數(shù)字式高炮身管疵病探測儀的設(shè)計

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)

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數(shù)字式高炮身管疵病探測儀的設(shè)計

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)

高炮射擊時身管疵病會對火炮的射擊精度和使用安全造成重大影響，應(yīng)用光機電控制技術(shù)和CCD成像技術(shù)，結(jié)合炮膛結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了高炮身管疵病探測儀。該裝置通過多攝像頭組合，實現(xiàn)了360°全景成像，觀察內(nèi)膛表面形貌，對身管內(nèi)膛表面進(jìn)行定性及定量檢測，具有疵病自動定位、疵病類型自動比對、大小自動測量等功能。系統(tǒng)可在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下沿著身管軸線移動，對炮膛表面疵病進(jìn)行有效地識別和綜合評定。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 疵病； 探測； 高炮身管； CCD

0　引言

高炮射擊時，身管不僅要承受高溫高壓火藥燃?xì)獾臎_刷和化學(xué)作用，還要承受高速運動彈丸的摩擦作用，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，會導(dǎo)致膛壓下降，初速降低，彈丸在膛內(nèi)運動時擺動，飛離炮口瞬間起始擾動增大，使射彈散布顯著變大、命中概率降低。有些疵病如陽線斷脫、燒蝕溝、龜裂、沖凹等，即使面積不大，當(dāng)達(dá)到一定量時也會對身管的結(jié)構(gòu)完整性、剛度和強度造成嚴(yán)重影響，如果不能及時準(zhǔn)確地對疵病做出判斷和處理，可能會導(dǎo)致炮彈卡滯或膛炸等現(xiàn)象的發(fā)生，對火炮的使用安全造成重大影響[1-3]。對疵病進(jìn)行有效地識別和判定，是進(jìn)行身管質(zhì)量評估的基礎(chǔ)。按照《GJB2977A—2006火炮靜態(tài)檢測方法》的規(guī)定[4]，在部隊實際使用和生產(chǎn)過程中應(yīng)對身管內(nèi)壁形貌的破壞情況進(jìn)行定量測量，這對掌握火炮的精度、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)行評價具有重要的作用。目前，基層分隊對高炮身管疵病檢查主要通過光學(xué)窺膛鏡依靠目測進(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)行定量測量，自動化程度低，不易推廣使用。

1　總體方案設(shè)計

探測儀硬件主要由光電窺膛頭、步進(jìn)電機傳動機構(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，利用面向?qū)ο蟮腣isual C++語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計，主要由傳動機構(gòu)控制模塊、圖像采集模塊、疵病測量模塊、疵病庫管理模塊、疵病模糊識別模塊、測量報告生成模塊等組成。

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、定心機構(gòu)和照明光源等組成。

步進(jìn)電機傳動機構(gòu)用于推動光電窺膛頭沿炮膛軸線方向前后運動，運動速度150～200 mm/min、運動位移范圍0～3 m、位移分辨率為10 mm，由身管夾具、步進(jìn)電機及其驅(qū)動控制電路和鎧裝線等組成。鎧裝線通過錐形接頭與光電窺膛頭連接，步進(jìn)電機控制鎧裝線的運動方向和速率，實現(xiàn)光電窺膛頭的軸向直線運動。由于鎧裝線的柔性和剛性適中、盤繞方便，可減小傳動機構(gòu)的尺寸，使探測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、主控計算機等組成，用于實現(xiàn)光電窺膛頭運動速度、位移的控制，具有圖像顯示、疵病類型的比對和大小測量，自動生成和打印檢測報告等功能。

檢測時，將傳動機構(gòu)固定在炮口前端，把光電窺膛頭插入炮膛內(nèi)，鎧裝線夾在主動和從動摩擦輪之間，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。通過控制面板或計算機軟件控制步進(jìn)電機的運動方向和速度，經(jīng)過主、從摩擦輪驅(qū)動鎧裝線使光電窺膛頭運動。

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，被測面的反射光束經(jīng)平面反射鏡成像在CCD攝像機的光敏面上，將疵病的光學(xué)圖像變換成視頻信號，進(jìn)行存儲和抓拍。檢測人員利用軟件對可疑疵病進(jìn)行標(biāo)識和測量后，自動生成分項和綜合檢測報告。由于一路攝像頭的視場有限，需對多路攝像頭的視場進(jìn)行合理拼接，實現(xiàn)360°全景成像。

2　光電窺膛頭設(shè)計

光電窺膛頭是檢測系統(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)計光電窺膛頭時將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)，套筒通過錐狀連接臺前端螺紋連接于鎧裝線，隨鎧裝線在炮膛內(nèi)運動。為保證窺膛時光電測量頭始終處于炮管軸心線上，還在套筒前后兩端設(shè)計了定心機構(gòu)。

2.1CCD攝像系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1CCD攝像頭的選擇

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

2.1.2CCD鏡頭安裝方向設(shè)計

光電窺膛頭沿身管軸線方向移動，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攝像頭視場拼接設(shè)計

一個CCD攝像頭視場為60°，本系統(tǒng)采用多路CCD視場拼接技術(shù)，實現(xiàn)圓柱形身管360°全景成像。

圖4　攝像頭視場計算Fig.4　Calculation of camera filed of view

炮膛橫截面如圖4所示，其中，O點為炮膛中心點，火炮口徑為2R，即OA=R；F點為CCD攝像頭焦點，CCD攝像頭焦點距炮膛軸線距離r為2.5 mm,即OF=2.5 mm；視場角∠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)

