CN105842205A - 一种枪口烟雾浓度测试装置及方法 - Google Patents

一种枪口烟雾浓度测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种枪口烟雾浓度测试装置及方法，该装置主要由烟雾收集箱、光学背景板、图像传感器、图像控制及数据处理装置组成。该测试方法通过图像传感器采集弹道枪工作前后的光学背景板图像视频，通过图像处理计算得出发射药烟雾对光学信号的透过率，以此来表征发射药枪口烟雾浓度。该装置及方法与传统的发射药枪口浓度的测试装置及方法相比，具有测试系统成本低、结构简单、抗干扰能力强、测试结果稳定等优点。

Description

一种枪口烟雾浓度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种枪口烟雾浓度测试装置和方法，适用于发射药中小口径弹道枪烟雾测试领域。
背景技术
洁净发射药是我国发射药技术发展的一个重要方向。身管武器在工作过程中，发射药燃烧会产生大量的烟雾。这些烟雾一方面会暴露武器系统的位置，另一方面，对于视频制导系统的二次瞄准造成干扰。身管武器系统的隐身及制导需求要求发射药在配方设计和工艺过程中尽量降低燃烧过程中产生的烟雾。
传统的发射药枪口烟雾浓度测试装置是在枪口烟雾收集箱的基础上，利用点光源和光敏传感器测试通过两者之间的发射药烟雾对光强的衰减，进而表征烟雾的透过率。这种传统的方法需要使用光学调制器对光源进行调制，并在信号调理部分中使用锁相放大，对于硬件的要求比较高。另一方面，光源在使用过程中发生轻微位移，会导致系统的初始光强发生改变，增加了系统调试和维护的工作量。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种基于图像传感器的发射药枪口烟雾浓度测试装置及方法，适用于发射药中小口径弹道枪烟雾浓度测量。
本发明提供的枪口烟雾浓度测试装置，由枪口烟雾收集箱、光学背景板、图像传感器、图像控制及数据处理装置组成。
所述的枪口烟雾收集箱具备与弹道枪的接口，具备供弹头飞出的橡胶密封垫,其观察窗位于烟室的左右两侧，具备限压阀，在烟雾收集箱内压力高于特定值时，限压阀会自动开启；当收集箱内压力低于特定值时，限压阀会自动关闭。
所述的光学背景板表面为半透明灰白条纹，内部有辅助光源，在枪口烟雾收集箱观察窗口的一侧。
所述的图像传感器，是在CCD传感器前端的镜头上加置了窄带滤波片，位于枪口烟雾收集箱观察窗另一侧。图像传感器与图像控制及数据处理装置通过数据线相连。
所述的图像控制及数据处理装置，即安装图像控制及数据处理的计算机。用于控制图像传感器、存储并处理图像传感器的图像数据。
测试方法的主要步骤：
第一步：将烟雾收集箱与弹道枪相连，设置图像传感器的采集区域为光学背景板的条纹区域；在弹道枪工作前10s用图像控制及数据处理装置开始图像传感器的采集，采集时间持续2分钟，将采集到的图像序列保存到图像控制及数据处理装置中；
第二步：对试验采集获得的视频转化为灰度图像序列；逐帧处理提取靶板区域的图像，将弹道枪工作前的图像序列作为基准序列，将基准图像序列的灰度求平均值合成基准图像；
第三步：计算图像序列中的每一帧图像像素的灰度与基准图像的灰度值的比值；计算结果作为该时刻光学背景板与光学传感器之间的枪口烟雾在对光学信号的透过率的空间分布。
第四步：对每一帧图像中枪口烟雾在对光学信号的透过率的空间分布求均值；将结果作为该时刻枪口烟雾在对光学信号的透过率；
第五步：绘制枪口烟雾对光学信号的透过率随时间变化的曲线，取弹道枪发射前的透过率曲线均值作为基值，取弹道枪发射后烟雾平衡段透过率曲线均值作为特征值；用特征值比基值作为该发射药样品的枪口烟雾对光学信号的透过率。
步骤三中获得的枪口烟雾光学信号透过率的空间分布数据中包含杂散光噪声干扰，假定背景板中任意像素点的杂散光噪声与两侧相邻异色区域中相对位置相同的像素点杂散光噪声相同，假定背景板中任意像素点的光学透过率与两侧相邻异色区域中相对位置相同的像素点光学透过率成等差数列，利用下列方程组求得图像中任意点的杂散光噪声，并在枪口烟雾光学信号透过率的空间分布数据中消除杂散光噪声带来的干扰，方程组如下
