基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)

向濤波，陳遠(yuǎn)江，劉重發(fā)，羅 亮，楊杰敏

基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)

向濤波，陳遠(yuǎn)江，劉重發(fā)，羅 亮，楊杰敏

（陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

概述了系統(tǒng)健康診斷技術(shù)、高速攝影與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析技術(shù)、三維激光掃描與裂紋追蹤技術(shù)在裝備上運(yùn)用與發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)艦船裝備非接觸、智能化在線無(wú)損檢測(cè)，獲取關(guān)鍵的狀態(tài)特征信息，同時(shí)能迅速進(jìn)行損傷定位與狀態(tài)描述。

艦船裝備 高速攝影 激光掃描 健康監(jiān)測(cè)與管理

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，我軍現(xiàn)役艦船裝備呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化和自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)。使裝備先進(jìn)物理性能以最佳模式持續(xù)發(fā)揮效能的綜合保障技術(shù)，包括測(cè)試、診斷、維護(hù)、壽命預(yù)測(cè)與健康管理、運(yùn)行安全調(diào)控等，得到了越來(lái)越多的關(guān)注，裝備保障正向保障精確集約、需求實(shí)時(shí)感知、資源并行掌控的理念變革。裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)管理包括診斷信息的獲取、狀態(tài)特征信息提取、狀態(tài)識(shí)別與評(píng)估等三個(gè)部分，其中狀態(tài)特征信息提取、狀態(tài)識(shí)別與評(píng)估是診斷的關(guān)鍵。

基于高速攝影和三維激光掃描的艦船裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估和健康診斷技術(shù)，融合了現(xiàn)代信息技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)艦船裝備非接觸、智能化在線無(wú)損檢測(cè)，獲取關(guān)鍵的狀態(tài)特征信息，同時(shí)能迅速進(jìn)行損傷定位與狀態(tài)描述。

1 相關(guān)技術(shù)運(yùn)用與發(fā)展

1.1 系統(tǒng)健康診斷技術(shù)

艦船裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估和健康診斷代表了一種理念和方法的轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)的基于傳感器或機(jī)內(nèi)測(cè)試的診斷轉(zhuǎn)向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測(cè)，從反應(yīng)性的狀態(tài)報(bào)告轉(zhuǎn)向在準(zhǔn)確時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確部位進(jìn)行準(zhǔn)確的維護(hù)，其核心科學(xué)問(wèn)題是重要部件損傷/故障/失效特征的捕獲、提取、識(shí)別與預(yù)測(cè)的理論與方法：包括早期損傷特征增強(qiáng)檢測(cè)的非線性動(dòng)力學(xué)理論與方法，故障辨識(shí)分類、退化識(shí)別、安全剩余使用壽命預(yù)測(cè)與跟蹤的計(jì)算智能理論與方法。

結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷技術(shù)主要可以分為結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)診斷技術(shù)兩個(gè)方面，具體過(guò)程分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、健康識(shí)別、健康診斷決策等幾個(gè)環(huán)節(jié)。由于艦船裝備系統(tǒng)工作狀態(tài)多樣，尤其是工作環(huán)境復(fù)雜，快速有效的狀態(tài)信息采集和分析技術(shù)是關(guān)鍵。而傳統(tǒng)的傳感器如電阻應(yīng)變片、鋼弦計(jì)等無(wú)法滿足信息化和智能化的要求，急需開(kāi)發(fā)新的信號(hào)采集和傳輸方法。

1.2 高速攝影與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析技術(shù)

高速攝影技術(shù)是專門研究如何實(shí)現(xiàn)對(duì)各種快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)成像、完成高速光電轉(zhuǎn)換和圖像記錄的技術(shù)，它是集光學(xué)、高速成像、圖像存儲(chǔ)與處理等多項(xiàng)技術(shù)于一體。高速攝影是人眼的視覺(jué)能力在時(shí)間分辨能力方面的延伸，它可以應(yīng)用于一切我們想要探究的快速現(xiàn)象。可應(yīng)用于武器試驗(yàn)、爆炸科學(xué)研究、爆破工程等領(lǐng)域中。利用高速攝像的方法觀測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，有其突出的優(yōu)點(diǎn)，它不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，高速攝像方法比較直觀，能夠即時(shí)重演被記錄的過(guò)程，實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲，并將時(shí)間放大到數(shù)百萬(wàn)倍以上，這就有可能來(lái)仔細(xì)觀察瞬息變化的微小過(guò)程，是其他測(cè)量技術(shù)手段所難以替代的。

