Экспериментальное исследование эффективности лазерных информационно-измерительных систем для оценки состояния поверхностей летательных аппаратов



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Проведены экспериментальные исследования по определению отражательных характеристик поверхностей изделий аэрокосмической техники. Исследован характер поведения коэффициента отражения при импульсно-периодическом воздействии с различной величиной интенсивности. При проведении исследования влияния параметров зондирующего лазерного излучения на вероятность обнаружения и распознавания использовался стенд лазерной локации. Получены зависимости контрастности изображения от угла падения излучения, длины волны и скважности импульсов. Проведена экспериментальная оценка влияния длины волны излучения на вероятность обнаружения объектов при лазерной локации.

Полный текст

Введение В настоящее время находят широкое применение оптические методы контроля качества изделий машиностроения и массового производства благодаря их бесконтактности, высокой информативности, быстродействию, возможности работы в реальном масштабе времени. Лазерные диагностические системы применяются в России и за рубежом для контроля качества изделий машиностроения, авиационной и космической техники, автомобилестроения, приборостроения, для выявления повреждений нефте- и газопроводов и скважин [1 – 7]. Лидерство в области лазерной дефектоскопии принадлежит ученым Европы и США. Зарубежные дефектоскопические системы обеспечивают разрешающую способность на уровне 10 мкм [1]. Отечественные лазерные дефектоскопические системы не обеспечивают требуемой вероятности обнаружения и распознавания дефектов поверхностного слоя изделий авиационной и космической техники, а также не имеют возможности адаптации к условиям проведения контроля. С целью дальнейшего повышения эффективности лазерных информационно-измерительных систем для оценки состояния поверхностей конструкционных материалов требуется оценить влияние параметров зондирующего лазерного излучения на вероятность обнаружения и распознавания элементов поверхности и внешней компоновки летательных аппаратов и элементов конструкции газотурбинных двигателей [8 – 10]. В силу сложности аналитического расчета зависимости величины регистрируемого сигнала и вероятностей обнаружения и распознавания объектов при дистанционном зондировании с использованием лазерных информационно-измерительных систем актуальными являются методы численного и физического моделирования данных процессов [6]. Экспериментальные исследования влияния параметров лазерного излучения на контрастность изображений При проведении исследования влияния параметров зондирующего лазерного излучения на вероятность обнаружения и распознавания использовался стенд лазерной локации (рис. 1). Р и с. 1. Испытательный стенд лазерной локации: 1 – ПЭВМ; 2 – блок управления приводов модели; 3 – узел крепления стенда; 4 – рама крепления приводов; 5 – привод с датчиками углового поворота; 6 – модель цели; 7 – первый имитатор источника света; 8 – полупрозрачное зеркало; 9 – линза; 10 – фотоприемник; 11 – фоторегистратор; 12 – блок обработки информации; 13 – второй имитатор источника света; 14 – лазер; 15 – формирователь зондирующего пучка; 16 – телекамера Он включает в свой состав механическую систему углового сопровождения и устройства оптической визуализации и необходим для решения следующих задач: проведение анализа уровня освещенности участков элемента конструкции, исследование оптических свойств поверхностей и распределения освещенности в зондирующем пучке освещения, определение координат энергетического центра освещенности изделия при заданном уровне фона, определение вектора перемещения энергетического центра освещенности при изменении положения изделия в пространстве, определение оптических свойств материалов (коэффициент отражения и индикатриса отражения) при заданных температурах. Для осуществления физического моделирования процесса дистанционного зондирования поверхностей летательных аппаратов необходимо соблюдать принцип дифракционного подобия полей, рассеянных реальным объектом и его масштабной моделью в дальней зоне [6]. Испытательный стенд обеспечивает идентичность углов облучения и приема по сравнению с реальной измерительной системой. Используемые модели цели должны подробно воспроизводить в масштабе копии объект локации и имитировать характеристики рассеяния его покрытий. Для создания зондирующего пучка освещения модели служат лазеры с рабочими длинами волн излучения в диапазоне 0,56 – 1,06 мкм. Зондирующий поток лазерного излучения располагался под углами φ = 30°…45°, β = 0…30° (φ – угол между вертикальной плоскостью и направлением зондирующего потока лазерного излучения; β – угол между горизонтальной плоскостью и потоком лазерного излучения). Использовалось импульсное лазерное излучение со скважностью в диапазоне 2…4 и длиной волны излучения 0,56…1,06 мкм (сква́жность – отношение периода следования (повторения) импульсов одной последовательности к их длительности). Для анализа полученных изображений был применен стандартный пакет программ MATLAB 7.5 (пакет Image Processing Toolbox). На рис. 2 приведены примеры полученных гистограмм. На гистограммах показано число пикселов с различным уровнем интенсивности в диапазоне 0…250 Вт/м2. а б Р и с. 2. Примеры гистограмм обработки изображений: а – гистограмма для изображения 1; б – гистограмма для изображения 2 По результатам анализа гистограмм распределения интенсивности в изображениях рассчитывалась величина контрастности изображения по зависимости , (1) где Imax – максимальное значение интенсивности в изображении; Nmax – число пикселов с интенсивностью Imax; Imin – минимальное значение интенсивности в изображении; Nmin – число пикселов с интенсивностью Imin. Построены зависимости контрастности изображения от угла падения излучения, длины волны излучения и скважности импульсов (рис. 3, 4). Р и с. 3. Зависимости контрастности изображений от угла падения излучения и скважности импульсов Р и с. 4. Зависимости контрастности изображений от длины волны и скважности импульсов Полученные зависимости показывают, что с ростом угла падения излучения в диапазоне 30…45 при скважности, равной 6, контрастность возрастает в 1,5 раза, а при скважности, равной 2, – в 2 раза. С ростом длины волны с 0,56 мкм до 0,63 мкм сначала происходит снижение контрастности на 10…15 %, а затем ее рост на 15…20 %. Проведена экспериментальная оценка влияния длины волны излучения на вероятность обнаружения объектов при лазерной локации. Коэффициент правдоподобия лазерной локации Р определяется как отношение площади видимого изображения, ограниченной распределением плотности мощности отраженного сигнала, к общей величине площади его изображения. Построена зависимость коэффициента правдоподобия Р от безразмерного параметра , где В1 – диаметр зондирующего потока лазерного излучения. На рис. 5 приводятся сравнительные зависимости величины Р для фотометрических моделей космических аппаратов в зависимости от безразмерного параметра К1 с учетом изменяемой длины волны λ, частоты генерации ν и величины скважности импульса излучения Λ. Заметим, что величина коэффициента правдоподобия обнаружения объекта Р зависит от его конструкции при неизменном составе группы материалов внешней компоновки. Состав группы материалов внешней компоновки: теплоизоляционная капроновая ткань; пластины с покрытием на основе диоксида циркония; алюминиевые сплавы после химполирования; пластины радиационных элементов из арсенида галлия. В данных условиях проведения исследований модель космического аппарата Ikonos (США) имеет большую вероятность обнаружения (оптическая ось зондирующего пучка перпендикулярна строительной оси объекта). Р и с. 5. Зависимость коэффициента правдоподобия лазерной локации от безразмерного параметра K1 для моделей различных космических аппаратов: 1 – верхняя граница области обнаружения: частота генерации – 30 Гц, скважность импульса 1/5; 2 – нижняя граница области обнаружения: непрерывный режим генерации Заключение Таким образом, в данной работе проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента отражения в зависимости от длины волны, угла падения и скважности импульсно-периодического излучения. С использованием разработанного стенда лазерной локации получены зависимости контрастности изображения от длины волны, угла падения излучения и скважности импульсов. Показано, что с ростом длины волны в диапазоне 0,56…1,06 мкм и угла падения излучения в диапазоне 30…45º контрастность изображений возрастает. С увеличением скважности импульсов с 2 до 6 контрастность изображений снижается. Коэффициент правдоподобия обнаружения объекта зависит от его конструкции при неизменном составе группы материалов внешней компоновки.
×