G ( i - a , j ) = G 0 ( i - a , j ) * T ( i - a , j ) + G ′ ( i - a , j ) G ( i , j ) = G 0 ( i , j ) * T ( i , j ) + G ′ ( i , j ) G ( i + a , j ) = G 0 ( i + a , j ) * T ( i + a , j ) + G ′ ( i + a , j ) 2 * T ( i - a , j ) = T ( i - a , j ) + T ( i - a , j ) G ′ ( i - a , j ) = G ( i , j ) = G ′ ( i + a , j ) - - - ( 1 )
式中：G(i，j)表示图像中像素点(i，j)的灰度值；G0(i，j)表示基准图像中像素点(i，j)的灰度值；T(i，j)表示图像中像素点(i，j)处的光学透过率；G′(i，j)表示图像中像素点(i，j)处的杂散光噪声带来的灰度分量；a表示灰(白)条纹在图像中宽度的像素数。
本发明的优点：该装置结构简单，面光源无需进行调制，也无需配备锁相放大器等信号调理装置，极大降低了系统成本。在该方法中，光学图像传感器获得的是光学背景板区域内的烟雾透过率分布，通过空间上的统计计算，可以减少烟雾随机分布带来的误差，也可在数据处理中消除传感器与背景板轻微位移带来的系统误差，提高测试结果的准确性。
附图说明
图1为发射药枪口烟雾测试装置示意图，1-枪口烟雾收集箱，2-光学背景板，3-图像传感器，4-图像数据控制及处理装置。
图2为枪口烟雾收集箱左视图、俯视图，1-1观察窗，1-2限压阀，1-3弹道枪接口，1-4橡胶密封垫，1-5排气口，1-6附件箱及升降微调装置，1-7箱体。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步解释说明。
测试现场布置：根据图1所示，布放好测试装置，将图2所示的枪口烟雾收集箱1的弹道枪接口1-3与弹道枪相连；光学背景板2与图像传感器3分别固定于枪口烟雾收集箱1两侧观测窗1-1的外侧；图像传感器3与图像数据控制及处理装置4通过数据线连接。
测试步骤：
1)将发射药枪口烟雾浓度测试装置连上电源，预热10分钟。
2)调整图像传感器参数，使得光学背景板成像灰度适中；设置帧速、采样时间等参数。
3)在弹道枪工作前10s，开始图像传感器采集，采集时间为120s。
4)采集结束后，清理枪口烟雾收集箱，准备进行下一发试验。数据处理处理过程：
1)对试验视频数据分帧，若图像不为灰度图像则进行灰度化处理，得到可见光试验图像序列；
2)将试验图像序列的每帧图像按MxN网格区域进行划分，通过将每个区域内的平均灰度值作为新像素点灰度的方法，将试验图像序列压缩为分辨率为MxN的图像序列。其中M一般取10，表示图像在纵向上的压缩程度，N取光学背景板的条纹数。
3)在可见光图像序列中提取前200帧图像作为基准图像序列；对基准图像序列中各个像素点的像素灰度求均值，合成基准图像。
4)按照公式(1)求图像序列中像素点的光学透过率；计算公式为
τ k ( i , j ) = G k ( i , j ) G s ( i , j ) - - - ( 1 )
式中τk(表示试验图像序列中第k帧图像在点(i，j)的光学透过率；
Gk(表示试验图像序列中第k帧图像在点(i，j)的灰度值；
Gs(为基准图像在点(i，j)的灰度值。
5)将发射药枪口烟雾在(80s～110S)之间的平均透过率作为枪口烟雾浓度，可通过公式(2)来计算，公式(2)为：
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的结构，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于由枪口烟雾收集箱(1)、光学背景板(2)、图像传感器(3)、图像控制及数据处理装置(4)组成；所述的枪口烟雾收集箱(1)具备与弹道枪的接口，具备供弹头飞出的橡胶密封垫,其观察窗位于烟室的左右两侧；所述的光学背景板(2)表面为灰白条纹，在枪口烟雾收集箱(1)观察窗口的一侧，所述的图像传感器(3)在枪口烟雾收集箱(1)观察窗另一侧，图像传感器(3)与图像控制及数据处理装置(4)通过数据线相连；所述的图像控制及数据处理装置(4)为安装有图像控制和数据处理软件的计算机，用于控制图像传感器、存储并处理图像传感器的图像数据。