模態(tài)分析是研究系統(tǒng)物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過(guò)一定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。根據(jù)研究模態(tài)分析的手段和方法的不同，模態(tài)分析可分為理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。模態(tài)參數(shù)識(shí)別是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的核心。模態(tài)分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、汽車、高鐵、土木以及生物科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為減震降噪、振動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、有限元模型修正和確認(rèn)等提供重要依據(jù)。

采用視頻測(cè)量方法對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行模態(tài)分析，主要涉及到對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定、目標(biāo)跟蹤技術(shù)和運(yùn)行模態(tài)分析等方面。

1.3 三維激光掃描與裂紋追蹤技術(shù)

開(kāi)裂是影響裝備或結(jié)構(gòu)物正常使用和安全運(yùn)營(yíng)的主要原因之一，裂縫開(kāi)展過(guò)程監(jiān)測(cè)是評(píng)估裂縫危害程度的重要手段。在健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的傳感器如電阻應(yīng)變片、鋼弦計(jì)等，由于其耐久性和穩(wěn)定性難以滿足長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的需要，目前在裂縫的監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用較多的是布里淵散射（BOTDR）技術(shù)，而BOTDR系統(tǒng)中布里淵散射信號(hào)非常微弱，常常導(dǎo)致傳感距離受限，進(jìn)而影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，具有一定局限性。

三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量表面復(fù)雜物體和細(xì)節(jié)測(cè)量上有著非常大的優(yōu)勢(shì)，這是一種可以直接、快速、精確地獲得物體空間數(shù)據(jù)的方式，該技術(shù)可以從不同空間尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜裝備的高效、精準(zhǔn)檢測(cè)，提供了一種高效而且準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)源，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為表達(dá)形式，將實(shí)景三維數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，并通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行具體計(jì)算和分析。

目前，三維激光掃描儀在地面景觀形體測(cè)量、建筑與文物保護(hù)、地形測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)等方面都已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。特別是在復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測(cè)量與建模這方面，三維激光掃描相比于傳統(tǒng)方法，能夠快速、高效地讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)然后進(jìn)行計(jì)算處理，提供可視化的三維模型參考，極大地提高了工作效率。

2 應(yīng)用方法研究

2.1 基于高速攝影測(cè)量的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法

在艦船裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）和三維點(diǎn)跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵部件振動(dòng)、加速度時(shí)程曲線及模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、阻尼比與振型等）提取方法；基于激光掃描點(diǎn)云模型和高速攝影測(cè)量的局部遮蓋構(gòu)件或內(nèi)部構(gòu)件動(dòng)力參數(shù)提取及校驗(yàn)方法；典型工作環(huán)境下裝備系統(tǒng)攝影測(cè)量誤差矯正方法；典型工作狀態(tài)下裝備系統(tǒng)整體及局部動(dòng)力參數(shù)演化規(guī)律。

2.2 基于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的微裂紋識(shí)別追蹤方法

建立基于激光掃描的艦船裝備整體表面模型和主要部件表面模型；裝備典型工作狀態(tài)下主要構(gòu)件的正常受載表面模型；提出一種基于點(diǎn)云平均曲率估算的結(jié)構(gòu)表面損傷檢測(cè)方法，通過(guò)估算代表點(diǎn)云“外在彎曲”幾何特征的平均曲率實(shí)現(xiàn)損傷特征點(diǎn)云的準(zhǔn)確提取及損傷區(qū)域的精確定位；結(jié)合高速攝影測(cè)量得到的模態(tài)參數(shù)及其演化規(guī)律，研究主要構(gòu)件表面及內(nèi)部損傷擴(kuò)展機(jī)制。

