█ 北京東方計量測試研究所 曹 勇 盧曉勃 農(nóng)寧寧

一、引言

一個國家航天科技的發(fā)展水平可以透射出其綜合實力及潛在的創(chuàng)新能力。世界經(jīng)濟(jì)和科技大國無不將航天科技作為國家的發(fā)展戰(zhàn)略重點。近幾年來，世界各國對航天技術(shù)研究投入呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，尤其以民營商業(yè)航天的發(fā)展最為迅猛。以美國為例，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、藍(lán)色起源、軌道– ATK公司、天空盒子成像公司（Skybox Imaging）等商業(yè)航天公司，已經(jīng)在美國航天經(jīng)濟(jì)中占據(jù)了絕對優(yōu)勢，并以3%的年增長率快速發(fā)展。我國的商業(yè)航天起步于20世紀(jì)90年代末，但早期發(fā)展較為緩慢，直至2014年隨著航天強(qiáng)國國家發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，我國的民營商業(yè)航天開始迅速發(fā)展，先后誕生了一批新興航天企業(yè)并取得了優(yōu)秀的成績，如藍(lán)箭航天、星際榮耀、零壹空間相繼實施發(fā)射，信威集團(tuán)、珠海歐比特、九天微星、千乘探索、長沙天儀、廣東科創(chuàng)等公司的通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)探測衛(wèi)星發(fā)射和在軌運(yùn)行，都標(biāo)志著我國商業(yè)航天開始邁入發(fā)展“快車道”。展望未來3年，全球商業(yè)航天市場的競爭將更加激烈，我國商業(yè)航天發(fā)展政策環(huán)境有望得到進(jìn)一步改善，下游航天產(chǎn)業(yè)（如衛(wèi)星應(yīng)用）向上游航天產(chǎn)業(yè)（如火箭發(fā)射和星箭研制領(lǐng)域）延伸拓展的趨勢將進(jìn)一步延續(xù)。

同時，隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展和衛(wèi)星市場需求規(guī)模的擴(kuò)大，可以預(yù)見：火箭和衛(wèi)星等代表性航天產(chǎn)品將會逐漸呈現(xiàn)從小批量研制到大批量裝備生產(chǎn)的發(fā)展態(tài)勢。同時，對于這些航天系統(tǒng)（產(chǎn)品），從研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)到維護(hù)的全生產(chǎn)壽命周期的驗證與測試方案，以及高效的批量測試方案、測試系統(tǒng)研制也將變得愈發(fā)重要。大量的產(chǎn)品性能檢測和系統(tǒng)聯(lián)試所需的測量測試設(shè)備將會更廣泛地在商業(yè)航天中得以應(yīng)用，而其中，高速攝像測量系統(tǒng)作為一種非接觸式的新型測量手段，憑借其創(chuàng)新的測量技術(shù)、高效的測試效率，以及移動、安裝的靈活性、便捷性，將越來越多地被應(yīng)用到生產(chǎn)、試驗、聯(lián)試、發(fā)射、在軌運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)中。

與傳統(tǒng)的接觸式測量方法不同的是，非接觸式測量是隨著近年來光學(xué)、計算機(jī)信息技術(shù)和電子元件技術(shù)的突破及廣泛應(yīng)用而快速發(fā)展起來的，尤其是人工智能技術(shù)的不斷創(chuàng)新更為非接觸式測量提供了發(fā)展動力。高速攝像測量系統(tǒng)作為非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)的代表產(chǎn)品之一，從20世紀(jì)90年代開始，已逐漸在我國的航空航天、兵器、電子、核物理等領(lǐng)域嶄露頭角，并在近10年內(nèi)得到快速發(fā)展，尤其是在航天領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。

高速攝像測量系統(tǒng)基于光學(xué)攝像測量原理，具有實時捕獲目標(biāo)、快速記錄圖像、即時回放、圖像直觀清晰、測量安全性高、效率高、無破壞性及工作距離大等特點，可以對物體進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的測量，既是測量高速運(yùn)動目標(biāo)如位移、軌跡、速度、加速度、振頻、姿態(tài)、流場等參數(shù)的重要手段之一，也是觀測靜態(tài)目標(biāo)如應(yīng)力形變、斷裂瞬間影像、材料拉壓性能試驗等的重要手段之一，在航空航天、武器研制、試驗及應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。例如，高速攝像測量系統(tǒng)可以跟蹤拍攝得到目標(biāo)飛行過程中的序列圖像或快速反應(yīng)過程圖像，把空間信息和時間信息一次性記錄下來，在形象逼真且具有動畫效果的同時，還可以進(jìn)行時間域和頻率域等運(yùn)動數(shù)據(jù)的分析與計算。

