一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法，线阵相机靶面包括四台线阵相机和两台点光源，四台线阵相机通过两两正交的方式安装在机架的相邻边上，分别拍摄射弹的正面与侧面图像，每条边安装两台相机并在两台相机中间布置一台点光源；四台相机的视场交叠区即为拍摄靶面，点光源射向拍摄靶面为线阵相机拍摄提供光照条件，当高速射弹垂直于拍摄靶面发射入水时，时序控制器开始下发相机触发时序，相机拍摄结束后将拍摄的图像通过网线传输到上位机进行图像处理与射弹动态参数解算

【技术实现步骤摘要】
一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法


[0001]本专利技术涉及光电测试及控制技术，具体涉及一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法
。

技术介绍

[0002]由于高速射弹在水下运动所受的阻力大约为空气中的
850
倍，从空气中穿过气体与液体交界面进入水中时，弹速急剧衰减，并且高速射弹在入水时会瞬间产生巨大的冲击载荷与强烈的水下冲击波，对超空泡射弹
、
鱼雷等水下武器的射程以及弹道稳定性产生剧烈影响
。
研究水下射弹及超空泡的动态参数对于降低水下射弹受到的阻力，增强射弹的推进能力与弹道稳定性十分重要，同时对超空泡等水下武器的研制具有实际意义
。
[0003]对于水下超空泡射弹动态参数测量方法的研究已有一个世纪
。
基于多线阵相机交汇测试方法是一种非接触式光学测量方法，具有分辨率与检测精度高
、
响应速度快
、
成本低
、
对目标识别结果准确性高等特点，适合水下光线条件差
、
测量高速射弹动态参数等场景，相对于声学测量
、
磁场定位等检测方法更加直观，具有显著优势，正逐渐成为现代靶场测试的一种重要手段，具有十分广阔的应用前景
。
但是在水下环境中，水体对光有着严重衰减和散射的现象以及存在沙砾
、
水流气泡
、
水生生物等随机干扰项，这对于相机的性能以及光源的稳定性无疑是一种巨大的挑战
。
并且现有的陆地线阵相机交汇测量装置集成性较差，无法直接应用于复杂的水下环境，所以目前国内对水下线阵相机交汇靶的研究大多还处于理论阶段，鲜有成熟的产品上市，再加上水下射弹的弹速很高，需要行频
160000HZ
以上线阵相机进行测试，导致实验的成本很高
。
因此，亟需提出基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法对水下高速射弹及其超空泡的姿态及动态参数进行检测，并在满足测试精度的情况下，尽可能控制成本
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置及方法，以克服传统水下射弹动态参数光学检测装置的安装复杂
、
难以捕捉到高速射弹及易受水下环境干扰等问题
。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置，图像采集装置包括线阵相机靶面
、
时序控制器和上位机，其中：
[0006]线阵相机靶面平行布置在铝型材机架上，每组线阵相机靶面包括四台线阵相机和两台点光源，四台线阵相机通过两两正交的方式安装在机架的相邻边上，两条相邻边的相机分别拍摄射弹的正面与侧面图像，每条边安装两台相机并在两台相机中间布置一台绿色点光源，四台相机的视场交叠区即为拍摄靶面，点光源射向靶面为线阵相机拍摄提供光照条件
。
[0007]相机在水下拍摄时，需放入防水结构中，防水结构整体由亚克力材料所制成，分为桶身
、
前端圆形端盖
、
后端方形端盖以及相机固定板
。
相机放入桶身中，相机安装在相机固
定板上，相机固定板与桶身内部的圆环通过螺栓固定
。
前端圆形端盖与桶身进行螺栓连接，中间加防水垫圈，方便对相机的光圈及焦距进行调整
。
后端方形端盖与桶身进行螺栓连接，中间加防水垫圈，后端方形端盖中间打孔将相机电源线与网线引出，接口处选用防水接头进行防水，后端方形端盖四角处打孔，通过螺栓与铝板安装在铝型材机架上，铝板通过螺栓安装在机架的上下两根横梁上，铝板上的孔为腰形孔，以便相机进行细微位置调整
。
时序控制器负责对各台相机下发触发时序
。
[0008]当高速射弹垂直于拍摄靶面发射入水时，枪口触发装置产生枪口启动信号，时序控制器接收到该信号后开始下发相机触发时序，相机拍摄结束后将拍摄的图像通过网线传输到上位机进行后续的图像处理与数据解算
。
[0009]进一步的，时序控制器采用搭载
STM32F429
与
Cyclone IV
双核的单片机，分为
ARM
模块与
FPGA
模块，上位机与时序控制器通过
W5500
以太网模块进行网口通讯，上位机设置为服务器端，时序控制器设置为客户端，采用
