一种多损伤特征重构的空间碎片防护构型损伤评估方法技术

本发明专利技术公开了一种多损伤特征提取的超高速撞击损伤检测方法，通过建立多稀疏模型，并运用独立成分分析重构待检测试件表面及亚表面的损伤信息；之后，通过图像平滑和分割算法去除图像中与损伤无关的信息；最终通过图像融合算法实现对于损伤情况的准确描述。本发明专利技术将数学模型与超高速撞击损伤特性结合在一起，提出新的损伤检测模型。不仅能够重构表面损伤，同时能够重构待检测试件的亚表面的损伤情况；本发明专利技术提出了对于超高速撞击损伤检测的整体算法框架，其中包括：碎片云图像的处理；表面损伤和亚表面损伤信息的重构；平滑和分割来去除非损伤噪声；图像融合实现损伤的可视化准确描述。

A damage evaluation method of space debris protection configuration based on multi damage feature reconstruction

【技术实现步骤摘要】
一种多损伤特征重构的空间碎片防护构型损伤评估方法
本专利技术属于航天器空间碎片撞击防护
，更为具体的讲，涉及一种针对空间碎片超高速撞击防护结构缓冲屏产生的二次碎片云及其对后墙损伤状态的综合评估方法。
技术介绍
微流星体和地球轨道垃圾等空间碎片的超高速撞击是导致在轨航天器表面物理损伤的主要原因之一，空间碎片超高速撞击速度通常达到每秒几公里甚至几十公里。对于质量较大的空间碎片国际上统一进行编目和跟踪预警以实现航天器在轨调整规避，然而对于厘米级以下的空间碎片则需要有效的被动防护手段。因此，暴露于空间碎片环境中的各类航天器必须进行空间碎片防护设计以及地面超高速撞击防护性能考核评估。经典的空间碎片Whipple防护构型由具有间隔的两层铝合金薄板组成，其中前板(也称为缓冲屏)主要作用是在超高速初始撞击过程中对空间碎片进行有效地破碎而产生二次碎片云，通过碎片云的动能分散作用而显著减少对防护结构后板(也称为后墙)的损伤。基于上述基本防护原理，国内外开发出了很多用于空间碎片防护构型的新型缓冲屏材料，以增强缓冲屏对超高速空间碎片的破碎能力，从而提高防护构型的空间碎片防护能力。为了评价这些新型缓冲屏材料的空间碎片超高速撞击防护能力，需要结合碎片云结构特征(既缓冲屏对弹丸的破碎形态)及其对后墙损伤状态进行综合评价。由于碎片云特殊的结构特征造成了后墙会出现多种不同的损伤模式，既包括表面可见的撞击坑、穿孔等，也包括表面不可见的内部层裂、背面剥落等损伤模式，它们可能同时存在也可能部分存在，因此对其进行损伤评价具有很大难度。目前针对航天器防护结构的不同缓冲屏材料防护性能进行评估，主要是依靠多次超高速撞击试验以测得防护结构后墙发生可见穿孔损伤时的临界弹丸直径。上述损伤评价方法需要开展不同撞击参数下的大量超高速撞击试验，不仅试验测试成本较高，而且受人为主观因素影响较大。更为关键的是，上述损伤评估方法仅仅依靠观察后墙是否发生穿孔损伤，忽略了其它的碎片云撞击后墙损伤特征，没有将后墙的类型损伤、损伤程度与碎片云特征结合起来，从而也无法对不同缓冲屏材料的空间碎片超高速撞击损伤进行准确评估，因此需要发展针对碎片云超高速撞击损伤的具有较高可视化和自动化程度的综合评估技术。为此，本专利技术基于均值漂移算法对碎片云图像进行处理，基于模糊C均值(FCM)和独立成分分析(ICA)提取碎片云撞击后墙的多类型损伤特征图像，结合碎片云结构特征与后墙多损伤融合图像综合评估不同缓冲屏材料防护构型的超高速撞击损伤行为。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有防护构型性能评估技术的不足，提出一种基于碎片云结构特征及其对后墙损伤图像的超高速撞击损伤评估方法，具有合理性强，结果更加准确，可视化效果好等优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，包括以下步骤：步骤一、将待评估缓冲屏材料前板与航天用铝合金后墙板组成Whipple防护构型；利用超高速弹道靶设备发射铝合金弹丸超高速撞击Whipple防护构型，用于模拟空间碎片超高速撞击防护构型过程，铝合金弹丸直径与缓冲屏厚度基本相当；步骤二、利用多站光电探测器测得铝合金弹丸撞击速度，利用超高速序列激光阴影成像设备记录铝合金弹丸超高速撞击缓冲屏产生的二次碎片云阴影图像序列；同时获取碎片云撞击后墙的损伤样品；步骤三、通过均值漂移算法对碎片云序列激光阴影图像进行平滑和分割，以消除噪声干扰，提取碎片云主要特征信息；步骤四、通过对后墙损伤样品进行主动加热，并利用红外热像仪获取后墙损伤的红外热图像序列，通过建立多稀疏模型，并运用独立成分分析重构后墙损伤样品表面及亚表面的损伤信息，通过图像平滑和分割算法去除图像中与损伤无关的信息；最终通过图像融合算法实现对于损伤情况的准确描述。