2.3 復(fù)雜裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估模型

建立基于整體及局部主要運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的艦船裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系；針對(duì)檢測(cè)裝備的不同位置工況，研究切實(shí)可行檢測(cè)安全標(biāo)準(zhǔn)；建立基于高速攝影測(cè)量和三維激光掃描的艦船裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估模型。

2.4 基于現(xiàn)代信息處理技術(shù)的健康狀態(tài)智能診斷和管理平臺(tái)

搭建基于先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)（如盲源分離、小波方法、數(shù)據(jù)挖掘/融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)等）的復(fù)雜裝備健康狀態(tài)智能診斷平臺(tái)，對(duì)艦船裝備在典型工況下各主要構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行跟蹤分析，提煉缺陷或損傷萌生演化機(jī)理，提出基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的殘余強(qiáng)度和剩余壽命預(yù)測(cè)方法。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 高速攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)高速攝像儀進(jìn)行靜態(tài)位移試驗(yàn)，并與相應(yīng)的理論值進(jìn)行對(duì)比，確定高速攝像儀拍攝數(shù)據(jù)的精確性。由于靜態(tài)位移的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)位移的變化連續(xù)性，靜態(tài)位移只要記錄靜荷載加載時(shí)刻的初位移和靜載作用穩(wěn)定后的位移兩個(gè)狀態(tài)。可以通過(guò)高速攝像機(jī)來(lái)采集剛加載時(shí)和作用穩(wěn)定后的兩幅圖像，從而來(lái)驗(yàn)證通過(guò)高速攝像儀測(cè)定靜態(tài)位移的可行性。

在通過(guò)試驗(yàn)對(duì)高速攝像儀拍攝數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證以后，對(duì)實(shí)際的設(shè)備再運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)，并與其他的觀測(cè)手段，如加速度傳感器、位移傳感器等得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在觀測(cè)時(shí)，將相應(yīng)的傳感器放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫⒃诜胖脗鞲衅魑恢锰幵O(shè)置一個(gè)標(biāo)志物用高速攝像儀對(duì)標(biāo)志物進(jìn)行觀測(cè)。

3.2 三維激光掃描誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)

對(duì)簡(jiǎn)單物體進(jìn)行試驗(yàn)，保證精度。激光掃描的誤差來(lái)源主要有控制點(diǎn)誤差、儀器定向誤差、儀器掃描誤差和數(shù)據(jù)拼接誤差。

控制點(diǎn)誤差方面，布設(shè)的平面控制網(wǎng)采用獨(dú)立坐標(biāo)系下的閉合導(dǎo)線，一般按照三等導(dǎo)線精度進(jìn)行施測(cè)，對(duì)于有不同精度的要求時(shí)，可以更高等導(dǎo)線精度進(jìn)行施測(cè)。

定向誤差方面，主要分為對(duì)中誤差、后視點(diǎn)偏差和定向誤差，對(duì)中誤差主要是儀器中心不能完全和控制點(diǎn)中心同在一條垂線上，這主要是人為原因引起的，可以選擇在儀器中心和控制點(diǎn)中心采取某種確定措施來(lái)減小誤差，后視點(diǎn)偏差是于后視點(diǎn)坐標(biāo)存在一定的誤差，掃描儀在定向過(guò)程中將會(huì)造成照準(zhǔn)偏心，需要設(shè)計(jì)某種措施來(lái)確定兩個(gè)中心位置，定向誤差是對(duì)物體掃描過(guò)程中的誤差，可以通過(guò)固定儀器、減少周圍擾動(dòng)等方式來(lái)減小誤差。

掃描儀掃描誤差主要分為測(cè)距誤差和測(cè)角誤差。測(cè)距誤差一般固定誤差和比例誤差組成，可以根據(jù)不同的精度要求，試驗(yàn)測(cè)量距離和掃描誤差的具體關(guān)系，確定在滿足試驗(yàn)和使用要求的最大距離。角度掃描誤差主要是在測(cè)量時(shí)，光脈沖信號(hào)具有一定發(fā)散性，會(huì)在物體表面形成光斑，光斑周圍反饋的信號(hào)也會(huì)被當(dāng)成中心點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行處理，在試驗(yàn)中研究角度和掃描誤差的關(guān)系，確定在滿足試驗(yàn)和使用要求的最大角度。

