CN107657609B - 一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，所用装置包括：激光扫描装置、靶板、数据自动处理程序，先由激光扫描装置获取靶板及其穿孔部位的三维坐标等信息，生成三维数据，并由数据自动处理程序处理该数据，最终形成靶板及其穿孔的三维图形显示，在该三维图形上利用矩形选择框可快速获取该特定区域的穿孔数量，从而获得该区域的靶板穿孔密度。该方法采用激光扫描技术结合数据分析手段，可快速、准确的获取靶板穿孔密度，解决了现有测试方法测试稳定性差、主观因素影响明显、数据信息保存不完整、不利于后期数据挖掘、操作工作量大、测试效率低的问题。

Description

一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法

技术领域

本发明属于毁伤试验测试领域，具体涉及一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法。

背景技术

破片是弹药/战斗部的主要毁伤元之一，靶板穿孔密度是用来反映弹药/战斗部爆炸破片在空间某个位置上作用效果的重要手段，靶板在爆炸破片作用下会产生具有空间不规则分布的穿孔，穿孔密度是表征破片作用效果的重要参数。然而，目前缺少一种能够快速、准确获取靶板穿孔密度的方法。

当前，研究人员主要使用在爆心一侧一定距离处布设弧形主靶板来拦截战斗部的破片，一般采用一定厚度的Q235A钢板。布置时，各靶板底部应处于同一水平线。在对着爆心一侧的靶面上，按水平和垂直两个方向分别等间距地划上白线。在静爆完毕之后，破片作用在靶板上形成的透光贯穿孔作为有效破片穿孔。然后人工对这些有效穿孔进行刷漆、拍照，并人工统计网格区域内的穿孔数量，按照靶板上的网格分布，在检靶纸上绘制相应的破片分布图，从而得出该区域的破片穿孔密度，

式中：ρ——破片穿孔密度，枚/m²；n_j——聚焦带内有效破片总数，枚；l——聚焦带宽度；L——靶板高度。

这种传统的测量方法存在以下不足：①操作误差大，测量稳定性差。一方面在准备阶段画线的平直程度与间距精度易受操作人员的操作水平影响，并且，长时间站立劳动易导致人员注意力不集中，也会导致画线误差增大；另一方面，所有穿孔统计步骤由测试人员手动完成，密集细小的孔洞在统计过程中容易出现误差，导致结果易受人员主观因素影响；②原始数据不易保存，不方便后期数据处理。统计数据由测试人员记录在检靶纸上，并且只记录指定区域的破片穿孔数量；数码照片的分辨率有限，不能完全真实记录破片穿孔情况；仅凭检靶纸上的有限数据及若干数码照片，日后需要对破片的毁伤效果数据进行深度挖掘时会发觉无从下手；③操作过程繁琐，用时较长，耗费大量人工，工作效率低下。试验准备阶段需要在靶板上画大量的水平与竖直的等间距长线，用来做后期数据采集时的参考背景的基准，画线是采用尼龙绳沾上油漆后弹射到靶板表面的方式，大多数情况下竖直方向需要立至少4块1.25m×2m×2mm的Q235A钢板，这样垂直高度至少达到5米以上，施工时至少需要3人分别同时站梯子上操作，两人在两端拉紧沾上油漆的尼龙绳，一人在中间弹射尼龙绳，以靶板10m弧长(连续布设)，靶高5m为例，完成竖直间隔500mm及水平间隔87mm的画线工作需要施工至少6个小时；为减少浪费、提高靶板的利用率，数据采集阶段需要用不同颜色油漆涂抹穿孔以区分不同试验的破片穿孔情况；数据记录阶段需要对靶板进行拍照保存，然后按照靶板上的网格分布，人工统计网格区域内的穿孔数量，对应破片穿孔在检靶纸上绘制相应的破片分布图，上述穿孔的统计时间约1个小时。

基于现有测试手段的不足，以及弹药破片毁伤效果精细化评估的需求越来越强烈，亟需突破一种快速获取靶板穿孔密度的方法，该方法应当具有以下几个特点：1、数据精度高，不受人为因素影响；2、获取数据丰富全面，方便保存，可供以后进一步研究；3、操作方便快捷，无需复杂操作。

发明内容

本发明需要解决的技术问题包括：1、寻求一种可以快速识别靶板穿孔的技术，排除人工画线及识别孔洞所带来的人为不确定因素，提高数据精度；2、数据格式电子化，方便存档并可供后续研究；3、数据采集及处理迅速，减少外场作业时间。

