基于CCD技術的潛艇導彈發射動力系統裝配對準方法

李偉剛，徐利明，李建林

（海軍潛艇學院，青島，266199）

0 引 言

發射動力系統是潛艇上將導彈從發射筒內彈射出海面的重要系統，主要由動力彎管、冷卻器和燃氣發生器等部件組成。平常各部件存放在技術陣地，需要時轉運到艇上進行吊裝，是核潛艇導彈武器系統技術準備的主要工作之一。由于核潛艇和導彈涉密程度高，國外該系統的吊裝技術和方法未見文獻和公開報告。當前，艇隊主要人工完成吊裝，首先使用手拉葫蘆和吊帶把動力彎管、冷卻器和燃氣發生器依次垂直吊起，反復調整相對位置，直至把各部件連接法蘭面上的所有法蘭孔對準，這是一項費時費力的工作，很大程度上決定了吊裝速度，影響著導彈武器系統的保障效率和戰斗力再生成。由于艇內安裝空間受限，各部件的體積和重量較大，移動困難，造成快速對準的難度很大。目前，裝配對準主要靠艇員目視觀察來判斷偏差量，憑經驗判斷是否對準[1]。這種方式效率低、勞動強度大，對艇員的要求較高。

數字圖像處理技術至今已發展得較為成熟，利用簡單的成像設備進行圖像采集，經由計算機的強大處理能力進行分析運算，可以快速得到圖像中所需的目標[2]。所以，若采用圖像處理技術來代替人眼，則可以解決傳統對中方式中的一些難題，實現快速準確地對準裝配。基于此，本文提出一種基于圖像處理技術的潛艇導彈發射動力系統裝配對準方法。

1 對準原理

發射動力系統各部件連接法蘭孔的數量和直徑相同。本文以冷卻器和動力彎管裝配對準為例，動力彎管安裝在發射筒動力凸臺上，冷卻器用吊帶下放至動力彎管連接法蘭面上方。動力彎管與冷卻器連接法蘭面上對應分布著一定數量（恰好是3的倍數）直徑相等的圓孔。

對準系統硬件部分主要由 3臺電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）攝像機、圖像采集卡、計算機等組成。3臺CCD攝像機以120°間隔安裝在冷卻器連接法蘭面的3個圓孔內（見圖1），圓孔的中心與攝像機視場中心即圖像中心一致，成像方向對準且垂直于動力彎管連接法蘭面，在攝像機視場中心固定一十字刻線，3臺攝像機視場中心十字刻線交點的連線組成一個等邊三角形，該等邊三角形的中心即在冷卻器圓柱形殼體的軸線上。對采集到的目標圖像進行處理，求出圓心坐標，將結果顯示在計算機顯示器上，由此可以看到冷卻器連接法蘭孔圓心與動力彎管連接法蘭孔圓心的偏差量，艇員據此調整冷卻器的位置，使兩圓心的偏差量處于規定的范圍內。根據三位定心原理，這3對圓孔對準了就能保證冷卻器與動力彎管的對準。

圖1 吊裝對準系統組成示意Fig.1 Composition Diagram of Hoisting Alignment System

2 圖像處理

2.1 圖像濾波

在吊裝過程中，動力彎管連接法蘭面和CCD攝像機鏡頭上有可能沾染上灰塵，又受到CCD成像原理、CCD元器件自身質量、環境光線以及法蘭面表面對光線的影響等因素的制約，CCD攝像機采集到的圖像不可避免會存在多種噪聲。噪聲在圖像中大多表現為高頻信號，因此需要濾除圖像中的高頻分量，但在濾除噪聲時要考慮最大限度地保留圖像中的結構[3]。

SUSAN濾波算法是 1997年由英國牛津大學的Smith等人提出的，濾波性能全面優于其它常用的濾波法，可以在濾除圖像噪聲的同時較好地保持圖像的細小特征結構，并且能夠改善圖像的質量并銳化目標特征結構，較好地保留圖像邊緣細節[4,5]。該算法的實質是利用相似比較函數和高斯函數乘積作為權重的加權均值濾波。算法的表達式如下：

2.2 圖像分割

要求出法蘭孔圖像的圓心位置，首先要用圖像分割的方法從去除噪聲后的圖像中提取出圓孔圖像邊緣信息。圖像分割的算法可分為兩大類：基于閾值的圖像分割和基于邊緣的圖像分割[6]。濾波降噪后的圖像包括圓孔和背景，從實際圖像來看，圓孔與背景之間的對比度較大，并具有比較均勻、單一的灰度，故采用閾值法比較合適。

為提高分割速度，首先將彩色圖像轉換為信息量相對較少的二值圖像，為盡可能多保留圓孔信息，閾值的選取可根據灰度直方圖來選擇，圓孔和背景的灰度直方圖具有雙峰分布的特點，閾值選在兩峰之間，采用迭代法確定閾值T[7,8]。

