一种空间再入充气结构非线性模态光学测量系统及方法与流程

本发明属于振动力学领域，涉及一种空间再入充气结构非线性模态光学测量系统及方法。

背景技术：

空间再入充气结构是一种集成了热防护、气动减速、着陆缓冲及水上漂浮等功能的新型航天器。该结构还可应用于空间站及科学试验卫星试验品和货物的快速下行、返回且能为深空探测器安全着陆提供帮助。

由于空间再入充气结构的动力学特性与充气压强关系密切，因此对空间再入充气结构的模态特性与充气压力之间的关系进行探究是非常必要的。目前国内在柔性结构非线性模态测量方面的研究成果几乎没有。传统的结构模态特性测量，通常使用加速度传感器进行非接触式的测量。该种测量方法测量成本高，装置复杂，且容易对待测结构的结构特性带来干扰。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种空间再入充气结构非线性光学测量系统及方法，解决了现有技术采用接触式测量方案的不足。通过在空间再入充气结构上布置散斑，利用已标定的高速成像仪对空间再入充气结构模态振动的过程进行图像采集，结合标定得到的相机参数再对图像数据处理得到每一时刻空间再入充气结构上散斑所在位置处的离面位移和速度，再通过傅里叶变换得到空间再入充气结构的非线性模态参数。

本发明通过如下技术方案实现：一种空间再入充气结构非线性模态光学测量系统，包括：标定模块、成像模块、标定板、数据处理模块、同步触发模块；

成像模块：对空间再入充气结构模态振动过程进行成像，获得待测空间再入充气结构的模态振动过程成像结果，将待测空间再入充气结构的模态振动过程成像结果传输给数据处理模块；对标定板进行成像获得标定成像结果，将所述的标定成像结果传输给标定模块；

标定模块：接收标定成像结果，标定成像模块中高速成像仪的内方位元素、外方位元素和像差系数，将所述标定完成的内方位元素、外方位元素以及像差系数传输给数据处理模块；

数据处理模块：接收所述成像模块传输的待测空间再入充气结构的模态振动过程成像结果，以及接收的所述标定模块传输的所述标定完成的内方位元素、外方位元素和像差系数，解算空间再入充气结构在模态振动过程中的离面运动位移、速度；再对所述离面运动位移、速度进行傅里叶变换得到空间再入充气结构的非线性模态参数。

所述成像模块包括两台及以上用于对空间再入充气结构模态振动过程成像的高速成像仪；所述相邻两台高速成像仪的摆放位置满足使两台高速成像仪对待测空间再入充气结构的振动过程成像时，任意两台高速成像仪光轴的夹角取值范围为15°—60°。

所述标定板在高速成像仪成像时占据像面的80％以上且成像清晰。

还包括同步触发模块；所述同步触发模块用于使所述高速成像仪对待测空间再入充气结构模态振动过程同步成像。

还包括led光源；所述led光源摆放在空间再入充气结构试验件周围，使成像时光线均匀，不会引起由于光线过暗，导致光圈增大，景深减小。

所述待测空间再入充气结构的非线性模态参数包括敲击模态、一阶模态、二阶模态、三阶模态。

一种利用上述空间再入充气结构非线性模态光学测量系统进行空间再入充气结构非线性模态测量的方法，包括步骤如下：

1)标定成像模块标定得到的标定成像结果的内方位元素、外方位元素及像差系数；

2)使用成像模块对待测空间再入充气结构模态振动过程进行成像，获得待测空间再入充气结构的模态振动过程成像数据；

3)根据所述步骤1)确定的所述内方位元素、外方位元素和像差系数以及所述步骤2)确定的所述成像数据，解算所述空间再入充气结构的非线性模态参数。

所述步骤1)标定成像模块标定得到的标定成像结果的内方位元素、外方位元素和像差系数的方法，具体为：

将参数已知的标定板放置在高速成像仪的视场内，控制标定板做微小晃动；利用高速成像仪对参数已知的标定板成30-50张图像，标定所述成像模块的内方位元素、外方位元素及像差系数。

