CN114812422B - 一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置 - Google Patents

一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置，属于非接触测量领域，其特征在于：包括LED照明光源、结构光光学模块、信号采集模块和上位机；所述结构光光学模块和信号采集模块均设置于固体火箭发动机内腔内；所述LED照明光源经导光管与结构光光学模块相连接；所述信号采集模块与上位机相连接。采用LED激发的白光作为光源，利用结构光光学系统直接投影特定结构光照明，降低传统结构光单目测距的技术难度和复杂性，获得亚毫米级变形测量精度，同时通过光纤化集成大幅降低内窥链路的尺寸，从而充分利用固体火箭发动机点火孔等既有窗口，兼具量化测试、安全可靠、集成适用且复杂程度可控、测量环境适中，适于推广应用。

Description

一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置
技术领域
本发明属于，尤其涉及一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置。
背景技术
固体火箭发动机是航天运载系统重要的动力装置，一般由点火装置、燃烧室、喷管等组成，固体火箭发动机的内腔在贮存、运输等阶段不发生超出预期的变形、不发生破裂，是确保其正常启动、顺利工作的基本前提。测量内腔变形等几何特征的变化情况进而评价固体火箭发动机的状态，长期以来受到航天运载行业的高度关注。
固体火箭发动机结构密闭、测量窗口受限，且大量采用了火药、炸药等含能材料，对其内腔几何特征测量技术的发展带来了极大限制；当前，针对性发展了基于内窥镜影像的药柱内孔形貌估测、基于X射线投射成像的结构内侧变形测量、基于超声反射数据的燃烧面位置测量等3类技术。上述技术中：（1）内窥镜影像直观可视、运用方便，但只支持药柱内孔表面裂纹、异物等的粗略检测，无法量化获取变形等几何信息；（2）X射线投射成像方法无需在固体火箭发动机上设置或开启物理窗口，在屏蔽铅房等防护条件下可获得成像剖面上mm级分辨率的几何信息，结合轮廓识别、特征定位等先验工作，可对药柱内表面、绝热结构内侧等内腔的变形进行测量。（3）超声反射测试技术需预先在固体火箭发动机结构中埋入若干数量的超声传感器，以其阵列化布局构成超声传播以及反射特性调控模式，一般用于启动、工作等条件下的药柱燃烧位置测量，传感器埋入的实施难度大，传感器信号引出带来的电激源隐患极大。
同时，在3D打印等三维扫描与逆向建模领域，发展了激光测距+点云重构、结构光三角测距为代表的光学测量方法。但是激光点云方法存在激光束与被测结构的连续作用，固体火箭发动机中火药、炸药等含能材料的存在限制了其技术适用性；结构光测距依赖于光栅衍射、编码标定等复杂精密光路系统，对测量环境的振动控制等措施有较高要求，高精度测量能力与经济成本、使用成本的效费比过低。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种兼具量化测试、本质安全、集成适用且的测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置。
第一方面，本发明公开一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，包括如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
步骤4、通过预置的内窥镜成像镜头采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
步骤5、将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算；
对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征；其中I为总共的网格数。
进一步，本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，所述线宽的上限dm1由LED光照流明、内窥镜成像镜头的灵敏度决定；所述线宽的下限dm2由内窥镜成像镜头的分辨率限定。
进一步，本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，将所述编码送至固体火箭发动机内腔的传输方式为光纤传输。
第二方面，本发明公开一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，包括LED照明光源、结构光光学模块、信号采集模块和上位机；
所述结构光光学模块和信号采集模块均设置于固体火箭发动机内腔内；
所述LED照明光源经导光管与结构光光学模块相连接；
所述信号采集模块与上位机相连接。
进一步，本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，所述信号采集模块为内窥镜成像镜头。
进一步，本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，所述结构光光学模块用于执行如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
所述内窥镜成像镜头用于采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
所述上位机用于将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算，即对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征，其中I为总共的网格数。
进一步，本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，所述信号采集模块的景深为20mm-80mm。
本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置，采用LED激发的白光作为光源，利用结构光光学系统直接投影特定结构光照明，降低传统结构光单目测距的技术难度和复杂性，获得亚毫米级变形测量精度，同时通过光纤化集成大幅降低内窥链路的尺寸，从而充分利用固体火箭发动机点火孔等既有窗口，兼具量化测试、安全可靠、集成适用且复杂程度可控、测量环境适中，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述径向变形假定下编码网格对变形信息的加载示意图；
图2为本发明实施例所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置示意图。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法及装置进行详细说明。
实施例一
本公开实施例公开一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，包括如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
步骤4、通过预置的内窥镜成像镜头采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
步骤5、将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算；
对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征；其中I为总共的网格数。所述线宽的上限dm1由LED光照流明、内窥镜成像镜头灵敏度等参数决定；所述线宽的下限dm2由内窥镜成像镜头的分辨率限定。
在本公开实施例中，如图1所示，a表示内侧边长，a'表示变形后的内侧边长；若固体发动机内壁发生形变，则投影到发动机内表面的编码网格图像发生形变，从而可以用来计算发动机内壁形变量；本公开实施例所述内窥镜成像镜头采用直径8mm的内窥镜探头，有效像素在100万，有效工作距离1m到5m的范围内，测量精度优于0.5mm。同时，在本公开实施例中将所述编码送至固体火箭发动机内腔的传输方式为光纤传输。
实施例二
本公开实施例公开一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，如图2所示，包括LED照明光源、结构光光学模块、信号采集模块和上位机；
所述结构光光学模块和信号采集模块均设置于固体火箭发动机内腔内；
所述LED照明光源经导光管与结构光光学模块相连接；
所述信号采集模块与上位机相连接；在本公开实施例中，所述信号采集模块采用型号为NTS300、像素为100万的高清内窥镜成像镜头。
本公开实施例所述结构光光学模块用于执行如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
所述内窥镜成像镜头用于采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
所述上位机用于将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算，即对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征，其中I为总共的网格数。
在本公开实施例中，对内径10cm的圆柱内腔进行形变测试；由LED产生照明光源，通过导光管将光照传输至圆柱内腔腔体内部。在本公开实施例中所述结构光的产生选用结构光镜片型号为GSG-532-8-8；上位机即为常用的独立计算机进行。
在导光管的出光口配置结构光光学模块，同时在距离3cm~4cm的物镜范围内产生5cm×5cm矩形网格结构光。通过信号采集模块采用景深20mm到80mm的成像模组，通过视频信号线缆将图像信息传出。
经上位机通过上述算法结算不同网格点的位移量，获得内腔结构的位移量，即获得全部的内腔几何特征。