設圖像J的灰度值范圍為[t1，t2]，先選取圖像灰度范圍的中值作為初始值T0，按式（2）進行迭代計算。

式中kh為灰度為k值的像素個數，共有L個灰度級，迭代進行到結束，取結束時的為閾值T。

二值化處理可用式（3）表示。

式中TJ為二值圖像。如果像素在圓孔上，則如果像素在背景上，則

2.3 邊緣提取

邊緣提取首先檢測出的是不連續的圖像邊緣，然后再將這些不連續的邊緣像素連成完整的邊界。這種不連續性通常是對鄰域內的像素灰度值求一階或者二階導數和梯度來實現，也就是邊緣檢測局部算子法，邊緣提取算子主要有 Robert、Prewitt、Canny、Sobel算子等[9]。經過試驗對比發現，Sobel算子具有較好的抗噪性，能有效地檢測目標圖像的邊緣信息，得到動力彎管法蘭孔的邊界圖像。

2.4 采取圖像掃描方式計算圓心坐標

對法蘭孔的二值圖像，從理論上講只要能找到圓上任意兩條弦分別作其中垂線即可求得圓心坐標。但二值化后的圖像邊緣并不十分平滑，并非標準圓形，若僅用少數幾根弦判別圓心將有很大誤差[10]。為了提高計算速度、確保精度，采取如圖2所示的方法，分別作平行于X軸的m條水平線及平行于Y軸的n條垂直線與圓相交得到兩個交點，在交點處灰度值f（x,y）跳變，從左到右記錄交點橫坐標分別為同理，與圓相交得到兩個交點，從上到下記錄交點縱坐標分別為經試驗驗證，m，n取值約為500時，計算量適中且精度較好。圓孔圓心坐標(a，b)的計算公式如下：

圖2 圖像掃描示意Fig.2 Schematic Diagram of Image Scan

3 對準的實現

3臺CCD攝像機中心十字刻線成像于顯示器上，它們的交點即為冷卻器連接法蘭面上 3個裝有攝像頭的圓孔的圓心；相對應的動力彎管連接法蘭面3個圓孔的圓心也可在顯示器上標示出來。由此可看到十字刻線與目標圓心之間的偏差量，艇員根據顯示的偏差方向和偏差量，調整冷卻器與動力彎管之間的相對位置，即可保證冷卻器法蘭孔與動力彎管法蘭孔的同軸度，實現兩者快速精確對準，使裝配時螺栓能順利穿過兩個法蘭面上對應的法蘭孔，提高了吊裝速度和效率。

4 試驗結果及誤差原因分析

4.1 試驗結果

試驗所用的CCD攝像機采用600線的高分辨率面陣CCD，冷卻器和動力彎管連接法蘭孔的實際直徑為16 mm。對準系統軟件采用Visual C++6.0編程實現，完成圖像的采集、存儲、計算處理、顯示位置偏差等。對采集到的圖像的處理結果如圖3所示。圖3a為動力彎管法蘭孔的原始圖像；圖3b為經過二值化處理后的圖像；圖3c為提取的單像素寬的圓周。

圖3 試驗處理結果Fig.3 Experimental Results

試驗時，讓冷卻器和動力彎管兩者的法蘭面處于100～250 mm距離范圍內，冷卻器每次下降50 mm靠近動力彎管。當在計算機顯示器上觀察到兩者對應的法蘭孔已對準時，記錄下相關數據。整個試驗過程得到的數據如表1所示。

表1 試驗數據Tab.1 Experimental Data

從表1中可以看出，CCD攝像機距離動力彎管法蘭面在100～250 mm范圍內，法蘭孔的對準精度能控制在0.15 mm以內。

4.2 誤差原因分析

基于圖像處理技術的對準系統，在多個方面因為多種原因產生影響對準精度的誤差來源有：a）在圖像采集過程中，由于吊裝部件的不穩定性、鏡頭視場光線的不均勻和光學系統的誤差等因素，會引起圖像失真和產生噪聲；b）CCD陣面自身軸線與法蘭孔的軸線不同軸，造成CCD視場中心與圓心不重合；c）圖像分割時閾值的選取誤差以及差分近似導數時的算子誤差。

上述誤差中，CCD陣面安裝誤差和光學系統誤差可以通過系統標定有效降低；圖像中的噪聲誤差可以通過濾波降噪處理，絕大部分可以消除；閾值的選取誤差和算子誤差對試驗結果的影響程度有限，當要求的對準精度不是特別高時，該誤差可以忽略不計。

5 結束語

針對當前潛艇上導彈發射動力系統各部件吊裝時需要艇員目視對準連接法蘭孔的問題，研究了一種基于CCD圖像處理技術的對準系統，可以解決人眼觀察對準所帶來的一系列問題。求得目標圓孔的圓心位置，根據與 CCD攝像頭視場中心的偏差量來調整吊裝部件的位置，實現法蘭孔圓心的對準偏差滿足精度要求。該方法經試驗驗證能有效提高動力系統吊裝的效率和準確性，提升導彈裝備技術保障水平。由于采用了攝像機，能夠實現整個吊裝過程的可視化，提升了態勢感知能力，確保了吊裝工作的安全性。