为了实现上述任务，本发明设计提供了一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，该方法采用三维激光扫描技术，结合数值分析软件的数据处理和分析手段，能够快速和准确地获取靶板及其穿孔的三维坐标信息，然后利用自编软件对三维数据进行封装、处理，使穿孔区域高亮显示，进而可以计算得出指定区域的穿孔数量及穿孔密度，并能够将靶板及其穿孔的情况以三维计算机图形的形式表现和存储起来，为快速建立其三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，在该方法中所用装置包括：激光扫描装置、靶板、数据自动处理程序；

所述激光扫描装置通过高速激光扫描的方法，大面积高分辨率地快速获取被测靶板表面的三维数据，可以快速、大量的采集空间点位信息；

靶板用于拦截战斗部爆炸后分散的破片；

数据自动处理程序用于处理激光扫描装置获得的三维数据，通过处理得到靶板及其穿孔的三维模型；

一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，包括如下步骤：

(a)标定激光扫描装置与靶板的相对位置

调整三脚架的高度，将激光扫描装置置于战斗部静爆前所在位置，调节其至水平，并根据激光扫描装置距靶板的距离确定扫描装置的扫描精度。

(b)三维数据采集

通过激光扫描装置扫描周围目标，获得扫描区域数据矩阵M行*N列，空间中每点对应的坐标为(x,y,z)。

数据格式如下表：

(c)靶板数据处理

第一步：数据预处理；

一般情况下，激光扫描装置的自动扫描范围为水平0～360°，垂直-60°～90°，提取靶板所在的特定区域，该区域对应数据坐标矩阵a行*b列，靶板每点坐标为(x,y,z)。

第二步：运行数据自动处理程序(3)，计算孔的总数n

i:对靶板穿孔进行自动封装，并对其高亮显示；

ii:对比拍照图像，对i中有明显遗漏的穿孔进行补充；

iii:对所有识别出来的穿孔进行拟合，统计得出穿孔的大小及拟合中心的单位坐标。

第三步：生成靶板穿孔的三维图形

建立以激光扫描装置中心为原点的三维直角坐标系，在第一步截取的数据中，依据第二步自动处理程序(3)获得的破孔圆心坐标及其半径大小，生成靶板穿孔的三维图形。

第四步：靶板穿孔密度求取

在三维数据模型中，利用矩形选择框选定特定破片区域，软件将统计该选择区域中已封装完的穿孔数量，该数量除以矩形选择框的面积即得到该区域的穿孔密度，

式中：ρ——破片穿孔密度，枚/m²；n_j——特定破片区域内有效破片总数，枚；l——矩形选择框宽度；L——矩形选择框高度。

如上所述的数据处理过程由编制的计算机数据自动处理程序自动完成。

本发明的优点：①测量过程由扫描装置自动扫描，数据处理由软件自动完成，测量误差可控。首先，减少了在靶板上的画线环节，控制了该环节人为操作可能导致的误差；其次，激光测量技术可测尺寸范围大，满足外场大面积靶板及穿孔情况的统计需求，且测量过程和数据的读取，以及测量数据处理均由仪器完成，引入的人为误差少，保证了测量的稳定性；②能够将靶板及其穿孔情况以三维计算机图形的形式表现和存储起来，可在需要时快速地调出以往的靶板穿孔情况，方便后续研究；③本发明采用激光测量技术，结合计算机数据处理和分析手段，操作过程简单、方便，测量速度快，能够实现爆炸现场靶板及其穿孔情况的快速获取，大幅缩短外业工作时间，提升工作效率，仍以上述典型的10m弧长(连续布设)，靶高为5m为例，去掉了6个小时的画线时间及1个小时的穿孔统计时间，本发明只需约半个小时的扫描时间，及约10分钟的数据处理时间。

附图说明

图1为激光装置扫描靶板穿孔时场地布局示意图；

图2为本专利所述测量装置系统构成示意图；

图3为本专利所述激光测量靶板穿孔密度方法示意图；

图4为初步处理后的靶板及其穿孔图片；

图5为将靶板及其穿孔通过三角形拟合后的图片；

图6为将图5中的靶板穿孔拟合成圆后的图片。

图7为将靶板穿孔识别出来后高亮显示的图片；

图8为实施例中的8.5m半径处聚焦区每0.2°区域内破片统计。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。

本实施例中，在爆心一侧，距爆心8.5m处设置弧形主靶板，靶板高度为4m，总弧长7.5m，厚度为6mm，材料为1.25m×2m×6mm的Q235A钢板。布置时，各靶板底部应处于同一水平线。整个区域对应的角度范围64.2°～114.825°。

在对着爆心一侧的靶面上，按水平和垂直两个方向分别等间隔地划上白线。将距靶板底部2m处的水平线作为零线，以零线为基准，上、下每隔400mm划一水平线；以靶板最左侧竖直边为基准，顺时针向另一竖直边每隔400mm划一竖直线。