數(shù)據(jù)拼接誤差，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，會(huì)將多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到工程坐標(biāo)系，要根據(jù)精度要求，計(jì)算出在對(duì)于各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)該滿足的精度要求，嚴(yán)格在試驗(yàn)中保證工程坐標(biāo)系中各個(gè)點(diǎn)的誤差在范圍內(nèi)。

對(duì)內(nèi)部較為復(fù)雜的物體進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行分析。激光掃描只能對(duì)物體表面情況進(jìn)行非常有效的分析，對(duì)于物體內(nèi)部情況，在三維激光掃描儀能夠掃描的地方采用激光掃描，這樣會(huì)有非常高的精度，對(duì)于某些小元件或是某些無(wú)法掃描到的地方，需要借助與其他傳感器來(lái)進(jìn)行綜合檢測(cè)。已經(jīng)有試驗(yàn)證明，在幾何陰影區(qū)域，使用激光聲學(xué)法探測(cè)金屬缺陷，發(fā)現(xiàn)有帶狀激光束激發(fā)出的表面聲波沿著垂直于激光帶的2個(gè)方向傳播，在存在缺陷時(shí)，聲波會(huì)迅速衰減。可以在這樣的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在三維激光掃描儀上增加這樣的檢測(cè)方法，并進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)具體弄清激光聲學(xué)探測(cè)法對(duì)于缺陷的檢測(cè)精度。

3.3 復(fù)雜裝備系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)

以某型號(hào)艦船為對(duì)象，在訓(xùn)練場(chǎng)模擬典型工作工況，并對(duì)設(shè)備的正常和故障條件下的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，并與實(shí)際情況進(jìn)行比對(duì)，可對(duì)本項(xiàng)目研究搭建的基于現(xiàn)代信息處理技術(shù)的健康狀態(tài)智能診斷和管理平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的基于高速攝影與激光掃描的艦船裝備健康監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)應(yīng)用策略，瞄準(zhǔn)了當(dāng)今世界大型復(fù)雜裝備狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)前沿，研究確立的基于高速攝影測(cè)量的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法、三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的微裂紋識(shí)別追蹤方法、復(fù)雜裝備系統(tǒng)服役狀態(tài)評(píng)估模型、基于現(xiàn)代信息處理技術(shù)的健康狀態(tài)智能診斷和管理平臺(tái)等是對(duì)當(dāng)前大型復(fù)雜裝備狀態(tài)評(píng)估和健康診斷技術(shù)理論應(yīng)用的創(chuàng)新，所設(shè)計(jì)的高速攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)、三維激光掃描誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)、復(fù)雜裝備系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)等一套完整的工程應(yīng)用試驗(yàn)方案是對(duì)當(dāng)前大型復(fù)雜裝備狀態(tài)評(píng)估和健康診斷技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的創(chuàng)新。該策略方法和手段可以實(shí)現(xiàn)非接觸、智能化在線無(wú)損檢測(cè)，是大型復(fù)雜裝備維修保障理念上的一種的變革，必將有效提高對(duì)艦船裝備健康檢測(cè)與管理效益，同時(shí)也可為軍地其他大型復(fù)雜裝備健康檢測(cè)與管理提供借鑒。

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Health Monitoring and Management Technology of Artillery Equipment Based on High Speed Photography and Laser Scanning

Xiang Taobo, Chen Yuanjiang, Liu Chongfa, Luo Liang, Yang Jiemin

(Ordnance NCO academy, Army Engineering University, Wuhan 430075, China)

TP277

A

1003-4862（2019）07-0058-04

2019-01-23

向濤波（1981-），男，講師。研究方向：履帶式底盤維修，裝備管理。E-mail: hblchf@139.com