优选的是，所述步骤一中，缓冲屏厚度与铝合金后墙厚度为毫米级。优选的是，所述步骤三中，通过均值漂移算法对碎片云序列激光阴影图像进行平滑和分割的过程包括以下步骤：步骤Ⅰ、k＝1时，将碎片云图像通过S＝(ss,sc)表示，其中ss表示像素点的空域二维坐标信息，sc表示像素点值域的颜色信息；初始化空间窗口大小hs和颜色窗口大小hc，其二者表示邻域的大小；终止条件ε；i＝1,2,...,K，K表示像素点数目；初始化区域最小像素点数M；步骤Ⅱ、更新每个像素点的幅值：其中表示核函数，C为归一化常数；步骤Ⅲ、当时，使得Z中包含平滑后图像的空间信息及颜色信息；否则k＝k+1，返回步骤Ⅱ；步骤Ⅳ、将满足的像素点合并在一起，其中，Z＝(zs,zc)；并对其进行编号使得像素点被分为Q类，其中每一类的编号为Cq，q＝1,2,...,Q；统计每一类中像素点个数为如果则将其与邻域合并，最终得到Q'类像素点；求取每一类像素点幅值的均值作为该区域中每个像素点的幅值，即：表示分割后所得图像的第i个像素点幅值。优选的是，所述步骤四包括以下过程：步骤1、将碎片云撞击后墙得到的损伤样品进行主动激励加热，利用红外热像仪记录后墙损伤样品的红外热图像视频流；将待检测视频流通过矩阵块表示，其中NI×NJ表示空间信息，NT表示时间信息；通过向量算子Vec将矩阵块转换为二维矩阵NIJ＝NI×NJ；即：S＝[Vec(S′(1))，...，Vec(S′(NT))]，为了重构不同的损伤信息，将视频流写为：其中表示表面损伤，亚表面损伤和非损伤区域的主要特征，XF(tF)，XB(tB)，XN(tN)表示特征矩阵的行向量，和分别表示不同区域的混合系数矩阵；λF(tF)，λB(tB)，λN(tN)表示列向量；步骤2、为了重构表面损伤特征XF和亚表面损伤特征XB；采用以下过程：2.1、采用奇异值分解将视频流S分解为：ST＝U∑VT，其中为左奇异矩阵，为奇异值矩阵，为右奇异矩阵；其中，通过计算SSTvi＝λivi得到vi表示右奇异向量，表示奇异值，表示左奇异向量；在奇异值矩阵∑中，前NC个主要奇异值信息代表了损伤试件的整体信息，根据经验阈值的选取，奇异值满足aF＜δ时的个特征信息表示表面损伤特征，奇异值满足aB＜δ＜aF时的个特征信息表示亚表面损伤特征，奇异值满足aN＜δ＜aB时的个特征信息表示非损伤区域特征，其中aN,aB,aF是正整数；因此视频流可以被表示为ST≈U'∑'V'T；表示分类后的不同区域的主要信息集合，而表示将其从时域转换到空域；2.2、计算白化矩阵W和混合系数矩阵λ：之后重构损伤的主要信息矩阵可以表示为：X＝W×S；然后，通过牛顿迭代法消除重构损伤特征之间的相关性：w*＝E{xg(wTx)}-E{xg(wTx)}w，其中，x是X的行向量，w为W的行向量，g(·)是对比度函数G的导数；则得到新的损伤特征信息矩阵：X*＝W*×S；其中X*矩阵中包括行的表面损伤特征XF，行的亚表面损伤特征XB和行的非损伤区域特征XN；2.3、将损伤特征矩阵中，表示相应损伤特征的行向量用图像进行特征描述；根据损伤特征的行向量特征分布情况，可以得到张表面损伤信息重构图像张亚表面损伤信息重构图像以及张背景重构图像步骤3、其包括以下过程：3.1、k＝0，用F表示图像SF或SB；初始化像素点类别数M，M≥2；聚类中心D＝(d1,d2,...,dM)；隶属度矩阵U；终止条件ε；计算目标函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将待评估缓冲屏材料前板与航天用铝合金后墙板组成Whipple防护构型；利用超高速弹道靶设备发射铝合金弹丸超高速撞击Whipple防护构型，用于模拟空间碎片超高速撞击防护构型