TCP
连接方式
。
上位机先将不同线阵相机靶面的时序烧录到
FPGA
模块中，高速射弹从枪口发射时产生枪口启动信号，该信号为
TTL
信号，时序控制器收到枪口启动信号时，作为整个时序控制的计时起点；上位机通过网口对时序控制器中的
ARM
模块不断发送数据包，时序控制器中的
ARM
模块收到数据包后对其进行解析，得到每组线阵相机靶面中的相机的延时时间以及发送的时序序列后，通过
SPI
通信将每组线阵相机靶面中的相机的延时时间以及发送的时序序列传输到时序控制器中的
FPGA
模块中，之后根据所选的时序序列向不同相机发送触发信号以此来控制不同相机
。
[0010]进一步的，选用绿色
LED
灯珠作为基本单元组成点光源
。
点光源所需的能量
W
为：
[0011][0012]式中，
E0为相机的图像传感器器件靶面辐照度，
d
为光斑直径，
D
为相机的像元孔径，
f
为相机的焦距
。
[0013]进一步的，不同线阵相机靶面的线阵相机触发时序设置规则如下：
[0014]线阵相机靶面中，四台线阵相机分为两组，每组内的两台相机分别位于机架的相邻边上，并且两台相机距离机架相邻边的交点的距离相等
。
每组线阵相机内的两台相机的触发时刻相同以此来保证同步拍摄，两组线阵相机之间的触发时刻相隔
Δ
t1为：
[0015][0016]式中
,f1为装置所选线阵相机的最高行频，
t1为相机的曝光时间，每组线阵相机靶面之间的触发时刻间隔为
[0017][0018]式中
,L1为每组靶面之间的距离，
v1为射弹的速度
。
[0019]6.
进一步的，上位机在接收到相机图像后对其进行图像处理与射弹动态参数解算
。
其中图像处理时先对每台线阵相机所拍摄的多帧图像进行拼接得到射弹及其超空泡的原始图像，之后对射弹及其超空泡的原始图像进行图像滤波
、
增强
、
阈值分割
,
将弹形与超空泡分离，并按照线阵相机拍摄到的射弹帧数对分离出的射弹的弹形图像进行图像分割
。
图像分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于线阵相机的水下射弹图像采集装置，其特征在于，包括线阵相机靶面
、
时序控制器和上位机，其中：线阵相机靶面包括四台线阵相机和两台点光源，四台线阵相机通过两两正交的方式安装在机架的相邻边上，分别拍摄射弹的正面与侧面图像，每条边安装两台相机并在两台相机中间布置一台点光源；四台相机的视场交叠区即为拍摄靶面，点光源射向拍摄靶面为线阵相机拍摄提供光照条件，当高速射弹垂直于拍摄靶面发射入水时，时序控制器开始下发相机触发时序，相机拍摄结束后将拍摄的图像通过网线传输到上位机进行图像处理与射弹动态参数解算
。2.
根据权利要求1所述的基于线阵相机的水下射弹图像采集装置，其特征在于，相机在水下拍摄时，需放入防水结构中，防水结构整体由亚克力材料所制成，分为桶身
、
前端圆形端盖
、
后端方形端盖以及相机固定板，相机放入桶身中，相机安装在相机固定板上，相机固定板与桶身内部的圆环通过螺栓固定；前端圆形端盖与桶身进行螺栓连接，中间加防水垫圈，方便对相机的光圈及焦距进行调整；后端方形端盖与桶身进行螺栓连接，中间加防水垫圈，后端方形端盖中间打孔将相机电源线与网线引出，接口处选用防水接头进行防水，后端方形端盖四角处打孔，通过螺栓与铝板安装在机架上，铝板上的孔为腰形孔，以便相机进行细微位置调整
。3.
根据权利要求1所述的基于线阵相机的水下射弹图像采集装置，其特征在于
,
时序控制器选用搭载
STM32F429
与
Cyclone IV
双核的单片机，分为
ARM
模块与
FPGA
模块，上位机与时序控制器通过
W5500
以太网模块进行网口通讯，上位机设置为服务器端，时序控制器设置为客户端，采用
TCP
连接方式；上位机先将不同线阵相机靶面的时序烧录到
FPGA
模块中，高速射弹从枪口发射时产生枪口启动信号，该枪口启动信号为
TTL
信号，时序控制器收到枪口启动信号时，作为整个时序控制的计时起点；上位机通过网口对时序控制器中的
ARM
模块不断发送数据包，时序控制器中的
ARM
模块收到数据包后对其进行解析，得到每组线阵相机靶面中相机的延时时间以及发送的时序序列后，通过
SPI
通信将每组线阵相机靶面中相机的延时时间以及发送的时序序列传输到时序控制器中的
FPGA
模块中，之后根据所选的时序序列向不同相机发送触发信号以此来控制不同相机
。4.
根据权利要求1所述的基于线阵相机的水下射弹图像采集装置，其特征在于
,
选用绿色<...

【专利技术属性】
技术研发人员：弯港，孙嘉伟，顾金良，孔筱芳，罗红娥，夏言，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：