火炮身管膛線磨損量光學(xué)檢測(cè)方法*

邵新杰，朱石堅(jiān)，宋 彬，丁 超

（1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033；2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系，石家莊 050003）

0 引言

火炮射擊過程中，身管內(nèi)壁受到高溫高壓火藥氣體的化學(xué)作用、物理作用以及彈丸的機(jī)械作用，內(nèi)膛表面和膛線產(chǎn)生燒蝕和磨損，身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)發(fā)生變化［1］。隨著膛線的不斷燒蝕磨損，火炮的內(nèi)徑增大，導(dǎo)致初速度、最大膛壓下降，使得火炮的彈道性能受到影響。因此，精確測(cè)量火炮身管特征段結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)于確保射擊安全、預(yù)測(cè)火炮彈道性能和火炮壽命具有重要意義［2-3］，而且對(duì)于提高火炮制造驗(yàn)收精度也有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。目前，測(cè)量火炮身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)尺寸的儀器主要有機(jī)械星型測(cè)徑儀、光學(xué)星型測(cè)徑儀、光柵電子測(cè)徑儀、電感測(cè)徑儀和深孔內(nèi)徑百分表等［4］。上述儀器在測(cè)量時(shí)，測(cè)頭與身管內(nèi)膛接觸，而且普遍存在測(cè)量精度和測(cè)量效率較低等不足。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，基于光學(xué)成像的非接觸檢測(cè)技術(shù)成為火炮身管內(nèi)膛疵病檢測(cè)的新研究熱點(diǎn)［5-7］。例如，傅建平等［8］基于半球全景成像技術(shù)，獲得了身管內(nèi)膛的全景圖像；王穎等［9］采用機(jī)器視覺原理，提出一種基于圓結(jié)構(gòu)光的管道內(nèi)表面測(cè)量系統(tǒng)；張振友等［10］應(yīng)用光機(jī)電控制技術(shù)和CCD 成像技術(shù)針對(duì)身管內(nèi)膛表面進(jìn)行了定性及定量檢測(cè)；丁超等［11］基于結(jié)構(gòu)光三維檢測(cè)技術(shù)，采用激光三角法對(duì)身管膛線高度差進(jìn)行定量檢測(cè)；湯一平等［12］設(shè)計(jì)了一種基于主動(dòng)式全景視覺傳感器的火炮身管疵病檢測(cè)裝置，并應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)獲取的身管內(nèi)壁全景圖像進(jìn)行了疵病區(qū)域分類識(shí)別。本文在提出一種基于結(jié)構(gòu)光的膛線磨損量檢測(cè)方法，通過身管爬行裝置攜帶的光學(xué)檢測(cè)裝置獲取身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)光圖像，利用結(jié)構(gòu)光條的變形量計(jì)算膛線的實(shí)際高度，進(jìn)而與膛線標(biāo)準(zhǔn)高度比較得到身管內(nèi)膛徑向?qū)嶋H磨損量。本文研究將為身管膛線磨損量的非接觸精確檢測(cè)提供一條新研究思路。

1 膛線磨損量檢測(cè)系統(tǒng)

運(yùn)用結(jié)構(gòu)光檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了本火炮身管膛線磨損量檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。該檢測(cè)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、CCD 相機(jī)、光柵投射器等組成。光柵投射器負(fù)責(zé)提供、控制照射身管膛線表面的結(jié)構(gòu)光，再由CCD 相機(jī)采集結(jié)構(gòu)光照射膛線表面形成的光柵像，為分析結(jié)構(gòu)光條紋提供原始數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)通過軟件控制電信號(hào)以觸發(fā)的形式控制CCD相機(jī)并將采集得到的膛線信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，然后根據(jù)所采集的身管膛線結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算出膛線磨損量。

