基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監測與管理技術

向濤波，陳遠江，劉重發，羅 亮，楊杰敏

基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監測與管理技術

向濤波，陳遠江，劉重發，羅 亮，楊杰敏

（陸軍工程大學軍械士官學校，武漢 430075）

概述了系統健康診斷技術、高速攝影與結構模態分析技術、三維激光掃描與裂紋追蹤技術在裝備上運用與發展，可實現艦船裝備非接觸、智能化在線無損檢測，獲取關鍵的狀態特征信息，同時能迅速進行損傷定位與狀態描述。

艦船裝備 高速攝影 激光掃描 健康監測與管理

0 引言

隨著我國國防現代化建設的推進，我軍現役艦船裝備呈現大型化、復雜化和自動化發展趨勢。使裝備先進物理性能以最佳模式持續發揮效能的綜合保障技術，包括測試、診斷、維護、壽命預測與健康管理、運行安全調控等，得到了越來越多的關注，裝備保障正向保障精確集約、需求實時感知、資源并行掌控的理念變革。裝備系統服役狀態評估、健康監測與動態管理包括診斷信息的獲取、狀態特征信息提取、狀態識別與評估等三個部分，其中狀態特征信息提取、狀態識別與評估是診斷的關鍵。

基于高速攝影和三維激光掃描的艦船裝備系統服役狀態評估和健康診斷技術，融合了現代信息技術，可以實現艦船裝備非接觸、智能化在線無損檢測，獲取關鍵的狀態特征信息，同時能迅速進行損傷定位與狀態描述。

1 相關技術運用與發展

1.1 系統健康診斷技術

艦船裝備系統服役狀態評估和健康診斷代表了一種理念和方法的轉變，即從傳統的基于傳感器或機內測試的診斷轉向基于智能系統的預測，從反應性的狀態報告轉向在準確時間對準確部位進行準確的維護，其核心科學問題是重要部件損傷/故障/失效特征的捕獲、提取、識別與預測的理論與方法：包括早期損傷特征增強檢測的非線性動力學理論與方法，故障辨識分類、退化識別、安全剩余使用壽命預測與跟蹤的計算智能理論與方法。

結構健康狀態診斷技術主要可以分為結構狀態監測技術和結構診斷技術兩個方面，具體過程分為信號采集、信號處理、健康識別、健康診斷決策等幾個環節。由于艦船裝備系統工作狀態多樣，尤其是工作環境復雜，快速有效的狀態信息采集和分析技術是關鍵。而傳統的傳感器如電阻應變片、鋼弦計等無法滿足信息化和智能化的要求，急需開發新的信號采集和傳輸方法。

1.2 高速攝影與結構模態分析技術

高速攝影技術是專門研究如何實現對各種快速運動目標進行光學成像、完成高速光電轉換和圖像記錄的技術，它是集光學、高速成像、圖像存儲與處理等多項技術于一體。高速攝影是人眼的視覺能力在時間分辨能力方面的延伸，它可以應用于一切我們想要探究的快速現象。可應用于武器試驗、爆炸科學研究、爆破工程等領域中。利用高速攝像的方法觀測物體的運動過程，有其突出的優點，它不受電場、磁場的干擾，高速攝像方法比較直觀，能夠即時重演被記錄的過程，實時目標捕獲，并將時間放大到數百萬倍以上，這就有可能來仔細觀察瞬息變化的微小過程，是其他測量技術手段所難以替代的。

模態分析是研究系統物理參數模型、模態參數模型和非參數模型的關系，并通過一定手段確定這些系統模型的理論及其應用的一門學科。根據研究模態分析的手段和方法的不同，模態分析可分為理論模態分析和試驗模態分析。模態參數識別是試驗模態分析的核心。模態分析技術被廣泛應用于航空、航天、機械、汽車、高鐵、土木以及生物科學等各個領域的結構動態分析和優化設計，為減震降噪、振動控制、結構健康監測、有限元模型修正和確認等提供重要依據。