其中，在破片聚焦区位置，以距竖直基准边5160mm处(对应99°)的竖直边，作为聚焦区的竖直基准线，左、右每相邻30mm划一竖直线，分别顺时针及逆时针划至450mm及-450mm处，最终聚焦区测试范围-450mm～450mm，对应角度范围96°～102°。同时以零线为基准，上、下每隔200mm划一水平线。

在靶面上的1200mm、1600mm、3825mm，5160mm，5600mm、6000mm、7200mm处标明对应的角度72.3°、75°、90°、99°、102°、104.7°、112.8°。同时在聚焦区的-450mm、-300mm、-150mm、150mm、300mm处标明对应的角度96°、97°、98°、100°、101°。

现用本发明的方法，对该靶板的穿孔密度进行测量，具体步骤如下：

(a)标定激光扫描装置与靶板的相对位置

调整三脚架的高度，将激光扫描装置置于战斗部静爆前所在位置，调节其至水平，并根据激光扫描装置距靶板的距离确定扫描装置的扫描精度。

(b)靶板三维数据采集

通过激光扫描装置扫描靶板，获得靶板所在区域数据矩阵m行*n列(x,y,z)。

(c)靶板数据处理

第一步：数据预处理；

激光扫描装置的自动扫描范围为水平0～360°，垂直-60°～90°，提取靶板面的特定区域，该区域对应数据坐标矩阵a*b(x,y,z)。

第二步：运行数据自动处理程序(3)，计算孔的总数n

i:对靶板穿孔进行自动封装，并对其高亮显示；

ii:对比拍照图像，对i中有明显遗漏的穿孔进行补充；

iii:对所有识别出来的穿孔进行拟合，统计得出穿孔的大小及拟合中心的单位坐标。

第三步：生成靶板穿孔的三维图形

建立以激光扫描装置中心为原点的三维直角坐标系，在第一步截取的数据中，依据第二步自动处理程序(3)获得的破孔圆心坐标及其半径大小，生成靶板及其穿孔的三维图形。

第四步：靶板穿孔密度求取

在三维数据模型中，利用矩形选择框选定特定破片区域，软件将统计该选择区域中已封装完的穿孔数量，该数量除以矩形选择框的面积即得到该区域的穿孔密度，

单位为枚/m²。

根据图7所示显示结果，统计处聚焦区的靶板穿孔分布见图8。

Claims (3)

1.一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，所述方法中所用测量装置包括：激光扫描装置(1)、靶板(2)、数据自动处理程序(3)和相关配件组成；

所述的一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)标定激光扫描装置与靶板的相对位置

调整三脚架的高度，将激光扫描装置置于战斗部静爆前所在位置，调节其至水平，并根据激光扫描装置距靶板的距离确定扫描装置的扫描精度；

(b)三维数据采集

通过激光扫描装置扫描周围目标，获得的三维数据格式为以扫描装置中心为原点的三维直角坐标系中，目标表面各点所在的矩阵M行*N列及其三维空间坐标(x,y,z)；

(c)靶板数据处理

第一步：数据预处理；

一般情况下，激光扫描装置的自动扫描范围为水平0～360°，垂直-60°～90°，提取靶板所在的特定区域，该区域对应数据坐标矩阵a行*b列，靶板每点坐标为(x,y,z)；

第二步：运行数据自动处理程序(3)，计算孔的总数n

i:对靶板穿孔进行自动封装，并对其高亮显示；

ii:对比拍照图像，对i中有明显遗漏的穿孔进行补充；

iii:对所有识别出来的穿孔进行拟合，统计得出穿孔的大小及拟合中心的单位坐标；

第三步：生成靶板穿孔的三维图形

建立以激光扫描装置中心为原点的三维直角坐标系，在第一步截取的数据中，依据第二步自动处理程序(3)获得的破孔圆心坐标及其半径大小，生成靶板穿孔的三维图形；

第四步：靶板穿孔密度求取

在三维数据模型中，利用矩形选择框选定特定破片区域，软件将统计选择区域中已封装完的穿孔数量，该数量除以矩形选择框的面积即得到区域的穿孔密度，

式中：ρ——破片穿孔密度，枚/m²；n_j——特定破片区域内有效破片总数，枚；l——矩形选择框宽度；L——矩形选择框高度。

2.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，其特征在于，所述的激光扫描装置(1)用于扫描靶板及其穿孔的三维特征信息，其测量范围为水平0～360°，垂直-60°～90°。

3.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的获取靶板穿孔密度的方法，其特征在于，所述数据处理步骤由编制的数据自动处理程序(3)完成。

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