圖1 火炮身管膛線磨損量檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

其中，采用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示。其工作原理是：首先，結(jié)構(gòu)光投射器中，LED 光源置于照明物鏡的物方焦平面上，LED 發(fā)出的555 nm 光經(jīng)照明物鏡擴(kuò)束整形后，以平行光均勻照射到透射式傾斜光柵上（傾斜角7.5°）；接著，投影物鏡與22.5°反射鏡1 組成的光學(xué)系統(tǒng)，將傾斜光柵清晰投影成像到身管內(nèi)壁上；然后，CCD 相機(jī)的成像物鏡與45°反射鏡2 組成的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)身管內(nèi)壁和光柵像再次會(huì)聚成像，并通過CCD 采集數(shù)字圖像；根據(jù)已知的各光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和光柵參數(shù)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，便可測(cè)量出身管內(nèi)壁的形貌。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1.1 檢測(cè)原理

本文所提出的火炮身管膛線磨損量光學(xué)檢測(cè)方案包括離線參數(shù)獲取和在線磨損量測(cè)量兩部分，如圖3 所示。其中，離線參數(shù)獲取主要通過采集參數(shù)已知的標(biāo)定筒圖像和光柵參數(shù)反演出整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的垂軸放大率和成像物鏡的垂軸放大率，進(jìn)而獲取標(biāo)定筒內(nèi)表面變化量與圖像幾何尺寸之間的關(guān)系；在線磨損量測(cè)量是指對(duì)實(shí)際火炮身管膛線磨損量進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)離線獲取的檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算成實(shí)際的火炮身管膛線磨損量。

圖3 火炮身管膛線磨損量光學(xué)檢測(cè)方案

針對(duì)待測(cè)量的內(nèi)徑已知（155 mm）、磨損量未知的火炮身管，首先設(shè)計(jì)制造與身管內(nèi)徑一致的標(biāo)定筒，如圖4 所示。該標(biāo)定筒材料選用304 不銹鋼，采用數(shù)控機(jī)床車削和精細(xì)研磨加工，內(nèi)徑尺寸為155 mm，外徑尺寸175 mm，內(nèi)壁分為4 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含不同深度尺寸和結(jié)構(gòu)類型的凹槽，如圖4（b）所示，經(jīng)過數(shù)字內(nèi)徑千分表和表面粗糙度儀測(cè)量，各凹槽尺寸精度和表面光潔度滿足對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的精度要求。本文主要以區(qū)域3 為例進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定。

圖4 標(biāo)定筒結(jié)構(gòu)圖

LED 發(fā)出并經(jīng)照明物鏡整形后的平行光束照射到光柵上，光線經(jīng)過光柵透射后，再經(jīng)過整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，最終在CCD 像面上得到光柵像。對(duì)于存在高低起伏變化的身管膛線，光柵像會(huì)在膛線位置發(fā)生像移，如圖5 所示，圖中像移量d 與膛線起伏量和檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)。

圖5 結(jié)構(gòu)光柵偏移示意圖

假定火炮身管膛線處平面m 和平面n 存在的起伏差為h，如圖6 所示，結(jié)構(gòu)光分別沿光路1 和光路2 分別投射到兩個(gè)平面上，而后分別經(jīng)O 點(diǎn)和O'點(diǎn)反射后進(jìn)入CCD 相機(jī)并成像。假設(shè)在CCD 像面上，m、n 兩個(gè)平面起伏差對(duì)應(yīng)的像素間距變化量為Δp，其對(duì)應(yīng)物理尺寸為h'。則由圖6 幾何關(guān)系可得到兩個(gè)平面間的起伏差h 為：

式中：a 為結(jié)構(gòu)光光束光軸和接收攝像機(jī)鏡頭光軸的交點(diǎn)到接收攝像機(jī)鏡頭前主面的距離；b 為接收攝像機(jī)鏡頭后主面到成像中心點(diǎn)的距離；θ1為結(jié)構(gòu)光光軸與被測(cè)面法線的夾角；θ2為攝像機(jī)鏡頭光軸與被測(cè)面法線的夾角。

