-yan, XU Rong-fu. A measuring system for the spatial laser wave field of a laser beam missile guidance system[J]. Acta Armamentarii, 2001, 22(4): 508-511. (in Chinese)

[4] 王延海, 王曉曼, 李玉山, 等. 基于圖像透視畸變校正的調(diào)炮速度測(cè)量方法[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2016, 37(8):1518-1520.

WANG Yan-hai,WANG Xiao-man,LI Yu-shan, et al. Gun slaving speed measuring method based on image perspective distortion correction [J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(8): 1518-1520. (in Chinese)

[5] 李艷娜, 唐力鐵, 謝翔云, 等. 固體激光遠(yuǎn)場(chǎng)瞬時(shí)光斑時(shí)空分布測(cè)量技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(8): 0817002-1-0817002-7.

LI Yan-na, TANG Li-tie, XIE Xiang-yun, et al. Measuring far-field instantaneous facula intensity space-time distribution of solid-state laser [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(8): 0817002-1-0817002-7.(in Chinese)

[6] Gonzales R C, Woods R E. 數(shù)字圖像處理[M].第2版. 阮秋琦，阮宇智，譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2011:489-491.

Gonzales R C, Woods R E. Digital image processing[M]. 2nd ed. RUAN Qiu-qi, RUAN Yu-zhi, translated. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011:489-491.(in Chinese)

[7] 李娜, 王紅. 激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué), 2010, 3(3):285-289.

LI Na, WANG Hong. Parameter testing system for laser beam riding guided sighting instrument[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2010, 3(3):285-289.(in Chinese)

[8] 李紅軍, 張曉鵬. 離散點(diǎn)集最小包圍圓算法分析與改進(jìn)[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(2):35-38.

LI Hong-jun, ZHANG Xiao-peng. Analysis and improvement of smallest enclosing disk algorithm on discrete set of points[J]. Journal of Graphics, 2012, 33(2):35-38.(in Chinese)

[9] 吳澤楷, 李恭強(qiáng), 王文濤, 等. 基于改進(jìn)圓擬合算法的激光光斑中心檢測(cè)[J]. 激光與紅外, 2016, 46(3):345-350.

WU Ze-kai, LI Gong-qiang, WANG Wen-tao, et al. Laser spot center detection based on improved circle fitting algorithm[J]. Laser & Infrared, 2016, 46(3):345-350.(in Chinese)

[10] 高晉凱, 侯文, 楊冰倩, 等. 改進(jìn)光斑中心檢測(cè)算法在靶場(chǎng)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016, 35(10):17-19.

GAO Jin-kai, HOU Wen, YANG Bing-qian, et al. The application of improved spot detection algorithm in range [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2016, 35(10):17-19.(in Chinese)

AHighSpeedTestandAnalysisMethodforInformationFieldParametersofBeamRidingGuidance

SUN Ce1， HAO Qun1， YAN Zhen-gang2， CAO Jie1， LI Jie2

(1.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2.Xi’an Modern Control Technology Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China)

Laser beam riding guidance is an important guidance mode. The accuracy of guidance is affected directly by the quality of laser information field. A testing method based on the spot images of information field is proposed to evaluate the quality of laser information field fastly and intuitively. The proposed method allows the fast setup of a test system in inside and outside fields, and calibrates the system. Based on the principle of transient diffuse reflectance imaging under low illumination, the stripe-shaped spot images are quickly obtained by using low-light-high-speed imaging of laser beam. The rapid image processing technology is used to calculate the spot size, center location, stripe brightness for evaluating the parameters, including optical axis stability and energy uniformity of information field. Experimental results show that the test method can be used to obtain the stripe-shaped spot images of laser information field, and detect the performance of the guidance device rapidly with test accuracy of 1.8 mm and processing time of 0.35 s.

ordnance science and technology; laser beam riding guidance; stripe-shaped spot image; energy uniformity of information field

TN247； TJ765.4+1

A

1000-1093(2017)11-2111-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.005

2017-04-14

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61605008)

孫策(1986—)，男，博士研究生。E-mail:brave_sunce@163.com

郝群(1968—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:qhao@bit.edu.cn