模型水輪機同步成像方法及空化觀測系統(tǒng)研究

劉智良，崔天祥，陳金霞，郭全寶，黃茂盛

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模型水輪機同步成像方法及空化觀測系統(tǒng)研究

劉智良1，崔天祥2，陳金霞1，郭全寶1，黃茂盛2

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

模型水輪機空化狀態(tài)的界定普遍依靠觀測試驗來實現(xiàn)，觀測多采用人工觀測的方法，也有采用攝像機攝像的方式進行試驗，兩種方式均存在各自的缺陷。本文根據(jù)觀測試驗原理提出一種同步成像方法并設(shè)計同步成像系統(tǒng)，成像系統(tǒng)的應(yīng)用對模型水輪機水力性能優(yōu)化設(shè)計及空化研究提供有力支持。

模型水輪機；空化；同步成像；觀測

0 前言

近年來，隨著水輪機技術(shù)的進步，人們對于水輪機的內(nèi)、外特性認知程度也有了極大提升，隨之而來是人們對于水輪機高效率追求的同時也對其穩(wěn)定性提出了更高的要求。

空化是影響水輪機水力穩(wěn)定性的重要因素，模型水輪機空化以及空化范圍的判定目前主要還依靠觀測的方式進行。國內(nèi)外業(yè)內(nèi)也有不少學者提出利用空化在線監(jiān)測系統(tǒng)對其進行判定，如早期Kaye和Farhat等根據(jù)加拿大魁北克水力研究所提出的振動包絡(luò)譜檢測理論提出了振動信號數(shù)字包絡(luò)檢測的方法監(jiān)測空化現(xiàn)象[1,2]，瑞士學者Dupont、法國學者Dorey和法國學者Bellet等人采用測量水輪機軸振動的方式進行空化監(jiān)測[3~5]，斯洛文尼亞Rus采用水聽器監(jiān)測空化噪聲[6]；國內(nèi)西安理工大學通過自制水聽器進行分析，哈爾濱工業(yè)大學，清華大學蒲中奇、張偉等人利用空化的振動和噪聲特性監(jiān)測水輪機空化現(xiàn)象[7,8]，華中科技大學也利用類似的方法對原型水輪機空化進行監(jiān)測分析[9]，但上述方法距離工程應(yīng)用還需要進一步研究和驗證。

模型水輪機成像觀測是指對模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的初生空化、間隙空化、葉道渦和脫流等空化現(xiàn)象的圖像觀測試驗，以此來確定水輪機模型轉(zhuǎn)輪的空化性能[10]。隨著人們對于水輪機穩(wěn)定性要求的提高，對于空化發(fā)生位置及范圍界定的精確程度要求也越來越高：如轉(zhuǎn)輪葉片出水邊初生空化狀態(tài)的確定，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部葉道渦及脫流初生線的確定等。

此外，隨著人們對于水輪機水力性能研究的深入以及模型測試技術(shù)的進步，成像觀測方法和手段相應(yīng)的提升也是勢在必行，如準確低觀測空化現(xiàn)象發(fā)生位置可以指導水力設(shè)計者對轉(zhuǎn)輪葉片型線的優(yōu)化；對于在模型試驗過程中出現(xiàn)的特殊水力現(xiàn)象，尤其是對當前認知水平下無法解釋的珍貴影像資料進行清晰記錄與長期保存，日后對其深入研究和分析可以促進水輪機研究的進步等。

由此可見，模型水輪機的成像觀測在模型試驗中的地位越來越重要，在未來的試驗中，無論是指導水輪機水力性能優(yōu)化還是對新水力現(xiàn)象的分析與研究，成像觀測都將發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 成像觀測原理與現(xiàn)有方法的缺陷

傳統(tǒng)的成像觀測方法通常是以人工觀測法為主，該方法的主要原理是依據(jù)人眼的視覺暫留現(xiàn)象。試驗時，試驗人員借助頻閃光源，調(diào)節(jié)光源的閃光頻率至與轉(zhuǎn)頻相同或相近連續(xù)閃光，在視覺暫留效應(yīng)的作用下，觀測者便得到一系列的模型轉(zhuǎn)輪觀測圖像序列，人腦將此圖像序列按照時間先后連接在一起，便使得試驗人員看到一幅模型轉(zhuǎn)輪“靜止”或“緩慢”變化的畫面，完成觀測試驗。從本質(zhì)上講，人眼借助頻閃光源進行成像觀測并未實現(xiàn)與轉(zhuǎn)頻“同步”，實質(zhì)上只是頻閃光源自身實現(xiàn)與轉(zhuǎn)頻的同步，觀測試驗的完成完全是通過大腦對圖像的后期編輯實現(xiàn)的，也就是說試驗人員與光源是兩套獨立的系統(tǒng)。此外，由于成像觀測的過程通常較長，人眼長時間暴露在強光源下，極其容易產(chǎn)生視覺疲勞，觀測結(jié)果的準確性容易受到影響，同時也易對人眼造成損傷，而且觀測到的圖像現(xiàn)象也無法以視頻的形式存儲下來，只能通過試驗者記憶來描述，帶有主觀性。