2.根据权利要求1所述的枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于所述枪口烟雾收集箱(1)具备限压阀，收集箱内压力高于特定值时，限压阀会自动开启；收集箱内压力低于特定值时，限压阀会自动关闭。
3.根据权利要求书1所述的枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于所述枪口烟雾收集箱(1)下方设计有钢制配件箱以及升降微调装置。
4.根据权利要求书1所述的枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于所述枪口烟雾收集箱(1)侧面有可拆卸的排气口。
5.根据权利要求书1所述的枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于所述光学背景板(2)由半透明材料的灰白条纹组成，内部有辅助光源。
6.根据权利要求书1所述的枪口烟雾浓度测试装置，其特征在于所述图像传感器(3)CCD传感器前端的镜头上加置了窄带滤波片，通光频段为(0.3～0.7)μm、(1～3)μm或(1～3)μm波段。
7.一种基于图像传感器的枪口烟雾浓度的测试方法，其特征在于步骤如下：
第一步：将烟雾收集箱(1)与弹道枪相连，设置图像传感器(3)的采集区域为光学背景板(2)的条纹区域；在弹道枪工作前10s用图像控制及数据处理装置(4)开始图像传感器(3)的采集，采集时间持续2分钟，将采集到的图像序列保存到图像控制及数据处理装置(4)中；
第二步：对试验采集获得的视频转化为灰度图像序列；逐帧处理提取靶板区域的图像，将弹道枪工作前的图像序列作为基准序列，将基准图像序列的灰度求平均值合成基准图像；
第三步：计算图像序列中的每一帧图像像素的灰度与基准图像的灰度值的比值；计算结果作为该时刻光学背景板(2)与光学传感器(3)之间的枪口烟雾对光学信号透过率的空间分布；
第四步：对每一帧图像中枪口烟雾在对光学信号的透过率的空间分布求均值；将结果作为该时刻枪口烟雾在对光学信号的透过率；
第五步：绘制枪口烟雾对光学信号的透过率随时间变化的曲线，取弹道枪发射前的透过率曲线均值作为基值，取弹道枪发射后烟雾平衡段透过率曲线均值作为特征值；用特征值比基值作为该发射药样品的枪口烟雾对光学信号的透过率。
8.根据权利要求书7所述的测试方法，其特征在于步骤三中获得的枪口烟雾光学信号透过率的空间分布数据中包含杂散光噪声干扰，假定背景板(2)中任意像素点的杂散光噪声与两侧相邻异色区域中相对位置相同的像素点杂散光噪声相同，假定背景板(2)中任意像素点的光学透过率与两侧相邻异色区域中相对位置相同的像素点光学透过率成等差数列，利用方程组(1)求得图像中任意点的杂散光噪声，并在枪口烟雾光学信号透过率的空间分布数据中消除杂散光噪声带来的干扰，方程组(1)如下
G ( i - a , j ) = G 0 ( i - a , j ) * T ( i - a , j ) + G ′ ( i - a , j ) G ( i , j ) = G 0 ( i , j ) * T ( i , j ) + G ′ ( i , j ) G ( i + a , j ) = G 0 ( i + a , j ) * T ( i + a , j ) + G ′ ( i + a , j ) 2 * T ( i - a , j ) = T ( i - a , j ) + T ( i - a , j ) G ′ ( i - a , j ) = G ′ ( i , j ) = G ′ ( i + a , j ) - - - ( 1 )
式中：G(i,j)表示图像中像素点(i，j)的灰度值；
G0(i,j)表示基准图像中像素点(i，j)的灰度值；
T(i,j)表示图像中像素点(i，j)处的光学透过率；
G′(i,j)表示图像中像素点(i，j)处的杂散光噪声带来的灰度分量；
a表示灰(白)条纹在图像中宽度的像素数。
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