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

由于存在機械加工誤差和CCD視場畸變，很難保證每個攝像頭相鄰部分完全相切，因此本系統(tǒng)采用9個攝像頭，分3層進(jìn)行安裝，使每個攝像頭與相鄰兩側(cè)的攝像頭視場有一定的交叉，能保證在360°檢測時不會有死角，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個攝像頭視場的交叉部分，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

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攝像頭前端，沿軸向均勻分布，徑向采用3個LED燈均勻布置在反射鏡的四周，光線射向身管內(nèi)壁，起到補光的作用。通過光線的散射和反射，不僅解決單個光源亮度不夠的問題，而且避免了局部高亮的問題，實現(xiàn)均勻照明，保證攝像頭采集的畫面清晰，照度均勻。

2.3定心機構(gòu)設(shè)計

定心機構(gòu)的作用是在窺膛過程中，使光電窺膛頭沿某一固定陰線前后運動，保持CCD攝像頭物距不變，視場變化與膛線纏度變化一致，使攝像頭視場與陽線(陰線)一一對應(yīng)。定心機構(gòu)位于光電窺膛頭的前后兩端，由銅質(zhì)套環(huán)和萬向滾珠組成，前端套環(huán)與光電窺膛頭之間可以軸向轉(zhuǎn)動，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，凸起圓弧上嵌入萬向滾珠，滾珠在工作時嵌入炮膛內(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，保證測量的準(zhǔn)確度。

3　軟件設(shè)計

探測儀軟件部分包括疵病庫管理模塊、疵病自動比對模塊、疵病測量模塊和測試報告生成模塊，它具有運動控制、圖像采集與回放、疵病測量、疵病庫管理、自動生成測試報告等功能。

3.1疵病庫管理模塊

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

3.2疵病自動比對模塊

疵病自動比對模塊主要是通過對抓拍的疵病圖片進(jìn)行幾何變換、灰度處理、計算灰度平均值，獲取當(dāng)前圖片的特征碼，并自動與疵病庫中的疵病特征碼進(jìn)行比對，確定疵病類型。

首先，對拍攝的原始圖像進(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)過均衡化和邊緣銳化處理，得到最后供屏幕比對使用的圖像[5-6]，圖6為疵病探測儀拍攝的身管內(nèi)表面陽線劃痕和陰線脫鉻疵病的圖像。其次，對預(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，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中劃痕特征碼按位依次進(jìn)行比對，如果相同則計數(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60%，則系統(tǒng)提示兩幅圖片為相似圖片，并彈出疵病庫中的相似疵病類型和信息的提示框，供檢測人員使用。

3.3疵病測量模塊

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

圖7　疵病測量Fig.7　Flaws detection

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

應(yīng)用該系統(tǒng)對直徑為10 mm圓形和長度為10 mm方形模擬疵病貼片進(jìn)行疵病尺寸測量實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

表1　疵病尺寸測量試驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，該疵病測量系統(tǒng)測量誤差率小于1%，能夠滿足身管疵病的長度和面積測量精度的需要。

3.4測試報告生成模塊

3.4.1分項報告

分項報告主要是將某一個疵病的大小、位置和影像等信息插入到Word文檔中，自動比對或人工判斷疵病類型、添加疵病特征描述，自動形成疵病檢查結(jié)論并提供使用建議選項，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)建議選項主要有：1)炮膛內(nèi)油污過多，需要汽油(煤油)或肥皂水清洗炮膛；2)炮膛內(nèi)表面有火藥殘渣，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，加強維護(hù)和檢查；6)導(dǎo)氣塞有燒蝕或火藥殘渣，需拆卸并清洗；7)導(dǎo)氣孔燒蝕嚴(yán)重，建議申請報廢；8)陽線斷裂長度超出范圍，建議申請報廢；9)內(nèi)膛表面有明顯裂紋，建議申請報廢。

3.4.2綜合檢測報告

根據(jù)《GJB 5900—2006高炮身管壽命評定準(zhǔn)則》[7]等資料要求，重點考慮單個和累計疵病面積、斑點直徑和總數(shù)、裂紋長度、膛線斷裂或剝落長度、導(dǎo)氣孔直徑等身管疵病特征值，利用軟件對身管等級進(jìn)行量化處理，實現(xiàn)身管質(zhì)量的自動評定。

4　結(jié)論

本數(shù)字測量儀綜合采用光機電等技術(shù)，實現(xiàn)窺膛組件在膛內(nèi)的自動移動、定位和疵病大小的自動測量，能夠定性、定量分析身管疵病的類型與特征；系統(tǒng)能夠自動評定身管質(zhì)量等級、提出維護(hù)保養(yǎng)建議，滿足部隊基層級維護(hù)保養(yǎng)的實際需要；該數(shù)字測量儀架設(shè)方便，智能化程度高，適合基層分隊使用，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

References)

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GJB 5900—2006 Assessment criterion for barrel life of anti-aircraft gun[S].Beijing: Commission of Science，Technology and Industry for National Defense，2006:2-3. (in Chinese)

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