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原文传递一种空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法

专利名称：	一种空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法
摘要：	本发明公开了一种空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，通过开展Whipple防护构型的超高速撞击损伤试验，获取弹丸撞击超高速撞击缓冲屏产生的二次碎片云阴影图像序列以及碎片云撞击后墙的损伤样品；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，提取碎片云主要特征信息；利用红外热像仪获取加热后的后墙损伤的红外热图像序列，基于变分贝叶斯多稀疏成分提取出表面可见损伤以及表面不可见损伤，建立多稀疏模型，通过变分贝叶斯推断重构后墙损伤试件表面及亚表面的损伤信息，将不同损伤进行图像融合；最后将碎片云典型特征结构与后墙损伤特征融合图像进行一一对应，从而对缓冲屏材料的超高速撞击防护性能进行综合评价。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
发明人：	黄雪刚;殷春;张昊楠;李毅;罗庆;周浩;柳森;刘春华;巩德兴
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-07T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201910373517.8
公开号：	CN110294147A
代理机构：	北京远大卓悦知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	贾晓燕
分类号：	B64G1/52(2006.01);B;B64;B64G;B64G1
申请人地址：	621000 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号
主权项：	1.一种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，基于变分贝叶斯多稀疏成分提取出表面可见损伤以及表面不可见损伤，通过建立多稀疏模型，并通过变分贝叶斯推断重构后墙损伤试件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，并将不同损伤进行图像融合；步骤五、将碎片云典型特征结构与后墙损伤特征融合图像进行一一对应，从而对不同缓冲屏材料的超高速撞击防护性能进行综合评价。 2.如权利要求1所述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Classq，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，IF(tF)，IB(tB)，IN(tN)表示特征矩阵的列向量，和分别表示不同区域的混合系数矩阵；λF(tF)，λB(tB)，λN(tN)表示行向量；如果将它们写为矩阵的形式，B为一个低秩矩阵；DF和DB分别表示前侧与背侧损伤信息矩阵，由于损伤在试件中仅仅占很小一部分，因此表现为稀疏性；N表示在损伤检测中噪声信息；步骤2、为了能够同时得到后墙前表面损伤信息DF和背面损伤信息DB，采用变分贝叶斯推断对步骤1中模型进行求解；其过程包括：步骤2.1、h＝1时，初始化矩阵Xh和Yh中每一列元素和分别服从均值为零，方差为σj-1的高斯分布，而且存在：服从Gamma分布，u和v都是超参数；和中每个元素和分别独立同分布于均值为零，方差分别为和的高斯分布；其中，和分别服从Jeffrey’s先验：Nh为高斯白噪声，其服从均值为零，方差为ηh的高斯分布，其中ηh服从Jeffrey’s先验：设置最大迭代次数为H；步骤2.2、通过如下公式迭代每个参数的值(h＝h+1)：其中，<·>表示期望；分别表示矩阵Xh，Yh的第i行和第j行；分别为矩阵Xh，Yh的协方差矩阵；分别表示前表面损伤信息矩阵和背面损伤信息矩阵的协方差矩阵；步骤2.3、h＝h+1，当h≤H时，返回步骤2.2；否则，得到最终的低秩矩阵和将和中每一列表示为各自区域的损伤图像，选择对比度最强烈的图像得到前表面和背面损伤情况图像和步骤3、其包括以下过程： 3.1、k＝1时，通过S＝(ss,sc)表示SF和SB中的任意一个图像，其中ss表示像素点的空域二维坐标信息，sc表示像素点的颜色信息，因为本文中处理图像为彩色图像，因此有三个通道；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。初始化区域最小像素点数M； 3.2、更新每个像素点的幅值：其中表示核函数，C为归一化常数； 3.3、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2.2；直到所有像素点都计算完成； 3.4、将满足\|\|jzs-izs\|\|＜hs，\|\|jzc-izc\|\|＜hc，i,j＝1,2,...,NIJ的像素点合并在一起，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； 3.5、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；最终得到分割后图像步骤4、具体包括： 4.1、t＝1时，初始化低频子带低通滤波器fl，高通滤波器fh；最大变换次数T； 4.2、对图像进行行变换，其中进而存在行变换后的图像:对和进行列下采样，得到 4.3、对图像进行列变换，其中，进而得到变换后的图像：分别对进行列下采样，得到二者中分别包含了一部分低频子带和三部分高频子带 4.4、t＝t+1，直到t＞T，否则返回步骤4.2； 4.5、tt＝T时，初始化lRtt表示融合后的低频子带，a和b表示融合系数，满足a+b＝1； 4.6、hRtt表示融合后的高频子带，lRtt和hRtt组成图像 4.7、对Rtt的行进行上采样得到然后对其列进行变换最终得到图像其中和表示逆变换；相同的，对的列进行上采样得到然后对其行进行变换最终由得到图像lRtt-1。 4.8、tt＝tt-1，直到tt＜1时，得到最终融合图像R＝lR0；否则，返回步骤4.6； 5.如权利要求1所述的空间碎片防护构型缓冲屏损伤评估方法，其特征在于，所述步骤五中的过程为：根据最终得到的碎片云撞击后墙多类型损伤的红外融合图像，可以同时分辨出后墙中心穿孔、中心层裂剥离区域、中心密集撞击坑区域、外围散布撞击坑区域等，测量出上述典型损伤的位置和尺寸，并将其与前述碎片云结构特征和运动轨迹进行分析，就可以将碎片云特征及其对后墙不同的撞击损伤模式一一对应，从而对不同缓冲屏材料的超高速撞击防护性能进行综合评价。
所属类别：	发明专利