以攝像機為核心的成像觀測系統(tǒng)的出現(xiàn)彌補了成像結(jié)果無法記錄的缺陷，系統(tǒng)以磁帶和錄像機為存儲媒介，實現(xiàn)了對觀測到的視頻資料的保存。可是磁帶存儲內(nèi)容有限且難于長期保存，高清數(shù)字攝像機的出現(xiàn)雖然解決了存儲問題。但是由于攝像機本身是采用固定幀率進行拍攝的成像設(shè)備，失去了人腦的“后期編輯”功能，圖像采集與光源系統(tǒng)相當于也是分立系統(tǒng)，成像時兩套系統(tǒng)存在著頻率差異，即使偶爾頻率一致時拍攝也存在相位差，攝像機也無法與頻閃光源同時曝光成像，導致得到的圖像幀序列明暗交替，即便采用高分辨率的高清數(shù)字攝像機也很難得到清晰的影像，分析時很難準確確定產(chǎn)生空化的位置信息，不足以對空化現(xiàn)象的研究以及模型轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計提供有效支持。

2 同步成像觀測系統(tǒng)研制

從上面的分析看，無論是人工觀測還是使用攝像機成像觀測，其最大的缺陷在于：成像設(shè)備均與頻閃光源是相對獨立的兩套系統(tǒng)，兩套設(shè)備的動作不同步。因此，要解決成像觀測的核心問題是首先解決如何“同步”的問題。所謂的“同步”是指成像設(shè)備動作與頻閃光源動作的一致性，即兩套系統(tǒng)動作的頻率相同，相位一致。因此，需要將原有的兩套系統(tǒng)有效地集成到一個系統(tǒng)中去，使得系統(tǒng)具有統(tǒng)一的觸發(fā)信號源，控制頻閃儀和成像設(shè)備同步動作完成成像觀測。

2.1 成像觀測系統(tǒng)同步方法及系統(tǒng)構(gòu)成

隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，基于CCD和CMOS傳感器的數(shù)字高清相機、數(shù)字高清攝像機甚至數(shù)字高速高清攝像機大量涌現(xiàn)；而計算機應(yīng)用技術(shù)的快速進步及處理器運算能力的飛速提升，使得這些成像設(shè)備在提升了成像質(zhì)量的同時也提高了成像速度，減小了設(shè)備體積，而這些成像設(shè)備具有接口豐富，成像清晰，數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點，為成像系統(tǒng)研制提供了必要條件。

本文利用數(shù)字式高清工業(yè)相機的拍攝幀率可程控以及頻閃光源的閃光頻率可外部信號控制的特點設(shè)計模型水輪機空化成像觀測系統(tǒng)，系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 成像觀測系統(tǒng)原理示意圖

如上圖1所示，模型水輪機成像觀測系統(tǒng)由主控計算機、成像相機、頻閃光源和網(wǎng)絡(luò)交換機組成。主控計算機通過程序設(shè)置成像相機的拍攝幀率，控制相機拍攝頻率與模型水輪機的轉(zhuǎn)頻相同或相近。相機在以程序指定頻率控制快門動作的同時通過觸發(fā)電路向頻閃光源發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，頻閃光源接收到觸發(fā)脈沖信號后立即閃光，為相機成像提供光源。相機在頻閃光源閃光的同時完成曝光得到一副完整的圖像后，將圖像信息從網(wǎng)絡(luò)接口傳回主控計算機，計算機通過軟件將接收到的圖像信息按時間序列合成流媒體視頻，得到水輪機模型轉(zhuǎn)輪相對靜止或緩慢轉(zhuǎn)動的視頻流媒體文件，從而模擬人眼和大腦成像觀測時的狀態(tài)進行成像觀測。

2.2 相機遠程控制與同步的實現(xiàn)

成像觀測系統(tǒng)利用帶有GigE Vision協(xié)議的數(shù)字相機，通過開發(fā)控制軟件實現(xiàn)主控計算機對相機幀率的遠程控制，數(shù)據(jù)傳輸與影像合成。