采用視頻測量方法對測試結構進行運行模態分析，主要涉及到對攝像系統進行標定、目標跟蹤技術和運行模態分析等方面。

1.3 三維激光掃描與裂紋追蹤技術

開裂是影響裝備或結構物正常使用和安全運營的主要原因之一，裂縫開展過程監測是評估裂縫危害程度的重要手段。在健康監測系統的實際應用中，傳統的傳感器如電阻應變片、鋼弦計等，由于其耐久性和穩定性難以滿足長期健康監測的需要，目前在裂縫的監測方面應用較多的是布里淵散射（BOTDR）技術，而BOTDR系統中布里淵散射信號非常微弱，常常導致傳感距離受限，進而影響系統的測量精度，具有一定局限性。

三維激光掃描技術在測量表面復雜物體和細節測量上有著非常大的優勢，這是一種可以直接、快速、精確地獲得物體空間數據的方式，該技術可以從不同空間尺度實現對復雜裝備的高效、精準檢測，提供了一種高效而且準確的三維數據源，以點云數據為表達形式，將實景三維數據完整的采集到計算機中，并通過計算機來進行具體計算和分析。

目前，三維激光掃描儀在地面景觀形體測量、建筑與文物保護、地形測量和變形監測等方面都已經得到非常廣泛的應用。特別是在復雜工業設備的測量與建模這方面，三維激光掃描相比于傳統方法，能夠快速、高效地讀取點云數據然后進行計算處理，提供可視化的三維模型參考，極大地提高了工作效率。

2 應用方法研究

2.1 基于高速攝影測量的結構動力學參數識別方法

在艦船裝備系統結構分析的基礎上，建立基于數字圖像相關（DIC）和三維點跟蹤技術的關鍵部件振動、加速度時程曲線及模態參數（模態頻率、阻尼比與振型等）提取方法；基于激光掃描點云模型和高速攝影測量的局部遮蓋構件或內部構件動力參數提取及校驗方法；典型工作環境下裝備系統攝影測量誤差矯正方法；典型工作狀態下裝備系統整體及局部動力參數演化規律。

2.2 基于三維激光掃描點云數據的微裂紋識別追蹤方法

建立基于激光掃描的艦船裝備整體表面模型和主要部件表面模型；裝備典型工作狀態下主要構件的正常受載表面模型；提出一種基于點云平均曲率估算的結構表面損傷檢測方法，通過估算代表點云“外在彎曲”幾何特征的平均曲率實現損傷特征點云的準確提取及損傷區域的精確定位；結合高速攝影測量得到的模態參數及其演化規律，研究主要構件表面及內部損傷擴展機制。

2.3 復雜裝備系統服役狀態評估模型

建立基于整體及局部主要運動及動力學參數的艦船裝備系統服役狀態評估指標體系；針對檢測裝備的不同位置工況，研究切實可行檢測安全標準；建立基于高速攝影測量和三維激光掃描的艦船裝備系統服役狀態評估模型。

2.4 基于現代信息處理技術的健康狀態智能診斷和管理平臺

搭建基于先進信號處理技術（如盲源分離、小波方法、數據挖掘/融合、神經網絡方法、機器學習等）的復雜裝備健康狀態智能診斷平臺，對艦船裝備在典型工況下各主要構件的運動學和動力學參數進行跟蹤分析，提煉缺陷或損傷萌生演化機理，提出基于結構健康監測的關鍵結構狀態評估和基于數據驅動的殘余強度和剩余壽命預測方法。

3 方案設計

3.1 高速攝影測量系統測試試驗

對高速攝像儀進行靜態位移試驗，并與相應的理論值進行對比，確定高速攝像儀拍攝數據的精確性。由于靜態位移的實時性、動態位移的變化連續性，靜態位移只要記錄靜荷載加載時刻的初位移和靜載作用穩定后的位移兩個狀態。可以通過高速攝像機來采集剛加載時和作用穩定后的兩幅圖像，從而來驗證通過高速攝像儀測定靜態位移的可行性。

在通過試驗對高速攝像儀拍攝數據準確性得到驗證以后，對實際的設備再運行過程中進行觀測，并與其他的觀測手段，如加速度傳感器、位移傳感器等得到的數據進行對比。在觀測時，將相應的傳感器放置在適當的位置，并在放置傳感器位置處設置一個標志物用高速攝像儀對標志物進行觀測。