圖6 起伏量檢測(cè)示意圖

由式（1）可知，在檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)確定的情況下，身管膛線磨損量大小h 與其對(duì)應(yīng)的像面間距變化量成線性關(guān)系。因此，通過對(duì)h 和h' 二者關(guān)系做好預(yù)標(biāo)定，獲取檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，然后對(duì)火炮膛線圖像進(jìn)行采集和預(yù)處理，結(jié)合標(biāo)定得到的系統(tǒng)參數(shù)，便可計(jì)算出身管各區(qū)域膛線的磨損量。

1.2 圖像降噪預(yù)處理

由于結(jié)構(gòu)光檢測(cè)系統(tǒng)存在較多的椒鹽噪聲和高斯噪聲［13-14］，為降低噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)光條紋的影響，本文結(jié)合中值濾波去椒鹽噪聲和維納濾波去高斯噪聲的優(yōu)勢(shì)，對(duì)含有椒鹽和高斯兩類噪聲的圖像進(jìn)行降噪處理。

中值濾波就是把數(shù)字圖像或者序列中某一點(diǎn)的值，用其鄰域所有點(diǎn)的中值代替［15］。對(duì)二維圖像做中值濾波時(shí)，其濾波窗口同樣是二維的，且窗口多樣，圖像中任一點(diǎn)f（i，j）的中值濾波值定義式如下：

式中：S 為像素點(diǎn)f（i，j）的N×N 鄰域；Median 為取中值操作。

維納濾波器是去除高斯噪聲的經(jīng)典算法中性能最好的濾波器之一［16］。其基本原理是對(duì)原始圖像f，找出它的一個(gè)估計(jì)值，使f 與二者之間均方誤差最小，從而達(dá)到降噪目的。維納濾波的誤差函數(shù)為：

在頻域上，式（3）可表示為：

本文綜合了十字中值濾波法、維納濾波法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)含有椒鹽和高斯兩類噪聲的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行降噪處理。

1.3 結(jié)構(gòu)光光條中心線提取

本文采用灰度重心法對(duì)結(jié)構(gòu)光光條進(jìn)行中心線提取。假設(shè)光條截面上的坐標(biāo)（xi，yi）點(diǎn)處的像素灰度值為I（xi，yi），則光條的截面中心點(diǎn)（xc，yc）可以表示為：

式中，i=1，2，…，n 表示光條截面上選取的n 個(gè)像素點(diǎn)。

設(shè)提取到的兩條中心線各像素點(diǎn)的水平坐標(biāo)分別為xi和xj，則兩中心線間平均像素距離為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)定筒采集與參數(shù)獲取

利用本文設(shè)計(jì)的膛線磨損量檢測(cè)系統(tǒng)采集標(biāo)定筒區(qū)域3 的圖像，可以看出結(jié)構(gòu)光在經(jīng)過相鄰兩個(gè)凹槽時(shí)分別發(fā)生了偏移。下面以寬度為60 μm 的結(jié)構(gòu)光條為例，介紹標(biāo)定圖像處理和標(biāo)定計(jì)算過程。檢測(cè)系統(tǒng)提取圖像中兩條寬度為60 μm 的結(jié)構(gòu)光條，如圖7（b）所示。綜合采用十字中值濾波和維納濾波對(duì)結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行去噪預(yù)處理，如圖7（c）所示，噪聲得到極大抑制。

受標(biāo)定筒內(nèi)表面形狀的限制，降噪處理后的結(jié)構(gòu)光條中間部分直線度高，而左右邊緣區(qū)域出現(xiàn)彎曲，會(huì)對(duì)中心線提取和像素距離計(jì)算造成誤差。因此，本文截取結(jié)構(gòu)光條中間至截?cái)嗥铺幉糠诌M(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)算方便，旋轉(zhuǎn)圖像使截取的結(jié)構(gòu)光條指向豎直方向，如圖8（a）所示。采用灰度重心法對(duì)圖8（a）中的結(jié)構(gòu)光條進(jìn)行中心線提取，如圖8（b）所示，結(jié)構(gòu)光單線條被提取出來。

