基于高速摄影与激光扫描的舰船装备健康监测与管理技术

向涛波，陈远江，刘重发，罗 亮，杨杰敏

基于高速摄影与激光扫描的舰船装备健康监测与管理技术

向涛波，陈远江，刘重发，罗 亮，杨杰敏

（陆军工程大学军械士官学校，武汉 430075）

概述了系统健康诊断技术、高速摄影与结构模态分析技术、三维激光扫描与裂纹追踪技术在装备上运用与发展，可实现舰船装备非接触、智能化在线无损检测，获取关键的状态特征信息，同时能迅速进行损伤定位与状态描述。

舰船装备 高速摄影 激光扫描 健康监测与管理

0 引言

随着我国国防现代化建设的推进，我军现役舰船装备呈现大型化、复杂化和自动化发展趋势。使装备先进物理性能以最佳模式持续发挥效能的综合保障技术，包括测试、诊断、维护、寿命预测与健康管理、运行安全调控等，得到了越来越多的关注，装备保障正向保障精确集约、需求实时感知、资源并行掌控的理念变革。装备系统服役状态评估、健康监测与动态管理包括诊断信息的获取、状态特征信息提取、状态识别与评估等三个部分，其中状态特征信息提取、状态识别与评估是诊断的关键。

基于高速摄影和三维激光扫描的舰船装备系统服役状态评估和健康诊断技术，融合了现代信息技术，可以实现舰船装备非接触、智能化在线无损检测，获取关键的状态特征信息，同时能迅速进行损伤定位与状态描述。

1 相关技术运用与发展

1.1 系统健康诊断技术

舰船装备系统服役状态评估和健康诊断代表了一种理念和方法的转变，即从传统的基于传感器或机内测试的诊断转向基于智能系统的预测，从反应性的状态报告转向在准确时间对准确部位进行准确的维护，其核心科学问题是重要部件损伤/故障/失效特征的捕获、提取、识别与预测的理论与方法：包括早期损伤特征增强检测的非线性动力学理论与方法，故障辨识分类、退化识别、安全剩余使用寿命预测与跟踪的计算智能理论与方法。

结构健康状态诊断技术主要可以分为结构状态监测技术和结构诊断技术两个方面，具体过程分为信号采集、信号处理、健康识别、健康诊断决策等几个环节。由于舰船装备系统工作状态多样，尤其是工作环境复杂，快速有效的状态信息采集和分析技术是关键。而传统的传感器如电阻应变片、钢弦计等无法满足信息化和智能化的要求，急需开发新的信号采集和传输方法。

1.2 高速摄影与结构模态分析技术

高速摄影技术是专门研究如何实现对各种快速运动目标进行光学成像、完成高速光电转换和图像记录的技术，它是集光学、高速成像、图像存储与处理等多项技术于一体。高速摄影是人眼的视觉能力在时间分辨能力方面的延伸，它可以应用于一切我们想要探究的快速现象。可应用于武器试验、爆炸科学研究、爆破工程等领域中。利用高速摄像的方法观测物体的运动过程，有其突出的优点，它不受电场、磁场的干扰，高速摄像方法比较直观，能够即时重演被记录的过程，实时目标捕获，并将时间放大到数百万倍以上，这就有可能来仔细观察瞬息变化的微小过程，是其他测量技术手段所难以替代的。

模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。根据研究模态分析的手段和方法的不同，模态分析可分为理论模态分析和试验模态分析。模态参数识别是试验模态分析的核心。模态分析技术被广泛应用于航空、航天、机械、汽车、高铁、土木以及生物科学等各个领域的结构动态分析和优化设计，为减震降噪、振动控制、结构健康监测、有限元模型修正和确认等提供重要依据。