圖1 高速攝像測量系統(tǒng)組成示意圖

二、 高速攝像測量系統(tǒng)及技術(shù)原理簡介

（一） 系統(tǒng)組成

高速攝像測量系統(tǒng)一般由軟件和硬件兩大部分組成，其中，軟件主要包含高速攝像記錄裝置自身的參數(shù)設(shè)置及拍攝控制軟件、空間標(biāo)定軟件和運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)分析軟件；硬件部分一般由高速攝像機(jī)/高速相機(jī)、輔助照明設(shè)備、標(biāo)定裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、固定安裝設(shè)備、圖像處理工作站和觸發(fā)控制設(shè)備等組成。系統(tǒng)的主要組成圖如圖1所示（以多目高速攝像測量系統(tǒng)為例）。

（二） 系統(tǒng)特點

1.高速

高速攝像測量系統(tǒng)中的“高速”指的是系統(tǒng)主要設(shè)備高速攝像機(jī)的拍攝頻率，一般高速攝像機(jī)在百萬像素下，常見拍攝頻率范圍為200~40000fps；曝光時間短，一般情況下拍攝頻率都在500fps以上，曝光時間為微秒級。

2.光學(xué)成像原理

高速攝影是一種光學(xué)測量技術(shù)，利用光對物體的反射、透射、折射及衍射等特性，觀察事物的變化規(guī)律，基本屬于光學(xué)小孔成像設(shè)備。

3.高精度

利用軟件技術(shù)和圖像處理技術(shù)，可以實現(xiàn)小于固有硬件分辨力的亞像素定位技術(shù)，達(dá)到將被測目標(biāo)圖像定位精度提高至更高量級的目的。同時，可以實現(xiàn)高速攝像測量系統(tǒng)高精度的目標(biāo)。

4.系統(tǒng)測量精度不易漂移

不同于接觸式測量系統(tǒng)，高速攝像測量系統(tǒng)的測量精度一般不會像一些傳統(tǒng)接觸式傳感器一樣發(fā)生隨著開機(jī)時間的增長而出現(xiàn)測量精度漂移的問題。

5.操作人員易掌握，測量方式易普及

智能手機(jī)及手機(jī)拍照功能的普及，使得即使是剛接觸該領(lǐng)域的員工都能很快地掌握以圖像數(shù)據(jù)為分析依據(jù)的高速攝像測量系統(tǒng)。同時，隨著芯片技術(shù)和AI技術(shù)的快速發(fā)展，高速攝像系統(tǒng)的成本將逐漸降低、性能將進(jìn)一步提高，這種測量方式將會迅速普及。

6.其他特點

高速攝像測量系統(tǒng)還具有以下特點：（1）系統(tǒng)設(shè)備體積較小、便于外場攜帶；（2）系統(tǒng)啟動快、同步性好；（3）具備實時顯示和即時重放的功能，便于直接觀察試驗過程；（4）布置實施簡易、適用范圍廣等。

(三) 系統(tǒng)工作原理

攝像測量的處理對象以數(shù)字（視頻）序列圖像為主。將三維圖像成像到二維圖像是一個退化的過程。攝像測量學(xué)研究如何通過分析二維圖像來重建實際三維場景中的目標(biāo)信息，其內(nèi)涵主要包括兩個方面：一是空間場景與成像系統(tǒng)間的成像投影關(guān)系，即二維圖像與對應(yīng)三維空間物體之間的關(guān)系，這主要是測量學(xué)方面的知識；二是從單幅和多幅圖像中高精度提取、匹配圖像目標(biāo)，這主要是計算機(jī)視覺、圖像分析方面的知識。

1.小孔成像原理（中心透視投影模型）與共線方程

大多數(shù)高速攝像測量系統(tǒng)的圖像記錄方式都可以演化為小孔成像原理的應(yīng)用，典型的小孔成像原理示意圖如圖2所示。物體表面反射光或發(fā)射光經(jīng)過一個“針孔”點投影在像平面，物點、對應(yīng)像點、光心（攝影中心）三點共線，滿足光的直線傳播條件，而以三點共線為基礎(chǔ)，建立起來的描述這三點共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為共線條件方程式。

圖2 高速攝像測量系統(tǒng)組成示意圖

一條通過物點、像點和光心的直線一般可用兩個分式線性方程表示，其共線方程的解析表達(dá)

