一種駕束制導信息場參數的高速測試與處理方法

孫策， 郝群， 閆振綱， 曹杰， 李杰

(1.北京理工大學 光電學院， 北京 100081； 2.西安現代控制技術研究所， 陜西 西安 710065)

一種駕束制導信息場參數的高速測試與處理方法

孫策1， 郝群1， 閆振綱2， 曹杰1， 李杰2

(1.北京理工大學 光電學院， 北京 100081； 2.西安現代控制技術研究所， 陜西 西安 710065)

激光駕束制導是一種重要制導方式，制導儀激光信息場的質量直接影響導彈制導精度。為實現快速、直觀地評價激光信息場質量，提出一種基于信息場光斑圖像的快速測試與處理方法。在內外場快速搭建測試系統，并對系統進行標定；基于漫反射低照度瞬態成像原理，利用低照度相機拍攝制導儀激光束，得到直觀的條紋狀光斑圖像；通過快速圖像處理技術，計算光斑尺寸、光斑中心、條紋亮度等參數來評價制導儀光軸穩定性、信息場能量均勻性等技術指標。試驗結果表明：該測試方法可得到激光信息場的條紋狀圖像，實現對制導儀性能的快速檢測，測試精度1.8 mm，處理時間0.35 s.

兵器科學與技術； 激光駕束制導； 條紋狀光斑圖像； 信息場能量均勻性

0 引言

激光駕束制導是由制導儀發出制導信息場，導彈根據信息場調整自身飛行方向，沿光束前進，直至擊中目標[1]，原理如圖1所示。信息場質量直接影響導彈制導精度，對其測試和評價是一項非常重要而復雜的技術；傳統的信息場測試多采用“機械掃描”的方式[1-3]，系統搭建復雜，測試時間長，無法直觀地看到信息場圖像。本文利用高速成像系統，拍攝制導儀信息場瞬時光斑，得到直觀的條紋狀信息場圖像，并通過對圖像的處理與分析快速評判制導儀信息場質量。

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

現有檢測方法分為兩種：1)通過在光斑區域布置多個傳感器獲得激光能量值；2)利用上萬幀頻的高速相機拍攝。第1種方法無法得到光斑的全部信息，缺少直觀性，另外，測試時間較長，只能對制導儀能量分布性能進行評價；第2種方法相機造價非常昂貴，系統搭建復雜，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，可以直觀顯示整個光斑區域的光強和條紋分布。

1 基于光斑圖像的測試系統設計

圖2 測試系統與方法Fig.2 Test system and method

制導儀出射的激光束能量特別低，并且測試系統需在制導儀整個變焦過程控制光斑尺寸在一個可測量范圍內。對此，本文介紹一種快速直觀低成本的測試評估系統，能夠在內外場快速搭建，利用低照度相機拍攝光斑圖像[4]快速測試制導儀，測試系統與方法如圖2所示。

測試流程如圖3所示，制導儀發出激光束，經光束控制系統在漫反射屏上形成光斑，利用低照度相機對其進行采集，得到光斑圖像，對圖像進行處理與分析，得到制導儀信息場參數，進而評估信息場質量。

圖3 測試流程圖Fig.3 Test flow chart

測試系統的關鍵是成像，瞬時信息場圖像質量是測試評估的基礎，為保證像質，系統需滿足低照度高速測試。本相機的最小照度0.001 lux，最小曝光時間為16 μs，在此期間圖像旋轉角度0.01 rad. 探測器材料選為硅(Si)，雖然Si對1.06 um波長響應微弱，但經測試可以清晰分辨條紋，銦鎵砷 (InGaAs)對1.06 um波長反應靈敏，但相機造價昂貴，對光學系統要求高，分辨率低，不利于后期的圖像處理。

在VC++平臺下，編寫制導儀光斑采集和處理軟件，實現對制導儀光斑的尺寸計算、光軸穩定性計算、光強分布分析等功能，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 測試圖像處理與分析

利用該測量系統對固定近距離L處的制導儀光斑進行快速測試，計算制導儀光斑尺寸、光斑中心、光軸穩定性[5]以及信息場能量均勻性等參數。

2.1 圖像采集與標定

圖像采集之前需要進行標定，標定分為幾何標定和能量標定。

2.1.1 幾何標定

在可見光正常曝光模式下進行幾何標定，如圖5所示，軟件界面上顯示出標定靶紙，根據標定靶紙，選取固定距離的兩點，間隔500 mm，然后通過軟件界面，獲取兩點間像素數為278，計算出物像比，得到測試精度1.8 mm.

