某發射器分離參數的光學測量技術研究

劉芳+周志衛+劉越+張建

摘 要：針對某發射器分離速度的測量問題，分析了浮標分離過程的特點及存在的問題，提出了預定義初始標定點的光學測量方法，并針對單筒浮標和多筒浮標投放的分離參數的測量問題給出了完整的解決方案，并在地面試驗中驗證了該方法的可行性及有效性。

關鍵詞：多位置浮標投放；分離速度；像素靈敏度；發射器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.047

浮標是一種由飛機布放于海洋，并用無線電發送目標信息給載機進行分析的特殊裝備。某發射器是安裝在飛機艙內向海上投放浮標的專用機載設備。某發射器主要是通過螺栓將其固定在飛機地板上，每個發射器具有多個浮標工位，它可安裝多枚浮標。浮標投放時，將預投放的浮標旋轉到投放口，在接收到投放指令后給電磁閥供電，電磁閥打開，給選定的浮標作動筒內充入高壓氣體，實現浮標與發射器的分離。

為了保證浮標與載機的安全分離和合格分離，確保分離后浮標具有良好的分離姿態，并投放到預定的位置，必須對浮標分離過程中的分離速度加以控制，并通過試驗來驗證其是否滿足載機給定的要求。

1 浮標分離參數測試中的問題

1.1 浮標分離過程的特點

根據某發射器的應用目標和功能特點，浮標分離過程具有以下特點：①浮標在未投放時是不可見的。浮標安裝在發射器內，浮標投放時，給選定的浮標作動筒內沖入高壓氣體，使浮標通過導引筒與發射器分離。②多位置浮標投放。某發射器包含多個發射器，在進行投放時，多個發射器在投放臺上的位置不一致。

1.2 浮標分離參數測試存在的問題

懸掛物分離參數的光學測量方法是一種基于高速攝影和運動分析技術的測量方法，它利用軌跡捕捉系統對懸掛物分離全過程進行運動學分析，并通過運動學參數計算，最終得出懸掛物的分離參數。浮標分離過程有浮標的初始位置不可見和多位置浮標投放等特點，當使用光學測量方法進行浮標的分離參數測試時存在以下問題。

1.2.1 標定問題

長度標定是數字式高速攝影運動分析的重要工作，是運動分析測量的基礎。距離標定的結果為像素靈敏度，它將圖像的像素尺寸轉換為物理尺寸，用于標定至少應有兩個已知距離的點。而浮標的初始位置是不可見的，通過高速攝影所采集的第一幀數據中無法獲得位于同一平面內的已知目標點，因此，采用常規的標定方法不能得到所需的像素靈敏度。

1.2.2 多位置浮標投放的測量問題

多位置浮標投放時，目標點分布在前后不同的運動平面上，通過調整光圈使各個目標點獲得比較清晰的圖像。根據透鏡成像原理，不同物距所得到的圖像是不一樣的，進而造成不同測量平面的像素靈敏度不同。

2 單筒浮標投放分離參數的測量方法

預定義標定點，就是在一個長度適宜的木板上貼2個目標點，并用帶有目標點的木板放置于浮標投放預期軌跡的平面內，通過高速攝影采集到的第一幀照片進行距離標定，從而得出拍攝平面的像素靈敏度，并采取分次拍攝合并分析的方法，解決了這一問題，通過分析得出了浮標的分離速度。

某發射器在進行投放試驗時，可以僅安裝1個投放器到投放臺上。當單個發射器進行投放試驗時，可以通過預定義初始標定的方法，得到單筒的浮標離機速度。利用高速攝影方法測量分離速度的步驟如下：①粘貼標定點。在1條長度適宜的木板上布置1點和2點，投放前先在視景內與浮標投放預期軌跡同平面內放置帶有目標點的平板，并進行第一次拍攝。②拍攝分離過程。在浮標模擬件的底部布置3點，保持高速攝影機所有參數不變，同步拍攝分離過程中目標點3的運動軌跡。③長度標定。取第一次拍攝帶有目標點的一幀靜態圖像，利用1點和2點對測量平面進行長度標定。④運動分析。通過軌跡捕捉系統軟件分析高速攝影機的拍攝結果。

3 多位置浮標投放分離參數測量方法

3.1 解決方案

當多個發射器器安裝在浮標投放臺上進行投放試驗時，浮標離機速度的拍攝與單筒的拍攝有所不同。某發射器是由多個發射器組成，導致其在投放臺上有多種安裝方式，進而對浮標離機速度的拍攝造成影響，因此，多位置浮標的排布主要分為多位置浮標橫向排布和多位置浮標縱向排布等情況。

當測量平面和標定平面不是同一平面時，可以根據高速攝影機成像原理，通過標定平面的像素靈敏度，通過以下計算方法得到測量平面的靈敏度。

3.2 多位置浮標橫向排布時的測量方法

多位置浮標橫向排布就是多個發射器在浮標投放臺上安裝在一個平面內，即從高速攝影機的拍攝方向看，浮標投放后的投放軌跡在一個平面內。當通過高速攝影機對其進行拍攝時，由于浮標離機后的軌跡在同一個平面內，只需要對該測量平面進行標定，就可以得到該平面的像素靈敏度，從而得出橫向排布的多個發射器的浮標離機速度。

3.3 多位置浮標縱向排布時的測量方法

多位置浮標縱向排布就是多個發射器在浮標投放臺上的安裝方式為“一前一后”，即從高速攝影機的拍攝方向看，發射器投放后浮標的投放軌跡是多個平行的平面。當通過高速攝影機對其進行拍攝時，浮標離機后的軌跡在多個平行的平面內，需要對其中一個平面進行標定，得到該標定平面的像素靈敏度；根據之前得出的標定平面與測量平面之間的關系，計算出其他測量平面的像素靈敏度，進而得出縱向排布的多個發射器的浮標離機速度。

4 結束語

通過對多位置浮標投放分離參數的光學測量方法的研究，可以得出以下結論：當懸掛物在初始狀態不可見時，會因缺少標定數據而無法測量，而采用本文所述的預定義標定點的方法，可以很好地解決這一問題。當被測目標不在同一個拍攝平面時，利用光學測量的基本原理，可采用一次標定，通過數學計算可得到多個測量平面內的像素靈敏度，從而解決了多平面目標的測量問題。