圖7 60 μm 結(jié)構(gòu)光條提取和降噪處理

圖8 光條中心線提取

由于火炮身管膛線是螺旋形結(jié)構(gòu)，為了更好地在圖像上顯示光條紋受到調(diào)制而發(fā)生的偏移，結(jié)構(gòu)光條紋與豎直方向成一定角度投射在待測(cè)面上，如圖8 所示。根據(jù)式（1），對(duì)應(yīng)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中參數(shù)為θ1=45°、θ2=0°，所以被測(cè)物體表面的高度變化h 與CCD 傳感器上兩個(gè)像素點(diǎn)之間的像素距離Δp 可以表示為：

其中，a 和b 為已知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，a=110 mm，b=33 mm；α 表示結(jié)構(gòu)光投射出的光點(diǎn)經(jīng)過凹槽調(diào)制的偏移距離在與光條垂直方向上的分量系數(shù)；μ表示CCD 傳感器上每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺寸（邊長），由相機(jī)的參數(shù)可知μ=0.007 4 mm，數(shù)值較小，此處不利用此參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而與未知參數(shù)α 的乘積β作為未知參數(shù)計(jì)算。

在對(duì)火炮身管膛線進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，得到光條紋經(jīng)過調(diào)制而發(fā)生偏移的圖像，此時(shí)使用同樣的方法可以計(jì)算圖像上光條的偏移像素距離值Δp。由于圖像上光條紋的像素偏移值Δp 與火炮身管膛線高度的關(guān)系同樣符合式（7），所以可以通過式（7）計(jì)算出膛線高度。

表1 1 mm 凹槽對(duì)應(yīng)的條紋偏移像素距離

表1 所示為用本文提出的方法計(jì)算深度為1mm 的凹槽處結(jié)構(gòu)光圖像中粗條紋的像素偏移距離。表中計(jì)算了30 張受調(diào)制的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，并計(jì)算出其平均值。取平均值代入式（7），計(jì)算得到參數(shù)β=0.010 085。

2.2 實(shí)樣采集與磨損量計(jì)算

本節(jié)對(duì)未執(zhí)行過射擊任務(wù)的某型火炮身管內(nèi)膛進(jìn)行系統(tǒng)膛線檢測(cè)與磨損量計(jì)算。由于身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)光圖像采集、處理，以及膛線高度、磨損量計(jì)算過程與標(biāo)定筒內(nèi)壁結(jié)構(gòu)光圖像的標(biāo)定過程相同，在此不再贅述，處理效果如圖9 所示。

圖9 身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)光條紋像素間距計(jì)算示意圖

通過以上方法分別對(duì)10 張身管內(nèi)采集的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行膛線高度計(jì)算，由于待測(cè)火炮身管未執(zhí)行過射擊任務(wù)，其膛線理論磨損量為0。分別計(jì)算出10 個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)火炮身管膛線高度的絕對(duì)誤差值，結(jié)果如表2 所示。

表2 膛線高度檢測(cè)絕對(duì)誤差

從表2 可以看出，火炮身管膛線深度進(jìn)行檢測(cè)的絕對(duì)誤差不超過0.01 mm，符合實(shí)際中的檢測(cè)要求?？紤]到身管的加工也有一定的誤差，而且通過對(duì)圖像處理過程中圖像去噪、條紋中心線的提取等過程的算法改進(jìn)，可以使測(cè)量誤差進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

本文所提出的檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)身管膛線技術(shù)狀態(tài)的非接觸檢測(cè)，避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方式觸頭與身管內(nèi)壁接觸造成二次磨損，而且檢測(cè)精度和檢測(cè)效率高，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果顯示誤差小于0.01 mm，為火炮身管膛線磨損量精確檢測(cè)提供了新方法，在火炮制造驗(yàn)收和火炮壽命預(yù)估等領(lǐng)域具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。下一步將針對(duì)身管膛線磨損量大小對(duì)檢測(cè)誤差的影響，以及身管各特征段的膛線磨損量分布規(guī)律開展研究。