圖5 幾何標定Fig. 5 Geometric calibration

2.1.2 能量標定

選用美國Thorlabs公司的PM400光功率計進行能量標定，利用探頭接收不同位置的光功率，該位置對應點的灰度值由光斑圖像可以得到，經過多次測量，最終建立圖像灰度值與激光束能量密度對應關系。

2.1.3 圖像采集

標定成功后，設置到16 μs曝光時間下對制導儀激光束進行瞬時光斑成像，圖6為發射后4 s相鄰兩幀n1和n2的瞬時光斑圖像。

圖6 瞬時光斑Fig.6 Instantaneous spot

2.2 預處理

圖像噪聲會對圖像產生干擾，影響后續的分析和處理，所以需要盡可能的去除噪聲。本文對源圖像進行高斯去噪，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

對去噪后的圖像進行閾值處理，根據拍攝到的光斑圖像處理效果，全局閾值法更適合測試結果的圖像分割。另外，制導儀是一個連續變焦的過程，激光束能量密度隨時間變化，所以不同時間下采集到的圖像灰度值是不同的，不能簡單地應用固定閾值來統一處理，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]對圖像進行閾值化處理，該算法如下：

1) 為全局選擇一個初始估計閾值T，采用(1)式計算圖像平均灰度：

(1)

式中：f(x,y)為一個像素的灰度值；m為像素總數。

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

(2)

3) 按(3)式和(4)式分別計算G1、G2區域的平均灰度值：

(3)

(4)

4) 按(5)式計算得到新的閾值T：

(5)

5) 重復步驟2～步驟4，直到連續迭代中T值間的差小于預先設定的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 光斑參數計算

2.3.1 光斑尺寸

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

圖9 光斑尺寸計算Fig.9 Spot size calculation

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

2) 對凸包點集D進行最小二乘擬合，得到初始圓C0的圓心O點坐標(x0,y0)和半徑R0；

3) 在圓心鄰域{(x,y)|x0-a0內搜索，按(6)式判斷關鍵點是否都落在圓內，|OP|為關鍵點集D里點到圓心的距離：

(6)

如果沒有，增大r繼續套圓；

4) 重復步驟3，直到所有關鍵點落入圓內，迭代終止。

迭代結果如圖9(d)所示，處理時間為0.35 s.

2.3.2 光軸穩定性

光軸穩定性為制導儀的一個主要參數，影響導彈制導精度。拍攝制導過程中的不同時刻不同位置的信息場圖像，每隔0.2 s選取一幅圖像，計算光斑中心位置，可得到光軸中心位置分布。光斑中心坐標如表1所示，其中標定的物像比為1.8，光斑中心的空間分布如圖10所示。

根據表1和圖10，評價光軸穩定性。設第i幀圖像光斑中心坐標為(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

圖10 光軸穩定性Fig.10 Optical axis stability

光軸y方向最大偏差ymax=316.8 mm，離散度為

(10)

光軸抖動在整個制導全過程范圍內符合指定精度，從光斑圖像可以快速判斷光軸穩定性。

2.3.3 信息場能量均勻性

光斑信息場能量均勻性是衡量制導儀光強分布的重要指標。根據光斑圖像的灰度分布，可計算得到激光信息場的能量均勻性。

圖11(a)為制導儀激光束的一幅瞬時光斑圖像，由于條紋的存在，光斑出現4個能量區域，標記出這4個區域分別為A、B、C和D. 由圖11(b)看出，區域A光強灰度值不到50，區域B灰度值為100左右，區域C和區域D最高，灰度值高于150，光強由A到D逐漸升高，此光強分布為偏心分布，從圖像可以快速直觀判斷制導儀激光信息場能量分布的均勻性。

圖11 光強分布Fig.11 Light intensity distribution

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

圖12 光強變化曲線Fig.12 Changing curves of light intensity

3 結論

本文實現了一種駕束制導信息場參數的高速測試與處理方法，利用低照度、短曝光技術拍攝制導儀信息場，得到條紋狀光斑圖像，利用標定靶紙和激光能量計對激光信息場進行幾何和能量標定，利用基本全局閾值法分割圖像，迭代擬合計算最小包圍圓，最終得到條紋狀光斑尺寸，從光斑中心分布可快速評判制導儀光軸穩定性，利用光斑圖像的灰度分布可快速直觀判斷信息場能量的均勻性。目前該方法已用于制導儀測試，對相關研究進行了支撐，尤其在一種新型信息場研制測試中發揮了積極作用。

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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

國家自然科學基金青年科學基金項目(61605008)

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

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