3.2 三維激光掃描誤差校準試驗

對簡單物體進行試驗，保證精度。激光掃描的誤差來源主要有控制點誤差、儀器定向誤差、儀器掃描誤差和數據拼接誤差。

控制點誤差方面，布設的平面控制網采用獨立坐標系下的閉合導線，一般按照三等導線精度進行施測，對于有不同精度的要求時，可以更高等導線精度進行施測。

定向誤差方面，主要分為對中誤差、后視點偏差和定向誤差，對中誤差主要是儀器中心不能完全和控制點中心同在一條垂線上，這主要是人為原因引起的，可以選擇在儀器中心和控制點中心采取某種確定措施來減小誤差，后視點偏差是于后視點坐標存在一定的誤差，掃描儀在定向過程中將會造成照準偏心，需要設計某種措施來確定兩個中心位置，定向誤差是對物體掃描過程中的誤差，可以通過固定儀器、減少周圍擾動等方式來減小誤差。

掃描儀掃描誤差主要分為測距誤差和測角誤差。測距誤差一般固定誤差和比例誤差組成，可以根據不同的精度要求，試驗測量距離和掃描誤差的具體關系，確定在滿足試驗和使用要求的最大距離。角度掃描誤差主要是在測量時，光脈沖信號具有一定發散性，會在物體表面形成光斑，光斑周圍反饋的信號也會被當成中心點的信號進行處理，在試驗中研究角度和掃描誤差的關系，確定在滿足試驗和使用要求的最大角度。

數據拼接誤差，在進行點云數據處理時，會將多個測點的數據轉移到工程坐標系，要根據精度要求，計算出在對于各個測點應該滿足的精度要求，嚴格在試驗中保證工程坐標系中各個點的誤差在范圍內。

對內部較為復雜的物體進行試驗，并進行分析。激光掃描只能對物體表面情況進行非常有效的分析，對于物體內部情況，在三維激光掃描儀能夠掃描的地方采用激光掃描，這樣會有非常高的精度，對于某些小元件或是某些無法掃描到的地方，需要借助與其他傳感器來進行綜合檢測。已經有試驗證明，在幾何陰影區域，使用激光聲學法探測金屬缺陷，發現有帶狀激光束激發出的表面聲波沿著垂直于激光帶的2個方向傳播，在存在缺陷時，聲波會迅速衰減。可以在這樣的試驗基礎上，在三維激光掃描儀上增加這樣的檢測方法，并進行多次試驗，通過數據具體弄清激光聲學探測法對于缺陷的檢測精度。

3.3 復雜裝備系統測試驗證試驗

以某型號艦船為對象，在訓練場模擬典型工作工況，并對設備的正常和故障條件下的動力學和運動學參數進行監測和處理，并與實際情況進行比對，可對本項目研究搭建的基于現代信息處理技術的健康狀態智能診斷和管理平臺進行測試和驗證。

4 結語

本文所研究的基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監測與管理技術應用策略，瞄準了當今世界大型復雜裝備狀態檢測技術前沿，研究確立的基于高速攝影測量的結構動力學參數識別方法、三維激光掃描點云數據的微裂紋識別追蹤方法、復雜裝備系統服役狀態評估模型、基于現代信息處理技術的健康狀態智能診斷和管理平臺等是對當前大型復雜裝備狀態評估和健康診斷技術理論應用的創新，所設計的高速攝影測量系統測試試驗、三維激光掃描誤差校準試驗、復雜裝備系統測試驗證試驗等一套完整的工程應用試驗方案是對當前大型復雜裝備狀態評估和健康診斷技術實踐應用的創新。該策略方法和手段可以實現非接觸、智能化在線無損檢測，是大型復雜裝備維修保障理念上的一種的變革，必將有效提高對艦船裝備健康檢測與管理效益，同時也可為軍地其他大型復雜裝備健康檢測與管理提供借鑒。

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Health Monitoring and Management Technology of Artillery Equipment Based on High Speed Photography and Laser Scanning

Xiang Taobo, Chen Yuanjiang, Liu Chongfa, Luo Liang, Yang Jiemin

(Ordnance NCO academy, Army Engineering University, Wuhan 430075, China)

TP277

A

1003-4862（2019）07-0058-04

2019-01-23

向濤波（1981-），男，講師。研究方向：履帶式底盤維修，裝備管理。E-mail: hblchf@139.com