所述步骤3)解算所述空间再入充气结构的非线性模态参数的方法具体为：

31)在待测空间探测器上布置散斑；

32)根据所述成像模块的内方位元素、外方位元素和所述成像数据，确定所述空间再入充气结构上散斑所在位置模态振动过程中的离面位移和速度值；

33)对步骤32)确定的所述空间再入充气结构上散斑所在位置模态振动过程中的离面位移和速度值进行傅里叶变换，得到敲击频率、一阶频率、二阶频率、三阶频率，进而得到空间再入充气结构的非线性模态参数。

所述散斑密度为50％，散斑大小为5-10个像素。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1)本发明是首次采用光学测量的方法对空间再入充气结构的非线性模态进行测量，探究了空间再入充气结构的振动模态特性与充气压强之间的关系，测量精度为0.04㎜，在国内公开显示资料中，首次使用光学测量的方法实现空间再入充气结构非线性模态参数测量，处于国内领先，国际先进地位

2)本发明采用光学测量的方法对空间再入充气结构的非线性模态参数进行测量，采用非接触的测量方法，克服了待测目标形状、尺寸和外部环境等因素对测量的影响，能够高精度测量空间再入充气结构散斑所在位置的离面位移和速度。

3)本发明采用光学测量的方法对空间再入充气结构的非线性模态参数进行测量，克服了接触式测量成本高，设备复杂和影响待测目标结构特性的缺点。

4)本发明采用同步触发模块中的物理同步触发接收装置进行图像采集，设备成本低且操作简单，不存在同步误差。

5)本发明空间再入充气结构的非线性模态参数由充气结构上散斑所在位置的离面位移和速度通过傅里叶变换得到，可简单有效的通过离面位移和速度直接得到模态值。

附图说明

图1为本发明测量系统框图。

具体实施方式

本发明提供了一种空间再入充气结构非线性模态参数光学测量系统及方法，特别适用于进行充气结构的模态参数测量。本发明采用光学测量的方法对空间再入充气结构模态振动后散斑位置所在位置的离面振动位移和速度进行精确测量，并通过傅里叶变换的方法获得空间再入充气结构的模态参数。采用物理同步触发的方式对高速成像仪进行控制，可实现振动图像数据同步采集。使用锤击法对空间再入充气结构进行敲击，同时使用参数已标定的双目高速成像仪对充气结构进行图像采集，通过数据处理可得到充气结构上散斑所在位置的面内振动位移和速度，位移测量精度为0.04㎜。属于首次使用光学测量的方法实现空间再入充气结构非线性模态参数测量。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明一种空间再入充气结构非线性模态空光学测量系统包括：标定模块、成像模块、数据处理模块和同步触发模块；

所述目标散斑密度50％左右，散斑大小为5-10个像素，固定在空间再入充气结构外部；

标定模块：接收高速相机采集的标定板的图片，结合标定板的参数标定所述高速成像仪的内方位元素、外方位元素和像差系数，将所述内方位元素、外方位元素和像差系数传输给数据处理模块；

成像模块：对待测空间再入充气结构模态振动过程进行成像，将所述成像结果传输给数据处理模块；包括两台以上用于对空间再入充气结构模态振动过程成像的高速成像仪，所述高速成像仪的图像采集频率大于400帧/s，所述两台以上高速成像仪的摆放位置满足使任意相邻两台高速成像仪对待测空间再入充气结构的振动过程成像时，所述任意相邻两台高速成像仪光轴的夹角取值范围为15°—60°(15°-30°最佳)，所述两台高速成像仪公共视场尽量最大；

所述同步触发模块用于使所述高速成像仪对待测空间再入充气结构的模态振动过程同步成像。

数据处理模块：接收所述标定模块传输的所述内方位元素、外方位元素和像差系数和所述成像模块传输的所述成像结果。首先根据所述成像结果、所述内方位元素、外方位元素和像差系数利用数字图像相关方法解算所述散斑的面内振动位移和振动速度，再对所述散斑的面内振动位移和振动速度进行傅里叶变换得到空间再入充气结构的非线性模态参数。