过程，铝合金弹丸直径与缓冲屏厚度基本相当；步骤二、利用多站光电探测器测得铝合金弹丸撞击速度，利用超高速序列激光阴影成像设备记录铝合金弹丸超高速撞击缓冲屏产生的二次碎片云阴影图像序列；同时获取碎片云撞击后墙的损伤样品；步骤三、通过均值漂移算法对碎片云序列激光阴影图像进行平滑和分割，以消除噪声干扰，提取碎片云主要特征信息；步骤四、通过对后墙损伤样品进行主动加热，并利用红外热像仪获取后墙损伤的红外热图像序列，通过建立多稀疏模型，并运用独立成分分析重构后墙损伤样品表面及亚表面的损伤信息，通过图像平滑和分割算法去除图像中与损伤无关的信息；最终通过图像融合算法实现对于损伤情况的准确描述。

【技术特征摘要】
1.一种多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将待评估缓冲屏材料前板与航天用铝合金后墙板组成Whipple防护构型；利用超高速弹道靶设备发射铝合金弹丸超高速撞击Whipple防护构型，用于模拟空间碎片超高速撞击防护构型过程，铝合金弹丸直径与缓冲屏厚度基本相当；步骤二、利用多站光电探测器测得铝合金弹丸撞击速度，利用超高速序列激光阴影成像设备记录铝合金弹丸超高速撞击缓冲屏产生的二次碎片云阴影图像序列；同时获取碎片云撞击后墙的损伤样品；步骤三、通过均值漂移算法对碎片云序列激光阴影图像进行平滑和分割，以消除噪声干扰，提取碎片云主要特征信息；步骤四、通过对后墙损伤样品进行主动加热，并利用红外热像仪获取后墙损伤的红外热图像序列，通过建立多稀疏模型，并运用独立成分分析重构后墙损伤样品表面及亚表面的损伤信息，通过图像平滑和分割算法去除图像中与损伤无关的信息；最终通过图像融合算法实现对于损伤情况的准确描述。2.如权利要求1所述的多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，所述步骤一中，缓冲屏厚度与铝合金后墙厚度为毫米级。3.如权利要求1所述的多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，所述步骤三中，通过均值漂移算法对碎片云序列激光阴影图像进行平滑和分割的过程包括以下步骤：步骤Ⅰ、k＝1时，将碎片云图像通过S＝(ss,sc)表示，其中ss表示像素点的空域二维坐标信息，sc表示像素点值域的颜色信息；初始化空间窗口大小hs和颜色窗口大小hc，其二者表示邻域的大小；终止条件ε；K表示像素点数目；初始化区域最小像素点数M；步骤Ⅱ、更新每个像素点的幅值：其中表示核函数，C为归一化常数；步骤Ⅲ、当时，使得Z中包含平滑后图像的空间信息及颜色信息；否则k＝k+1，返回步骤Ⅱ；步骤Ⅳ、将满足的像素点合并在一起，其中，Z＝(zs,zc)；并对其进行编号使得像素点被分为Q类，其中每一类的编号为Cq，q＝1,2,...,Q；统计每一类中像素点个数为如果则将其与邻域合并，最终得到Q'类像素点；求取每一类像素点幅值的均值作为该区域中每个像素点的幅值，即：表示分割后所得图像的第i个像素点幅值。4.如权利要求1所述的多损伤特征重构的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，所述步骤四包括以下过程：步骤1、将碎片云撞击后墙得到的损伤样品进行主动激励加热，利用红外热像仪记录后墙损伤样品的红外热图像视频流；将待检测视频流通过矩阵块表示，其中NI×NJ表示空间信息，NT表示时间信息；通过向量算子Ve将矩阵块转换为二维矩阵NIJ＝NI×NJ；即：S＝[Vec(S′(l))，...，Vec(S′(NT))]，为了重构不同的损伤信息，将视频流写为：其中表示表面损伤，亚表面损伤和非损伤区域的主要特征，XF(tF)，XB(tB)，XN(tN)表示特征矩阵的行向量，和分别表示不同区域的混合系数矩阵；λF(tF)，λB(tB)，λN(tN)表示列向量；步骤2、为了重构表面损伤特征XF...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄雪刚，殷春，张昊楠，李毅，石安华，姜林，文雪忠，巩德兴，陈晓辉，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51