式如下：

式中，x0、y0、f代表攝影系統(tǒng)的3個內(nèi)方位元素，即主光軸、焦距在像面上垂足的像面坐標(biāo)位置；XS、YS、ZS代表攝影系統(tǒng)的外方位元素，即攝影中心S在空間坐標(biāo)系中的3個坐標(biāo)值；a1、a2、a3、b1、…、c3是由3個角元素φ、ω、κ （攝影中心S空間坐標(biāo)系中的3個坐標(biāo)值與主光軸的夾角）構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)（正交）矩陣的9個系數(shù)：

根據(jù)共線方程理論基礎(chǔ)，可知1個點有2個方程，已知3個點可列6個方程，因此，可以解得6個外方位元素。根據(jù)（至少）3個空間已知點A、B、C，與它們在影像上的3個對應(yīng)點a、b、c，就能求得影像的 6 個外方位元素。共線方程是高速攝像測量系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型和構(gòu)成數(shù)字式投影的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)標(biāo)定及進(jìn)行圖像測量的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)公式。

2.雙攝像機(jī)（或多像機(jī)）交會原理

利用兩套或多套高速攝像測量系統(tǒng)可以得到被測目標(biāo)三維空間的運(yùn)動參數(shù)，其基本原理是雙攝像機(jī)（或多像機(jī)）交會原理測量目標(biāo)空間位置。

人眼的立體視覺是從左、右兩眼分別觀測一個空間點時，可以看到該點的偏差，而這種偏差與人眼觀測點到被觀測點的距離有關(guān)。利用三點共線知識可以得出結(jié)論：三維空間內(nèi)的一個點在投影圖像上的位置是由三維空間中的某條直線決定的。因此，如果一個三維空間點從其他視點觀測也有同樣的三維投影圖像，那么被觀測點的空間坐標(biāo)就可以利用共線方程確定，同時，兩條視線的交點就是它的位置，這就是三維重建的過程。一個空間點三維重建的基本模型如圖3所示。

圖3 空間點三維重建模型

對于空間物體表面的任意一點P，被攝像頭C1拍攝下來后，在圖片上位于P1，被攝像頭C2拍攝下來后，在圖片上位于P2，但是無法僅僅通過P1或者P2來得出P的三維位置，因為在直線O1P或O2P上的任意一點P′，其在圖像上的位置都是P1或P2。如果利用兩套攝像頭來拍攝圖片，就可以得知目標(biāo)點位于O1P1和O2P2兩條直線的交點，即可以唯一確定目標(biāo)點的三維位置。

為了確定目標(biāo)點的空間位置，使用不同位置的兩臺攝像機(jī)對目標(biāo)點成像，各自定出一條通過目標(biāo)點的直線，兩直線的交點即是目標(biāo)點的位置，這就是線–線交會，也是雙攝像機(jī)三維交會測量目標(biāo)點空間位置的基本原理。

（四） 系統(tǒng)優(yōu)勢

高速攝像系統(tǒng)作為現(xiàn)代光測的重要手段，能夠提供高動態(tài)目標(biāo)運(yùn)動與形態(tài)變化的大量細(xì)節(jié)信息，分析其所記錄的圖像，可以得到目標(biāo)的定量運(yùn)動參數(shù)。該系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用于高準(zhǔn)確度運(yùn)動測量領(lǐng)域，較之常規(guī)的光學(xué)攝像測量設(shè)備，高速攝像測量設(shè)備能夠提供動態(tài)范圍更廣、準(zhǔn)確度更高、參數(shù)更全面及內(nèi)容更豐富的測量數(shù)據(jù)。

三、 在商業(yè)航天中的應(yīng)用分析

高速攝像測量系統(tǒng)在科學(xué)研究、醫(yī)藥衛(wèi)生、建筑建材、冶金礦產(chǎn)等行業(yè)都有所應(yīng)用，一般常用于流體研究、爆炸燃燒研究、飛行及武器研究等具體領(lǐng)域。

根據(jù)高速攝像測量系統(tǒng)在軍工領(lǐng)域的實際應(yīng)用情況，預(yù)測該系統(tǒng)可以在我國商業(yè)航天事業(yè)發(fā)展中提供的檢測測試能力及應(yīng)用范圍見表 1。

四、應(yīng)用案例設(shè)計

（一） 商業(yè)航天星箭分離地面解鎖試驗運(yùn)動參數(shù)測量

1.測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由2臺高速攝像機(jī)、1臺圖像分析工作站、2套高速攝像機(jī)三腳架、2個24~70mm的自動變焦鏡頭、1組高亮度小范圍冷光源照明燈、1塊5m×5m的三維標(biāo)定板、1臺同步觸發(fā)器、1套系統(tǒng)標(biāo)定軟件和1套三維運(yùn)動分析姿態(tài)軟件等組成。

