基于LabVIEW的烟花爆炸高度与弹径测量系统设计

陈 勇,何广明

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院,江苏 淮安 223300)

基于LabVIEW的烟花爆炸高度与弹径测量系统设计

陈 勇,何广明

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院,江苏 淮安 223300)

针对目前我国烟花爆竹检测设备的落后现状,利用虚拟仪器技术开发了一种烟花爆炸高度及弹径的测量系统.该系统采用声光特性及图像处理方法完成对烟花爆炸高度及弹径的测量,采用现场数据采集与同步分析方式实现了系统测量的智能化和可视化.应用结果表明,该测量系统运行稳定可靠,测量精度高,具有一定的实用性和推广价值.

测量系统; LabVIEW; 烟花爆炸高度; 弹径

0 引言

在烟花生产领域,随着市场管理的规范化和产品研制开发、检验标准化程度的不断提高,烟花的生产开发、检验技术手段必须实现对烟花爆炸高度及爆炸弹径的自动化精确测量,然而,目前国内外对烟花爆炸高度及弹径测量并没有行之有效的检测仪器.中北大学的马政等基于烟花的声光特性,利用声音在空气中的速度乘以时间差计算了烟花爆炸的高度[1];深圳职业技术学院的张伟通过用交会法和投影法分别对烟花爆炸高度进行了测量[2];西安工业学院的吴慎将提出了基于双CCD 相机交汇测量的方法[3].本文运用虚拟仪器技术设计并实现了烟花爆炸高度与弹径测量系统,在很大程度上提高了烟花爆炸高度和弹径测试的智能化和可视化水平.

1 烟花爆炸高度及弹径测量原理

烟花爆炸高度与弹径测量方法是利用计算机、声光传感器、数码摄像机或数码照相机的组合平台来测量的,系统结构如图1所示.此测量系统通过烟花发射到达最高点爆炸时,产生较强的光信号和声响信号,利用声光传感器和高速同步数据采集卡可准确地计算出声光信号传播的时间差,从而计算出烟花的发射高度,同时并利用计算机图像处理手段对烟花燃放效果的图像完成检测,计算烟花爆炸的弹径.

1.1 烟花爆炸高度的测量

在距烟花发射点水平距离为L的地面位置安放灵敏度较高的光传感器和声音传感器,分别用来采集光信号和声音信号;光传感器和声音传感器分别将采集到的光信号和声音信号转换为电信号,经高速数据采集卡采样后输入到计算机中,由上位机软件计算出两路数字信号的时间差,并通过相应的算法计算出烟花发射的高度.

1.2 烟花爆炸弹径的测量

烟花爆炸弹径测量原理如图2所示,通过读取屏幕坐标y1、y2,可求出烟花爆炸图像中最低点和最高点相对于地面的高度值h1、h2,从而可求出烟花爆炸等效椭圆的短轴距离b=h2-h1;同理,通过读取屏幕坐标x1、x2,可求出烟花爆炸相对于中心点的水平距离l1、l2,从而可求出烟花爆炸等效椭圆的长轴距离a=l2-l1;所以燃放面积可以通过椭圆面积公式求得:S=πab.

图1 烟花爆炸高度测试原理图

图2 烟花爆炸弹径测试原理图

2 测量系统硬件设计

测量系统的硬件结构如图3所示.在距烟花弹燃放点固定距离上架设三角支架(带有声、光传感器),并在支架上安装高清视频摄像头,在预先估计的燃放高度上固定好摄像头,当燃放时启动摄像头录制整个燃放过程,计算机现场自动实时记录声、光传感器测量信号及视频信号,通过数据及图像处理可得到烟花的爆炸高度及爆炸弹径,并可将数据储存或打印.烟花爆竹爆炸是一个爆炸速度相对较快,爆炸目标点相对较小的过程,为了能够得到比较清晰的序列图片,以及防止出现丢帧现象的发生,本文利用高速摄像机对高速运动中的炸点目标进行采拍,然后利用计算机技术及图像处理知识对采集的图片进行分析研究,得到有用信息启示.系统高清摄像头选用KODAK公司ES310面阵黑白CCD摄像机,CCD芯片有648 (H)×484 (V)个光敏像元,感光面积为5.83×4.36 mm2,可工作在触发模式或持续模式,有两个数据传送率为20 MHz的输出通道,全幅情况下采集速度最快可达85 fps(frame per second).高速数据采集卡选择的是NI公司的IMAQ PCI-1424图像采集卡,该卡能将图像实时采集至系统内存,其图像传输速率达到200 MB/s,能采集标准的彩色、黑白图像,可配合ES310使用.