采用视频测量方法对测试结构进行运行模态分析，主要涉及到对摄像系统进行标定、目标跟踪技术和运行模态分析等方面。

1.3 三维激光扫描与裂纹追踪技术

开裂是影响装备或结构物正常使用和安全运营的主要原因之一，裂缝开展过程监测是评估裂缝危害程度的重要手段。在健康监测系统的实际应用中，传统的传感器如电阻应变片、钢弦计等，由于其耐久性和稳定性难以满足长期健康监测的需要，目前在裂缝的监测方面应用较多的是布里渊散射（BOTDR）技术，而BOTDR系统中布里渊散射信号非常微弱，常常导致传感距离受限，进而影响系统的测量精度，具有一定局限性。

三维激光扫描技术在测量表面复杂物体和细节测量上有着非常大的优势，这是一种可以直接、快速、精确地获得物体空间数据的方式，该技术可以从不同空间尺度实现对复杂装备的高效、精准检测，提供了一种高效而且准确的三维数据源，以点云数据为表达形式，将实景三维数据完整的采集到计算机中，并通过计算机来进行具体计算和分析。

目前，三维激光扫描仪在地面景观形体测量、建筑与文物保护、地形测量和变形监测等方面都已经得到非常广泛的应用。特别是在复杂工业设备的测量与建模这方面，三维激光扫描相比于传统方法，能够快速、高效地读取点云数据然后进行计算处理，提供可视化的三维模型参考，极大地提高了工作效率。

2 应用方法研究

2.1 基于高速摄影测量的结构动力学参数识别方法

在舰船装备系统结构分析的基础上，建立基于数字图像相关（DIC）和三维点跟踪技术的关键部件振动、加速度时程曲线及模态参数（模态频率、阻尼比与振型等）提取方法；基于激光扫描点云模型和高速摄影测量的局部遮盖构件或内部构件动力参数提取及校验方法；典型工作环境下装备系统摄影测量误差矫正方法；典型工作状态下装备系统整体及局部动力参数演化规律。

2.2 基于三维激光扫描点云数据的微裂纹识别追踪方法

建立基于激光扫描的舰船装备整体表面模型和主要部件表面模型；装备典型工作状态下主要构件的正常受载表面模型；提出一种基于点云平均曲率估算的结构表面损伤检测方法，通过估算代表点云“外在弯曲”几何特征的平均曲率实现损伤特征点云的准确提取及损伤区域的精确定位；结合高速摄影测量得到的模态参数及其演化规律，研究主要构件表面及内部损伤扩展机制。

2.3 复杂装备系统服役状态评估模型

建立基于整体及局部主要运动及动力学参数的舰船装备系统服役状态评估指标体系；针对检测装备的不同位置工况，研究切实可行检测安全标准；建立基于高速摄影测量和三维激光扫描的舰船装备系统服役状态评估模型。

2.4 基于现代信息处理技术的健康状态智能诊断和管理平台

搭建基于先进信号处理技术（如盲源分离、小波方法、数据挖掘/融合、神经网络方法、机器学习等）的复杂装备健康状态智能诊断平台，对舰船装备在典型工况下各主要构件的运动学和动力学参数进行跟踪分析，提炼缺陷或损伤萌生演化机理，提出基于结构健康监测的关键结构状态评估和基于数据驱动的残余强度和剩余寿命预测方法。

3 方案设计

3.1 高速摄影测量系统测试试验

对高速摄像仪进行静态位移试验，并与相应的理论值进行对比，确定高速摄像仪拍摄数据的精确性。由于静态位移的实时性、动态位移的变化连续性，静态位移只要记录静荷载加载时刻的初位移和静载作用稳定后的位移两个状态。可以通过高速摄像机来采集刚加载时和作用稳定后的两幅图像，从而来验证通过高速摄像仪测定静态位移的可行性。

在通过试验对高速摄像仪拍摄数据准确性得到验证以后，对实际的设备再运行过程中进行观测，并与其他的观测手段，如加速度传感器、位移传感器等得到的数据进行对比。在观测时，将相应的传感器放置在适当的位置，并在放置传感器位置处设置一个标志物用高速摄像仪对标志物进行观测。