GigE Vision接口協(xié)議是一種基于千兆以太網(wǎng)通訊協(xié)議開發(fā)的相機接口標準，具有傳輸距離長，無需圖像采集板卡且偏重圖像處理的優(yōu)點。首先通過在主控計算機上開發(fā)的軟件設(shè)置相機成像幀率（Frame Rate），而后將控制指令通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給相機，設(shè)置界面如圖2所示，相機接到指令后按照設(shè)定的幀率進行圖像拍攝，同時通過相機內(nèi)部電路將接收到的拍攝幀率轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，通過相機的信號輸出接口發(fā)送至頻閃光源，頻閃光源此時切換至外觸發(fā)功能，等待觸發(fā)信號的到來，當其接收到觸發(fā)信號后便按照觸發(fā)信號頻率進行閃光，相機在頻閃光源閃光的同時完成曝光成像，成像后相機將圖像信息通過網(wǎng)絡(luò)回傳給主控計算機，計算機利用軟件將每一幀圖像按時間先后順序合成視頻流媒體文件并實時顯示，試驗人員便得到連續(xù)變化的影像。

圖2 相機頻率設(shè)置界面

由于電信號的傳播速度與光速相同，所以可以忽略相機接收到控制信號到將觸發(fā)信號傳遞至頻閃光源控制器的延時，因此消除了相機成像與頻閃光源閃光的相位差，這樣便實現(xiàn)了成像系統(tǒng)的相機與頻閃光源動作的嚴格同步；此外，采用具有GigE Vision協(xié)議的數(shù)字相機，主控計算機對相機的軟件控制以及數(shù)據(jù)傳輸均通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，傳輸距離高百米甚至上千米，實現(xiàn)了成像系統(tǒng)的遠程控制，使得試驗人員可以在控制室通過主控計算機屏幕完成成像觀測的工作。

2.3 工況字幕的疊加與數(shù)據(jù)存儲管理

為了使觀測到的水力現(xiàn)象便于存儲下來日后進行分析，該水力現(xiàn)象發(fā)生時的試驗工況參數(shù)是必不可少的信息，因此，在獲得圖像的同時應(yīng)將工況信息一并疊加在其上并保存下來，即在觀測的圖像上疊加試驗工況參數(shù)字幕。

實時試驗工況參數(shù)由水輪機模型試驗臺測試系統(tǒng)采集并提供輸出，通過網(wǎng)絡(luò)共享的形式與成像觀測系統(tǒng)的主控計算機進行數(shù)據(jù)交互。主控計算機首先加載開發(fā)好的工況字幕疊加軟件模塊，如圖3所示，該模塊按照與測試系統(tǒng)約定的通訊協(xié)議實時讀取試驗工況參數(shù)，讀取參數(shù)后與相機回傳的圖片信息進行圖像合成，合成后通過軟件將合成后的圖像信息按照時間先后順序合成流媒體文件實時顯示。成像系統(tǒng)利用軟件疊加字幕時時可以對字體大小、顏色及字幕顯示位置等參數(shù)進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的觀測背景。

圖3 調(diào)用自行開發(fā)的字幕添加模塊

工況字幕疊加模塊可以根據(jù)試驗項目的需求選擇不同的工況參數(shù)組合，同時可添加工程項目名稱以及記錄試驗時間和日期。工況字幕疊加模塊界面如下圖4所示。

2.4 圖像的遠程共享

為便于不同試驗人員在不同地點同時共享觀測結(jié)果，成像觀測系統(tǒng)采用相機的網(wǎng)絡(luò)輸出接口、交換機、網(wǎng)絡(luò)視頻分屏器以及主控計算機組成遠程圖像顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)通過計算機的顯卡將當前顯示器顯示的圖像信息實時輸出到網(wǎng)絡(luò)視頻分屏器，網(wǎng)絡(luò)視頻分屏器利用網(wǎng)線將圖像信息傳輸至遠程客戶端的網(wǎng)絡(luò)視頻分屏器，客戶端分屏器將接收到的數(shù)據(jù)解碼后輸送至客戶端顯示設(shè)備，則實現(xiàn)了成像觀測系統(tǒng)的圖像遠程共享功能。遠程顯示原理框圖如圖5所示。

圖4 字幕添加模塊工況參數(shù)選擇界面

圖5 成像系統(tǒng)遠程共享顯示原理框圖

2.5 數(shù)據(jù)存儲

成像系統(tǒng)采集到的圖像可以以圖片的形式對回傳的圖片序列進行單張存儲，也可以利用軟件將圖片序列合成流媒體視頻后可以以多種Windows通用視頻格式存儲在主控計算機的硬盤驅(qū)動器中。無論是以圖片格式還是以流媒體文件進行存儲，均可保證存儲的信息不壓縮，不失真。