图3 测量系统硬件结构

3 测量系统软件设计

本系统软件程序使用LabVIEW8.2.1简体中文版进行编写.LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是实验室虚拟仪器集成环境的简称,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境.虚拟仪器技术的实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能.综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法,代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向.

在LabVIEW强大功能的支持下,只需一个操作界面就实现了数据实时采集、处理、显示和存储.本系统的开发使烟花高度及弹径的测量操作得到了极大的简化,所有的操作在前面板上进行即可,可以实现数据采集,数据输入及数字输出功能.由于LabVIEW的信号分析处理功能相当强大,软件设计时可以随时根据需要添加一些其他功能,在软件运行前,用户先进行参数设置,包括测量范围、通道数、采样次数及数字输出量等设定.为了操作方便,显示灵活,本软件系统采用了仪器界面方式来操作烟花爆竹炸点检测过程中的各步骤,包括单帧图片的预处理、炸点检测以及分割定位中的各个主要环节,以致较好的来理解炸点提取的细节部分以及个各个环节的试验结果.

4 实验与分析

表1 烟花燃放测试数据

利用本系统对同批次同规格的烟花燃放的爆炸高度和爆炸弹径进行了测试,测试数据如表1.通过测试数据显示通过本测试系统获取的数据能较好地与理论计算实际效果相吻合.

5 结论

根据烟花燃放测试的需要,利用高清视频摄像头和声、光传感器,设计并实现了一套基于虚拟仪器技术的烟花爆炸高度及爆炸弹径的测量系统.该系统充分利用了LabVIEW的强大功能,完成烟花燃放现场数据的实时采集、分析、记录和保存等,对烟花燃放爆炸高度及爆炸弹径测量实现了非常直观的可视化测量.

[1]马政,王明泉,李士林,等.基于声光特性的烟花爆炸高度测量方法[J].测控技术.2011,30(4):30-33.

[2]张伟.烟花高度的测量方法[J].测绘通报.2004(5):65-66.

[3]吴慎将,李党娟,倪晋平,等.烟花高度交汇测量方法研究[J].火工品.2005(5):50-53.

[4]黄豪彩,杨灿军,陈道华,等.基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J].仪器仪表学报.2011,32(1):40-45.

[5]何银菊,夏梦芝,黄运生.基于LabVIEW的控制器自动测试平台的设计[J].计算机测量与控制.2011,19(12):2928-2930.

[6]孔慧芳,蒋本兵.基于LabVIEW的AMT数据采集分析系统[J].仪器仪表学报.2006,27(1):442-443.

[7]王永晔,张颖,程璇,等.基于LabVIEW的电滞回线测试系统的开发[J].仪器仪表学报.2006,27(5):501-504.

[8]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].2版,北京:电子工业出版社.2005.

[9]Wahab Y.Labview-based Gait Analysis System for Rehabilitation Monitoring[J].Procedia Computer Science,2014，42:54-61.

[10]Singla S K,Yadav R K.Optical Character Recognition Based Speech Synthesis System Using LabVIEW[J].Journal of Applied Research and Technology,2014,12(5):919-926.

[11]Yu Y.A LabVIEW-based real-time measurement system for polarization detection and calibration[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2014,125(10):2256-2260.

[责任编辑：蒋海龙]

Design of LabVIEW based on Measurement for Explosion Height and Diameter of Fireworks

CHEN Yong,HE Guang-min

(School of Physical and Electronic Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

According to the backward situation of measurement equipments for the fireworks in our country,a measurement system based on the virtual instrument technology for fireworks explosion height and diameter was developed.The system uses sound and light characteristics and image processing method for the measurement of fireworks explosion height and diameter,The onsite data acquisition and synchronous analysis achieve to be intelligent and visual for the measurement system.The application results show that the measurement system is stable and reliable,high accuracy,practical and popularize value.

measurement system; LabVIEW; fireworks explosion height; explosion diameter

2014-12-20

淮安市产学研促进计划项目(HC201217)

陈勇(1979-),男,江苏高邮人,副教授,博士生,研究方向为信号处理、测试控制技术. E-mail:hytccy@163.com

TP274.2

:A

:1671-6876(2015)01-0030-03