2.測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要包括：星箭分離過程中衛(wèi)星和箭體的相對速度、姿態(tài)及運(yùn)行軌跡；解鎖包帶的分離時長、運(yùn)動距離；包帶解鎖過程中是否發(fā)生回彈碰撞和產(chǎn)生多余物；分離過程中的影像資料記錄。

3.測量范圍

測量視場：（2m×2m）~（10m×10m）；相機(jī)距離被攝物體運(yùn)動平面距離：4~80m。

4.測量方式

采用雙目相機(jī)正交測量法布置高速攝像測量系統(tǒng)（攝像機(jī)在百萬像素下拍攝參數(shù)一般選取2000~4000fps，曝光時間不大于100μs，頭觸發(fā)狀態(tài)）；將標(biāo)定板在被測區(qū)域內(nèi)隨意運(yùn)動，觸發(fā)高速攝像機(jī)工作記錄圖像，通過標(biāo)定軟件讀取圖像資料并對2臺高速攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定和鏡頭畸變校正；在衛(wèi)星和箭體上張貼不全共面的至少6個合作標(biāo)識；將系統(tǒng)同步觸發(fā)信號與包帶解鎖點火器發(fā)火信號同步并聯(lián)；解鎖試驗開始后，同步觸發(fā)高速攝像機(jī)拍攝整個分離運(yùn)動過程，并存儲圖像數(shù)據(jù)；利用三維運(yùn)動分析軟件分析計算試驗測量內(nèi)容要求的數(shù)據(jù)，并生成測量數(shù)據(jù)報告。

表1 高速攝像/高速相機(jī)測量系統(tǒng)在商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用及案例

續(xù)表

（二） 商業(yè)火箭發(fā)射起飛狀態(tài)實時監(jiān)視測量

1.測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由2臺黑白超寬譜段高速攝像機(jī)、2臺圖像分析工作站、2套高速攝像機(jī)三腳架、2個400mm的長焦定焦鏡頭、1組紅外照明燈、1套遙控控制器（含發(fā)射端和接收端）、1臺同步觸發(fā)器、1套系統(tǒng)標(biāo)定軟件和1套三維運(yùn)動分析姿態(tài)軟件等組成。

2.測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要包括：火箭發(fā)射瞬間的箭體姿態(tài)、起飛初速；起飛過程中的箭體姿態(tài)變化、速度變化及飛行軌跡；觀測火箭發(fā)動機(jī)噴管運(yùn)動特征及測量尾焰輪廓，進(jìn)而對比推導(dǎo)釋放能量；起飛過程中是否發(fā)生箭體故障傾斜和產(chǎn)生尾噴多余物；起飛全過程的影像資料記錄。

3.測量范圍

測量視場：（20m×20m）~（50m×50m）；相機(jī)距離被攝物體運(yùn)動平面距離：200~800m。

4.測量方式

采用雙目相機(jī)正交測量法布置高速攝像測量系統(tǒng)（攝像機(jī)在百萬像素下拍攝參數(shù)一般選取1000~4000fps，曝光時間不大于400μs，中間觸發(fā)狀態(tài)）；獲取箭體長度、直徑等數(shù)據(jù)，并利用軸向橢圓法、箭體長寬比法和中軸線交會提取法作為現(xiàn)場標(biāo)定輸入和后期數(shù)據(jù)分析的計算方法；如果是夜間發(fā)射，利用紅外照明燈為高速攝像系統(tǒng)提供紅外譜段的照明需求；將同步觸發(fā)器與遙控控制器的接收端相連；火箭點火起飛瞬間通過遙控控制器發(fā)送觸發(fā)信號，并通過同步觸發(fā)器觸發(fā)高速攝像機(jī)拍攝整個分離運(yùn)動過程，并存儲圖像數(shù)據(jù)；利用三維運(yùn)動分析軟件分析計算試驗測量內(nèi)容要求的數(shù)據(jù)，生成測量數(shù)據(jù)報告。

五、 結(jié)束語

未來，高速攝像測量系統(tǒng)將在商業(yè)航天研制、試驗、發(fā)射、飛行等過程的不同階段中發(fā)揮不可替代的作用，同時，隨著當(dāng)前光學(xué)圖像測量技術(shù)和計算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，利用高速攝像機(jī)設(shè)備的非接觸式測量手段必將逐漸取代部分傳統(tǒng)接觸式測量手段（如振動傳感器、角速率傳感器、應(yīng)變傳感器等）。