Claims (5)

1.一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
步骤4、通过预置的内窥镜成像镜头采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
步骤5、将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算；
对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征；其中I为总共的网格数。
2.根据权利要求1所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，其特征在于：所述线宽的上限dm1由LED光照流明、内窥镜成像镜头灵敏度参数决定；所述线宽的下限dm2由内窥镜成像镜头的分辨率限定。
3.根据权利要求2所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的方法，其特征在于：将所述编码送至固体火箭发动机内腔的传输方式为光纤传输。
4.一种测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，其特征在于：包括LED照明光源、结构光光学模块、信号采集模块和上位机；
所述结构光光学模块和信号采集模块均设置于固体火箭发动机内腔内；
所述LED照明光源经导光管与结构光光学模块相连接；
所述信号采集模块与上位机相连接；
所述信号采集模块为内窥镜成像镜头；
所述结构光光学模块用于执行如下步骤：
步骤1、设定结构光投影参数；包括：
（1）对于测量范围为L×D、物镜距离为H的场景，定义正方形网格状编码为：网格线宽为d，内侧边长为a；其中L为轴向长度；D为环向展开宽度；
（2）对于编号为i的网格，其覆盖部位的变形按照沿固体火箭发动机径向处理，令变形后物镜距离变为H’，则网格参数变为：
d’=(d×H’)/H，a’=(a×H’)/H （1）
定义变形测量极限▽=Hm-H，对应的线宽dm=(d×Hm)/H；线宽上限为dm1，线宽下限为dm2；其中d’为变形后网格线宽；a’为变形后内侧边长；Hm为在最大变形时物镜距离，dm为在最大形变时的网格线宽；
步骤2、结构光源的产生及编码的调控；包括：
（1）以d0=（dm1+dm2）/2，带入式（1）中，根据极限测试线宽确定网格标称线宽d0，同理计算内侧边长a0；
（2）按轴向长度L、环向展开宽度D，分别计算两个方向的网格数量：
nL=L/(a0+d0)，nD=D/(a0+d0)；其中nL为轴向的网格数量；nD为环向的网格数量；
（3）按照nL、nD数量，采用LED激发的白光作为光源制作LED掩膜；
步骤3、将编码信息传像并投影到固体火箭发动机内腔壁上；
所述内窥镜成像镜头用于采集影像信息，获取固体火箭内腔内的编码信息；
所述上位机用于将采集的影像信息进行内腔几何特征的解算，即对于任意状态下的第i个网格的d和d’、a和a’经图像测试获得，经式（1）可解得H和H’；则第i个网格的变形量δHi：δHi=H’-H；
对于规模为I=nL×nD的网格，变形量δHi逐一解算；即可获得全部的内腔几何特征，其中I为总共的网格数。
5.根据权利要求4所述测量固体火箭发动机内腔几何特征的装置，其特征在于：所述信号采集模块的景深为20mm-80mm。
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