3.2 三维激光扫描误差校准试验

对简单物体进行试验，保证精度。激光扫描的误差来源主要有控制点误差、仪器定向误差、仪器扫描误差和数据拼接误差。

控制点误差方面，布设的平面控制网采用独立坐标系下的闭合导线，一般按照三等导线精度进行施测，对于有不同精度的要求时，可以更高等导线精度进行施测。

定向误差方面，主要分为对中误差、后视点偏差和定向误差，对中误差主要是仪器中心不能完全和控制点中心同在一条垂线上，这主要是人为原因引起的，可以选择在仪器中心和控制点中心采取某种确定措施来减小误差，后视点偏差是于后视点坐标存在一定的误差，扫描仪在定向过程中将会造成照准偏心，需要设计某种措施来确定两个中心位置，定向误差是对物体扫描过程中的误差，可以通过固定仪器、减少周围扰动等方式来减小误差。

扫描仪扫描误差主要分为测距误差和测角误差。测距误差一般固定误差和比例误差组成，可以根据不同的精度要求，试验测量距离和扫描误差的具体关系，确定在满足试验和使用要求的最大距离。角度扫描误差主要是在测量时，光脉冲信号具有一定发散性，会在物体表面形成光斑，光斑周围反馈的信号也会被当成中心点的信号进行处理，在试验中研究角度和扫描误差的关系，确定在满足试验和使用要求的最大角度。

数据拼接误差，在进行点云数据处理时，会将多个测点的数据转移到工程坐标系，要根据精度要求，计算出在对于各个测点应该满足的精度要求，严格在试验中保证工程坐标系中各个点的误差在范围内。

对内部较为复杂的物体进行试验，并进行分析。激光扫描只能对物体表面情况进行非常有效的分析，对于物体内部情况，在三维激光扫描仪能够扫描的地方采用激光扫描，这样会有非常高的精度，对于某些小元件或是某些无法扫描到的地方，需要借助与其他传感器来进行综合检测。已经有试验证明，在几何阴影区域，使用激光声学法探测金属缺陷，发现有带状激光束激发出的表面声波沿着垂直于激光带的2个方向传播，在存在缺陷时，声波会迅速衰减。可以在这样的试验基础上，在三维激光扫描仪上增加这样的检测方法，并进行多次试验，通过数据具体弄清激光声学探测法对于缺陷的检测精度。

3.3 复杂装备系统测试验证试验

以某型号舰船为对象，在训练场模拟典型工作工况，并对设备的正常和故障条件下的动力学和运动学参数进行监测和处理，并与实际情况进行比对，可对本项目研究搭建的基于现代信息处理技术的健康状态智能诊断和管理平台进行测试和验证。

4 结语

本文所研究的基于高速摄影与激光扫描的舰船装备健康监测与管理技术应用策略，瞄准了当今世界大型复杂装备状态检测技术前沿，研究确立的基于高速摄影测量的结构动力学参数识别方法、三维激光扫描点云数据的微裂纹识别追踪方法、复杂装备系统服役状态评估模型、基于现代信息处理技术的健康状态智能诊断和管理平台等是对当前大型复杂装备状态评估和健康诊断技术理论应用的创新，所设计的高速摄影测量系统测试试验、三维激光扫描误差校准试验、复杂装备系统测试验证试验等一套完整的工程应用试验方案是对当前大型复杂装备状态评估和健康诊断技术实践应用的创新。该策略方法和手段可以实现非接触、智能化在线无损检测，是大型复杂装备维修保障理念上的一种的变革，必将有效提高对舰船装备健康检测与管理效益，同时也可为军地其他大型复杂装备健康检测与管理提供借鉴。

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Health Monitoring and Management Technology of Artillery Equipment Based on High Speed Photography and Laser Scanning

Xiang Taobo, Chen Yuanjiang, Liu Chongfa, Luo Liang, Yang Jiemin

(Ordnance NCO academy, Army Engineering University, Wuhan 430075, China)

TP277

A

1003-4862（2019）07-0058-04

2019-01-23

向涛波（1981-），男，讲师。研究方向：履带式底盘维修，装备管理。E-mail: hblchf@139.com