基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法及系统，涉及冲击波测量领域。基于冲击波在空气中传播时波阵面造成的光的折射现象，利用无人机高速摄影对地面爆炸过程进行高速摄影，采用图像差值算法和边缘识别算法确定每帧冲击波图像的波阵面，获得波阵面在空气中的传播速度，实现对冲击波波阵面的分析和测量，进而获得冲击波自由场超压。进而获得冲击波自由场超压。进而获得冲击波自由场超压。

【技术实现步骤摘要】
基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及冲击波测量领域，特别是涉及一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法及系统。

技术介绍

[0002]爆炸物在爆炸的瞬间产生高速高压，形成冲击波，冲击波比正常大气压大若干倍。物理爆炸产生的冲击波从爆炸源(声源)以声能的形式在空气介质中传播时，是一种以爆心为中心的一系列球面波，其所到之处会导致空气的压强、密度等物理性质发生突跃式改变，空气介质原始状态和扰动状态的交界面就是冲击波波阵面。在冲击波波阵面位置的空气折射率会发生明显变化，如图1所示。
[0003]多数情况下，冲击波的毁伤作用是由冲击波波阵面上的超压引起的。物理爆炸的超压可达数个或数十个大气压。因此，物理爆炸冲击波的峰值超压是衡量物理爆炸毁伤作用的重要指标之一。目前，对冲击波超压的测试测量常用方法是利用高灵敏度的传感器接受物理爆炸产生的压力信号，经数据采集器数字化后记录并分析处理。这种方法需要在测试中部署大量的传感器，测试中冲击波也会对传感器及其连接线缆造成损害。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法及系统，可通过无人机摄影方式实现冲击波波阵面的分析和测量。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，包括：
[0007]在爆炸试验现场设置标定物；
[0008]将无人机悬停在空中，并使搭载在无人机上的高速摄影机按照预设拍摄帧率对准爆炸试验现场；
[0009]利用所述高速摄影机从空中连续采集爆炸试验现场爆炸产生的冲击波图像，形成反映波阵面在空气中传播过程的冲击波图像序列；所述冲击波图像上拍摄有所述标定物；
[0010]采用图像差值算法和边缘识别算法分别确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，并取两个初始波阵面的交集为每帧冲击波图像的波阵面；
[0011]根据所述波阵面的位置、所述标定物和所述预设拍摄帧率，确定每帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度；
[0012]根据所述波阵面传播速度，获得各时刻波阵面位置超压，作为各时刻冲击波在空气中传播的自由场超压。
[0013]可选的，所述将无人机悬停在空中，并使搭载在无人机上的高速摄影机按照预设拍摄帧率对准爆炸试验现场，具体包括：
[0014]调整在无人机上搭载的高速摄影机的焦距、光圈、曝光时间、拍摄帧率、拍摄时间和触发方式；
[0015]按照拍摄方位，调整无人机在空中的位置；
[0016]调整无人机上搭载的云台，使高速摄影机对准试验现场。
[0017]可选的，采用图像差值算法确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，具体包括：
[0018]将第n
‑
2帧、第n帧和第n+2帧冲击波图像中任意两帧图像上各像素点的像素值相减，获得第n
‑
2帧与第n帧的第一差值图像、第n帧与第n+2帧的第二差值图像以及第n
‑
2帧与第n+2帧的第三差值图像；其中，n为大于2的正整数；
[0019]将第一差值图、第二差值图像和第三差值图像中大于等于像素阈值的像素值赋值为1，小于像素阈值的像素值赋值为0，获得第一二值化差值图像、第二二值化差值图像以及第三二值化差值图像；
[0020]选取第一二值化差值图像和第二二值化差值图像上像素值均为1，且第三二值化差值图像上像素值为0的像素点，并将所有选取的像素点构成初始波阵面。
[0021]可选的，采用边缘识别算法确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，具体包括：
[0022]对第n
‑
2帧、第n帧和第n+2帧冲击波图像分别采用边缘提取算子进行边缘提取，获得第n
‑
2帧边缘图像、第n帧边缘图像和第n+2帧边缘图像；
[0023]在同一位置处比较第n帧边缘图像、第n
‑
2帧边缘图像和第n+2帧边缘图像，并将第n帧边缘图像中与第n
‑
2帧边缘图像、第n+2帧边缘图像均不同的位置构成初始波阵面。
[0024]可选的，根据所述波阵面的位置、所述标定物和所述预设拍摄帧率，确定每帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度，具体包括：
[0025]确定每帧冲击波图像上波阵面到爆心的像素欧氏距离L
n
；
[0026]测量每帧冲击波图像上标定物的长度l；
[0027]根据所述像素欧氏距离和标定物的长度，利用公式计算每帧冲击波图像上波阵面到爆心的实际距离R
n
；式中，H为标定物的实际高度；
[0028]依据公式计算每帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度；式中，Vel
n
为第n帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度，R