3 同步成像系統(tǒng)應(yīng)用及與傳統(tǒng)成像系統(tǒng)觀測效果比較

3.1 同步成像系統(tǒng)應(yīng)用

同步成像觀測系統(tǒng)可用于水輪機模型轉(zhuǎn)輪進口脫流、葉道渦，模型轉(zhuǎn)輪出口初生空化、間隙空化以及渦帶現(xiàn)象的觀測。利用萬向關(guān)節(jié)臂或三腳架可以靈活地將成像設(shè)備及光源安裝在水輪機模型段透明錐管處（如下圖6所示）進行模型轉(zhuǎn)錄葉片出口的空化及渦帶現(xiàn)象進行觀測分析；配合內(nèi)窺鏡的使用，通過在頂蓋或下環(huán)上開出的空洞探進轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部，可對模型轉(zhuǎn)輪進口的葉道渦和脫流現(xiàn)象進行觀測。同時，成像觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程控制與遠程多地影響共享，使得試驗人員僅在模型試驗臺的控制室內(nèi)完成各種流態(tài)的觀測與記錄。

（a）

（b）

圖6 成像觀測系統(tǒng)安裝及使用效果圖

3.2 成像觀測效果

由于采用了數(shù)字高清工業(yè)相機，系統(tǒng)的成像效果清晰，圖像辨識度高。轉(zhuǎn)輪出口初生觀測以及渦帶觀測對比結(jié)果如下圖7所示。

圖7中（a）（b）為同步成像觀測系統(tǒng)對尾水管渦帶及轉(zhuǎn)輪葉片出水邊空化觀測效果，（c）為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機葉片空化觀測圖像，從成像效果上看，同步成像觀測系統(tǒng)得到的圖像上渦帶輪廓清晰，轉(zhuǎn)輪葉片輪廓清晰可辨，空化現(xiàn)象發(fā)生的部位以及嚴重程度清晰可見，軸流轉(zhuǎn)槳式模型水輪機槳葉與錐管間隙空化、槳葉與輪轂體之間的間隙空化現(xiàn)象清晰可辨，葉片頭部的進水邊頭部脫流發(fā)生的位置及脫流形狀也清晰可見，成像系統(tǒng)整體在圖像清晰度上有顯著提升，如在葉片標注網(wǎng)格則可更加準確辨識空化發(fā)生位置，提高觀測質(zhì)量。

（a）

（b）

（c）

圖7 轉(zhuǎn)輪出口觀測效果圖

圖8為轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部葉道渦及脫流現(xiàn)象的觀測效果對比。

圖中（a）為使用同步成像觀測系統(tǒng)得到的背面脫硫觀測圖像，(b)為同步成像觀測系統(tǒng)觀測得到的葉道渦圖像。從成像質(zhì)量上看，同步成像觀測系統(tǒng)圖像對比度高，葉道渦和脫流現(xiàn)象清晰可見，即使在弱光環(huán)境下仍能得到辨識度很高的圖像，配合使用不同角度的內(nèi)窺鏡可以對葉片與上冠交界，葉片與下環(huán)交界以及葉道間的空化現(xiàn)象進行有效觀測。

（a）

（b）

圖8 葉道渦觀測效果比較

4 結(jié)論

同步數(shù)字成像觀測系統(tǒng)已在大電機研究所各高水頭水力試驗臺成功應(yīng)用，在白鶴灘，烏東德、豐滿改造等重大項目水力性能研發(fā)中起到重要作用。模型水輪機同步數(shù)字成像觀測方法的提出及觀測系統(tǒng)的成功研制首次實現(xiàn)了：

（1）將圖像采集系統(tǒng)與頻閃光源的真正有效地集成為一套系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行的時序上實現(xiàn)了真正的同步運行；

（2）成像觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程控制，可以使觀測者在控制室完成空化觀測試驗的全部操作，擺脫了人工現(xiàn)地觀測的落后方式；

（3）從圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯崿F(xiàn)了模擬到數(shù)字化的飛躍，觀測數(shù)據(jù)易于長期保存與管理；

（4）實現(xiàn)了模型水輪機觀測系統(tǒng)遠程控制和觀測影像異地實時共享，圖像的異地共享便于不同研究者異地同時研究。

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The Research of Synchronization Imaging Method and Cavitation Observation System for Model Hydro-turbine

LIU Zhiliang1, CUI Tianxiang2, CHEN Jinxia1, GUO Quanbao1, HUANG Maosheng2

(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The judgment of cavitation of model hydro-turbine mainly depends on observation, and the artificial way is usually chosen to achieve that. Observation with video camera is common, too. However, both artificial way and observation with video camera are defective. A synchronization imaging method is presented in this paper according to the principle of cavitation observation, and a synchronization imaging system is designed. The application of synchronization imaging system will be significant for optimization design of model hydro-turbine and research of cavitation.

model hydro-turbine; cavitation; synchronization imaging; observation

TM612

A

1000-3983(2016)06-0056-06

2016-03-07

劉智良（1980-），2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，儀器科學與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)從事水輪機模型及現(xiàn)場測試工作，碩士，工程師。

審稿人：趙 越