Experimental investigation of laser information-measurement systems for estimation of the aircraft surface

Full Text

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.

About the authors

Nadezhda A Sazonnikova

Samara State Technical University

Email: nasazonnikova@yandex.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References