n
‑2和R
n+2
分别为第n
‑
2帧和第n+2帧冲击波图像上波阵面到爆心的实际距离，Fps为拍摄帧率。
[0029]可选的，各时刻波阵面位置超压的计算公式为
[0030][0031]式中，ΔP
n
为第n帧冲击波图像对应时刻的波阵面位置超压，c为标准大气压下声速，P
atm
为标准大气压。
[0032]可选的，采用图像差值算法和边缘识别算法分别确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，并取两个初始波阵面的交集为每帧冲击波图像的波阵面，之后还包括：
[0033]对每帧冲击波图像的波阵面进行视觉增强，并组合各帧视觉增强后的冲击波图像，获得波阵面传播过程的影像。
[0034]可选的，根据所述波阵面传播速度，获得各时刻波阵面位置超压，作为各时刻冲击波在空气中传播的自由场超压，之后还包括：
[0035]比较各时刻波阵面位置超压与压力传感器测量的超压；
[0036]若各时刻波阵面位置超压与压力传感器测量的超压的差值大于阈值，则确定压力传感器测量的超压为异常超压值；
[0037]通过所述冲击波图像序列对异常超压值所在测点进行分析，确定异常超压值形成的原因。
[0038]一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量系统，包括：标定物、无人机、高速摄影机和上位机；
[0039]标定物设置在爆炸试验现场；高速摄影机搭载在无人机上；
[0040]所述无人机用于搭载高速摄影机从空中按照预设拍摄帧率连续采集爆炸过程的冲击波图像；所述冲击波图像上拍摄有所述标定物；
[0041]所述上位机用于根据连续采集的冲击波图像、所述标定物和所述预设拍摄帧率，确定爆炸过程中各时刻的波阵面传播速度和波阵面位置超压。
[0042]可选的，所述上位机包括：
[0043]波阵面确定模块，用于采用图像差值算法和边缘识别算法分别确定每帧冲击波图像的初始波阵面，并取两个初始波阵面的交集为每帧冲击波图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，其特征在于，包括：在爆炸试验现场设置标定物；将无人机悬停在空中，并使搭载在无人机上的高速摄影机按照预设拍摄帧率对准爆炸试验现场；利用所述高速摄影机从空中连续采集爆炸试验现场爆炸产生的冲击波图像，形成反映波阵面在空气中传播过程的冲击波图像序列；所述冲击波图像上拍摄有所述标定物；采用图像差值算法和边缘识别算法分别确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，并取两个初始波阵面的交集为每帧冲击波图像的波阵面；根据所述波阵面的位置、所述标定物和所述预设拍摄帧率，确定每帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度；根据所述波阵面传播速度，获得各时刻波阵面位置超压，作为各时刻冲击波在空气中传播的自由场超压。2.根据权利要求1所述的基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，其特征在于，所述将无人机悬停在空中，并使搭载在无人机上的高速摄影机按照预设拍摄帧率对准爆炸试验现场，具体包括：调整在无人机上搭载的高速摄影机的焦距、光圈、曝光时间、拍摄帧率、拍摄时间和触发方式；按照拍摄方位，调整无人机在空中的位置；调整无人机上搭载的云台，使高速摄影机对准试验现场。3.根据权利要求1所述的基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，其特征在于，采用图像差值算法确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，具体包括：将第n
‑
2帧、第n帧和第n+2帧冲击波图像中任意两帧图像上各像素点的像素值相减，获得第n
‑
2帧与第n帧的第一差值图像、第n帧与第n+2帧的第二差值图像以及第n
‑
2帧与第n+2帧的第三差值图像；其中，n为大于2的正整数；将第一差值图、第二差值图像和第三差值图像中大于等于像素阈值的像素值赋值为1，小于像素阈值的像素值赋值为0，获得第一二值化差值图像、第二二值化差值图像以及第三二值化差值图像；选取第一二值化差值图像和第二二值化差值图像上像素值均为1，且第三二值化差值图像上像素值为0的像素点，并将所有选取的像素点构成初始波阵面。4.根据权利要求1所述的基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，其特征在于，采用边缘识别算法确定冲击波图像序列中每帧冲击波图像的初始波阵面，具体包括：对第n
‑
2帧、第n帧和第n+2帧冲击波图像分别采用边缘提取算子进行边缘提取，获得第n
‑
2帧边缘图像、第n帧边缘图像和第n+2帧边缘图像；在同一位置处比较第n帧边缘图像、第n
‑
2帧边缘图像和第n+2帧边缘图像，并将第n帧边缘图像中与第n
‑
2帧边缘图像、第n+2帧边缘图像均不同的位置构成初始波阵面。5.根据权利要求1所述的基于无人机高速摄影的冲击波自由场超压测量方法，其特征在于，根据所述波阵面的位置、所述标定物和所述预设拍摄帧率，确定每帧冲击波图像对应时刻的波阵面传播速度，具体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海鹏，彭庭睿，刘彦，关慧元，张璐，安骋远，王璐，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：