圖像處理技術在碎片云參數測量中的應用＊

朱玉榮，吳祖堂，譚書舜，張向榮，劉冠蘭

（西北核技術研究所，西安 710024）

0 引言

彈丸高速撞擊薄靶，彈丸和靶件穿孔材料將發生破碎、熔化甚至氣化形成碎片云［1］。碎片云的形成和發展過程是很復雜的，影響碎片云破壞效應的主要因素有碎片云的速度、噴射角度等參數，這些參數很難通過實驗測定。文中研究了利用圖像處理技術測量碎片云的這兩個關鍵運動參數。

1 碎片云圖像的獲取［2］

高速碰撞實驗是在二級輕氣炮上完成的。采用直徑為5 mm的鉛彈丸撞擊2 mm厚鉛靶，靶件的直徑選140 mm，碰撞速度為3.1k m／s［3］左右。實驗布局如圖1所示。實驗參數見表1。部分碎片云圖像見圖2。

圖1 實驗布局圖

表1 碎片云圖像獲取實驗參數表

圖2 碰撞速度3.1k m／s下的碎片云圖像

2 圖像處理

2.1 碎片云圖像分析

X射線圖像的成像機理特殊，具有重疊度大、噪聲高、對比度低、數據量大、灰度級數復雜等特點，從而增加了X射線圖像處理的難度，目前的圖像處理模型對X射線圖像具有很大的局限性。

2.2 碎片云運動參數的圖像診斷方法

根據分析，碎片云運動參數的圖像診斷流程如圖3所示。碎片云速度分布是沿碎片前進方向的［4］。碎片云前端速度測量需要有時間差Δt，分別從時刻t1、t2兩幅圖像中計算出碎片云前端的位置（相對于相同的坐標原點）。根據已知靶板的厚度為2 mm，將圖像上的尺度換算到空間尺度。設碎片t1時刻某點的坐標為 （x1，y1）和t2時刻坐標為 （x2，y2）。設碎片在Δt時間內飛行的位移為d，則：

圖3 碎片云運動參數的圖像診斷流程圖

2.3 碎片云的前端平均速度、噴射角度、靶板孔徑等參數的測量

碎片云形成的序列圖像經過邊緣提取后，得到碎片云圖像的初始邊緣輪廓。初始輪廓受提取算法的影響，可能是不連續的，所以需要重新連接，得到碎片云序列圖像的邊緣圖像。從得到的碎片云序列邊緣輪廓圖可以診斷碎片云的前端平均速度、噴射角度和靶板孔徑等參數。圖4為采用同態濾波方法增強后，采用Sobel算子提取出來的不同時刻的碎片云輪廓圖序列。

2.3.1 前端平均速度

圖4 不同延遲時刻碎片云圖像提取的輪廓圖像

由于診斷到的碎片云圖像是序列圖像，而每幅圖像之間的時間間隔決定于觸發信號觸發時刻與控制X射線閃光時刻之間的延遲時間，該時間是已知的，設為Δtμs，在該時間間隔內，碎片云的擴散位移可以通過碎片云邊緣輪廓圖提取出來。以水平方向為例，先將不同時刻的碎片云圖像的邊緣提取出來，從提取出來的輪廓圖可以看出輪廓包含靶面輪廓（兩條平行的直線和碎片云的橢園形輪廓，而靶面的厚度是已知的，設n靶面為靶板在圖像中所占的像素值，其對應實物是2 mm。設n碎片為碎片云輪廓在圖像中對應

像素值，該像素值與靶面的像素值的比就可以得到任意時刻的擴散位移S，如圖5所示。s1＝（n1碎片／n1靶面）×2（mm），處理出對應擴散速度v＝（s1－s2）／Δt，單位為k m／s。

經過處理后的序列圖像在關聯時刻分別為2μs、4μs、8μs、10μs、12.6μs、16.7μs的發展過程輪廓疊加后如圖6所示。

2.3.2 噴射角度

圖7為碎片云運動的示意圖，圖中定義了碎片云的一些參數。θ為噴射半角，在圖像輪廓圖中，量出DB、碎片云徑向的最大直徑D和最大半徑處距靶面的垂直距離L，則分別為彈丸在穿過靶板過程中靶后和靶前的瞬間彈坑直徑［5］。

圖6 不同時刻碎片云輪廓疊加圖

圖7 碎片云示意圖

2.3.3 計算結果

1）前端平均速度

表2 碎片云前端平均速度計算表

根據上面計算結果繪制碎片云前端平均速度曲線如圖8所示。

圖8 前端平均速度曲線

由速度曲線圖8（a）可以看出，速度值在延遲時間為10μs和12.6μs處有兩個突變點。經過分析，主要是靶板的安裝給測量結果帶來很大的誤差，因此對原曲線進行去掉兩個奇異點的修正，得到速度隨時間變化的曲線圖8（b）。

2）噴射角度

由圖9曲線可以得出：噴射角度隨時間的增加變化比較緩慢。通過與國外實驗數據的比較，曲線的變化趨勢是相同的。數值不同是因為撞擊條件不同（靶板材料和尺寸、彈丸直徑和材料、撞擊速度等）。

表3 噴射角度計算表

圖9 噴射角度曲線

圖10 國外總結的噴射角度曲線

3 結論

文中分析了碎片云圖像的特點，利用邊緣檢測方法，得到各個時刻的邊緣圖像，最后經過數據處理得到碎片云的參數，實驗結果與碎片云的膨脹理論相符，為碎片云運動參數的測量提供了一種新的實現途徑。

［1］ 張偉，龐寶君.彈丸撞擊防護屏形成碎片云的速度特性研究［J］.中國空間科學技術，2002，22（2）：67－71.

［2］ 朱玉榮，徐守時，唐潤棣，等.高速碰撞過程中的圖像診斷［J］.彈箭與制導學報，2005，25（4）：357－358.

［3］ A J Piekutowski.Effects of scale on debris cloud properties［J］.International Journal of Impact Engineering，1994，20（6／10）：639－650.

［4］ 吳蕾.測量射流質量、速度、動能分布的圖像處理方法［J］.中國圖象圖形學報，1997，2（12）：905－908.

［5］ A J Stilp and Weber.Debris clound behind double－layer targets［J］.Int.J.Impact Engine.1997，20（6／10）：765－778.