Об авторах

Надежда Александровна Сазонникова

Самарский государственный технический университет

Email: nasazonnikova@yandex.ru
(к.т.н.), доцент кафедры «Сертификация энергонасыщенных производств» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

  1. Валентюк А.Н. Оптическое изображение при дистанционном наблюдении / А.Н. Валентюк, К.Г. Предко // Институт физики имени Б.И. Степанова АН БССР. – Минск: Навука i тэхнiка, 1991. – 358 с.
  2. Butler M.A. Laser surface profiler / M.A. Butler, An-Shyang Chu // Optics Letters, 1999, Vol.24, No.7, P.457-459.
  3. Лебедько Е.Г., Нгуен Ву Тунг. Анализ рельефа поверхности при моноимпульсной лазерной локации / Е.Г. Лебедько, Нгуен Ву Тунг // Сборник трудов конференции «Лазеры, измерения, информация 2005». – СПб: СПбГТУ, 2005. – С. 36.
  4. Смирнова Ю.Л. Лазерная дальномерная станция как составная часть аэрокосмической системы / Ю.Л. Смирнова // Аэрокосмические технологии: материалы Первой международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея. – М., 2004. – С. 38-42.
  5. Белов М.Л. Рассеяние лазерного излучения на неровной поверхности со сложной локальной индикатриссой отражения в турбулентной атмосфере / М.Л. Белов, В.И. Козинцев, Б.В. Стрелков // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. – М., 2007. – № 1. – С. 63-73.
  6. Математическое и физическое моделирование переходных характеристик 3D-объектов в однопозиционной системе оптической локации / Л.В. Лабунец // Радиотехника и электроника, 2002. Т. 47, № 3. – С. 308-321.
  7. Кеткович А.А. Лазерная компьютерная система контроля лопаток газотурбинных двигателей ПКПЛ-1 / А.А. Кеткович, Н.И. Яковлева, Б.А. Чичигин // Контроль. Диагностика. Машиностроение. – 2007. – № 3. – М.: Машиностроение. – С. 32-34.
  8. Сазонникова Н.А. Исследование переотражения излучения в элементах поверхности / Н.А. Сазонникова // Компьютерная оптика. – 2002. – Вып. 22. – М.: МЦНТИ. – С. 23-28.
  9. Сазонникова Н.А. Повышение эффективности обнаружения при лазерном зондировании поверхности / Н.А Сазонникова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2009. – № 3(19). – С. 219-226.
  10. Мордасов В.И. Использование лазерной подсветки для обнаружения подвижных объектов / В.И. Мордасов, Н.А. Сазонникова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2006. – № 2 (10). Ч. 2.  С. 27-31.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Сазонникова Н.А., 2013

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.