本发明一种利用上述空间再入充气结构非线性模态参数光学测量系统进行空间再入充气结构非线性模态参数光学测量的方法，包括步骤如下：

1)使用成像模块中的高速摄像仪对标定板进行图像采集获得若干标定图像，将标定图像和标定板的参数传输给标定模块；标定模块接收所述成像模块传输的标定图像和标定板尺寸参数标定所述成像模块中高速成像仪的内方位元素、外方位元素和像差系数。

2)在待测空间再入充气结构上待测位置处布置散斑；

3)使用成像模块对待测空间再入充气结构模态振动过程进行成像，获得待测空间再入充气结构模态振动过程的成像数据；

4)使用数据处理模块根据所述标定模块标定得到的所述成像模块的内方位元素、外方位元素、像差系数和所述成像数据，解算所述空间再入充气结构上散斑所在位置的面内振动位移和速度；

5)根据步骤4)确定的所述充气结构上散斑所在位置的面内振动位移和速度，进行傅里叶变换获得空间再入充气结构非线性模态参数。

实施例

成像模块包括2套三脚架和云台、1台电脑、2台高速成像仪、2台led光源；同步触发模块包括1套同步触发接收装置；数据处理模块包括1台电脑、一套光学测量数据处理软件。其中：

三脚架和云台用于固定高速成像仪的位置；

电脑：调试高速成像仪的曝光时间、光圈大小，自动增益等参数，显示高速成像仪采集的图像并存储。

高速成像仪：安装在三脚架和云台上，与数据处理模块的电脑连接，对空间再入充气结构模态振动过程进行拍摄记录。

led光源：摆放在空间再入充气结构试验件周围，使成像时光线均匀；

同步触发模块：在试验时，同步触发成像模块中的2台高速成像仪进行图像采集。

在测量前，需要在空间再入充气结构待测位置处布置目标散斑。

目标散斑布置方式：目标散斑通过印刷方式布置在空间再入充气结构外部，散斑密度50％左右，散斑大小为5-10个像素。

高速成像仪面向待测目标即空间再入充气结构试验件，分布在待测目标的两侧，调节高速成像仪的位置和姿态，试验开始后，高速成像仪位置不变，使成像仪的交会角取值范围为15°—60°(15°-30°最佳)，所述两台高速成像仪公共视场尽量最大。高速成像仪聚焦时应使目标靶标成像清晰并兼顾标定时标定板的清晰度，保证成像时光线均匀。

两台高速成像仪为美国phantommiroc120高速数字摄像机，分辨率为1280*1024像素，像机镜头为nikon定焦10mm焦距镜头、1台电脑、一套物理同步触发接受装置、两套三脚架和云台等组成。

测量步骤具体如下：

1)在空间再入充气结构上布置散斑，根据相机参数和实际成像范围，散斑大小为7㎜，散斑密度为50％。

2)将空间再入充气结构放置在三个充气轮胎上，保证其自由的悬浮在空中，水平方向处于自由状态，且面向高速成像仪。

3)两台高速成像仪架设位置始终分布在待测空间再入充气结构的两侧，成像仪的交会角取值范围为15°—60°(30°最佳)，相机聚焦时应使充气结构散斑清晰并兼顾标定时标定板的清晰度。本次所有试验，高速成像仪帧频选择400帧每秒。

4)利用高速成像仪对标定板进行图像采集，结合标定板的参数标定2台高速成像仪的内方位元素、外方位元素和像差系数。

5)利用力锤每隔3s敲击一次充气结构，采用物理同步触发接收装置控制2台高速成像仪采图，从敲击前开始采集图像。

6)设置空间再入充气结构的内部压强分别为3kpa，6kpa,8kpa,10kpa,12kpa,15kpa，分别进行试验。

7)试验结束后，在数据处理模块中，根据高速成像仪标定得到的内方位元素、外方位元素和像差系数结合振动过程中的试验数据进行数据解算，得到空间再入充气结构散斑所在位置离面振动位移和速度。

9)在数据处理模块中，对步骤7)得到的空间再入充气结构散斑所在位置离面振动位移和速度进行傅里叶变换，得到空间再入充气结构的非线性模态参数。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。