某发射器分离参数的光学测量技术研究

刘芳+周志卫+刘越+张建

摘 要：针对某发射器分离速度的测量问题，分析了浮标分离过程的特点及存在的问题，提出了预定义初始标定点的光学测量方法，并针对单筒浮标和多筒浮标投放的分离参数的测量问题给出了完整的解决方案，并在地面试验中验证了该方法的可行性及有效性。

关键词：多位置浮标投放；分离速度；像素灵敏度；发射器

中图分类号：TP274 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.047

浮标是一种由飞机布放于海洋，并用无线电发送目标信息给载机进行分析的特殊装备。某发射器是安装在飞机舱内向海上投放浮标的专用机载设备。某发射器主要是通过螺栓将其固定在飞机地板上，每个发射器具有多个浮标工位，它可安装多枚浮标。浮标投放时，将预投放的浮标旋转到投放口，在接收到投放指令后给电磁阀供电，电磁阀打开，给选定的浮标作动筒内充入高压气体，实现浮标与发射器的分离。

为了保证浮标与载机的安全分离和合格分离，确保分离后浮标具有良好的分离姿态，并投放到预定的位置，必须对浮标分离过程中的分离速度加以控制，并通过试验来验证其是否满足载机给定的要求。

1 浮标分离参数测试中的问题

1.1 浮标分离过程的特点

根据某发射器的应用目标和功能特点，浮标分离过程具有以下特点：①浮标在未投放时是不可见的。浮标安装在发射器内，浮标投放时，给选定的浮标作动筒内冲入高压气体，使浮标通过导引筒与发射器分离。②多位置浮标投放。某发射器包含多个发射器，在进行投放时，多个发射器在投放台上的位置不一致。

1.2 浮标分离参数测试存在的问题

悬挂物分离参数的光学测量方法是一种基于高速摄影和运动分析技术的测量方法，它利用轨迹捕捉系统对悬挂物分离全过程进行运动学分析，并通过运动学参数计算，最终得出悬挂物的分离参数。浮标分离过程有浮标的初始位置不可见和多位置浮标投放等特点，当使用光学测量方法进行浮标的分离参数测试时存在以下问题。

1.2.1 标定问题

长度标定是数字式高速摄影运动分析的重要工作，是运动分析测量的基础。距离标定的结果为像素灵敏度，它将图像的像素尺寸转换为物理尺寸，用于标定至少应有两个已知距离的点。而浮标的初始位置是不可见的，通过高速摄影所采集的第一帧数据中无法获得位于同一平面内的已知目标点，因此，采用常规的标定方法不能得到所需的像素灵敏度。

1.2.2 多位置浮标投放的测量问题

多位置浮标投放时，目标点分布在前后不同的运动平面上，通过调整光圈使各个目标点获得比较清晰的图像。根据透镜成像原理，不同物距所得到的图像是不一样的，进而造成不同测量平面的像素灵敏度不同。

2 单筒浮标投放分离参数的测量方法

预定义标定点，就是在一个长度适宜的木板上贴2个目标点，并用带有目标点的木板放置于浮标投放预期轨迹的平面内，通过高速摄影采集到的第一帧照片进行距离标定，从而得出拍摄平面的像素灵敏度，并采取分次拍摄合并分析的方法，解决了这一问题，通过分析得出了浮标的分离速度。

某发射器在进行投放试验时，可以仅安装1个投放器到投放台上。当单个发射器进行投放试验时，可以通过预定义初始标定的方法，得到单筒的浮标离机速度。利用高速摄影方法测量分离速度的步骤如下：①粘贴标定点。在1条长度适宜的木板上布置1点和2点，投放前先在视景内与浮标投放预期轨迹同平面内放置带有目标点的平板，并进行第一次拍摄。②拍摄分离过程。在浮标模拟件的底部布置3点，保持高速摄影机所有参数不变，同步拍摄分离过程中目标点3的运动轨迹。③长度标定。取第一次拍摄带有目标点的一帧静态图像，利用1点和2点对测量平面进行长度标定。④运动分析。通过轨迹捕捉系统软件分析高速摄影机的拍摄结果。

3 多位置浮标投放分离参数测量方法

3.1 解决方案

当多个发射器器安装在浮标投放台上进行投放试验时，浮标离机速度的拍摄与单筒的拍摄有所不同。某发射器是由多个发射器组成，导致其在投放台上有多种安装方式，进而对浮标离机速度的拍摄造成影响，因此，多位置浮标的排布主要分为多位置浮标横向排布和多位置浮标纵向排布等情况。

当测量平面和标定平面不是同一平面时，可以根据高速摄影机成像原理，通过标定平面的像素灵敏度，通过以下计算方法得到测量平面的灵敏度。

3.2 多位置浮标横向排布时的测量方法

多位置浮标横向排布就是多个发射器在浮标投放台上安装在一个平面内，即从高速摄影机的拍摄方向看，浮标投放后的投放轨迹在一个平面内。当通过高速摄影机对其进行拍摄时，由于浮标离机后的轨迹在同一个平面内，只需要对该测量平面进行标定，就可以得到该平面的像素靈敏度，从而得出横向排布的多个发射器的浮标离机速度。

3.3 多位置浮标纵向排布时的测量方法

多位置浮标纵向排布就是多个发射器在浮标投放台上的安装方式为“一前一后”，即从高速摄影机的拍摄方向看，发射器投放后浮标的投放轨迹是多个平行的平面。当通过高速摄影机对其进行拍摄时，浮标离机后的轨迹在多个平行的平面内，需要对其中一个平面进行标定，得到该标定平面的像素灵敏度；根据之前得出的标定平面与测量平面之间的关系，计算出其他测量平面的像素灵敏度，进而得出纵向排布的多个发射器的浮标离机速度。

4 结束语

通过对多位置浮标投放分离参数的光学测量方法的研究，可以得出以下结论：当悬挂物在初始状态不可见时，会因缺少标定数据而无法测量，而采用本文所述的预定义标定点的方法，可以很好地解决这一问题。当被测目标不在同一个拍摄平面时，利用光学测量的基本原理，可采用一次标定，通过数学计算可得到多个测量平面内的像素灵敏度，从而解决了多平面目标的测量问题。