基于圖像分析的云霧濃度分布特性研究*

杜海文,韓天一,王世英,鄭 騰

(西安近代化學研究所,西安 710065)

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基于圖像分析的云霧濃度分布特性研究*

杜海文,韓天一,王世英,鄭 騰

(西安近代化學研究所,西安 710065)

為掌握云霧濃度分布特性,基于燃料拋撒試驗與數字圖像處理方法,獲取云霧濃度分布特性和云霧圖像灰度分布特性。結果表明,徑向云霧濃度分布與徑向云霧圖像灰度分布呈相似的波動震蕩分布;圖像灰度分析方法能定性描述云霧濃度分布特性,為云霧濃度分布特性的研究提供一種簡易方法。

燃料;拋撒;云霧濃度;圖像分析;灰度

0 引言

二次起爆型云爆戰斗部作用過程分為兩個階段:首先,燃料在拋撒裝藥作用下與空氣混合形成燃料空氣炸藥;其次,通過起爆裝藥完成燃料空氣炸藥云霧的起爆及爆轟。目前,針對燃料拋撒過程,已經進行了大量的試驗和數值計算研究[1-5],但由于燃料拋撒形成云霧的過程是一個非線性、非定常瞬態的復雜物理過程,對燃料拋撒形成的云霧濃度分布特性尚缺乏深入研究。當前測量濃度的方法有取樣法和非取樣法兩種測量方法,主要適用于粉塵等較長時間存在物質的濃度測量[6]。針對燃料在拋撒裝藥作用下形成燃料空氣炸藥云霧的濃度測量,由于測試環境處于爆炸場,云霧形成和存在時間及其短暫,無法通過傳統的測量手段獲取云霧濃度分布特性。

文中采用試驗與數字圖像處理相結合的方法,研究云霧濃度分布特性與云霧圖片灰度分布的關系,為云霧濃度分布特性的研究提供一種簡易的方法。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。殼體材料為聚乙烯,外徑200 mm,長度360 mm,殼體壁厚3 mm,殼體內裝填固態燃料13 kg,中心管內裝填高能炸藥,用以燃料拋撒。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗方案

試驗前,在爆心位置布設彈架,試驗裝置豎直放置在彈架上。布設2臺高速攝影儀,拍攝速率為500幅/s,一臺布設在樣機正上方120 m處,用以記錄燃料徑向拋撒過程;另一臺布設在樣機側面150 m處,用以記錄燃料側向擴展過程。

在試驗場地布設固態燃料回收裝置,用以回收試驗完成后散落在試驗場地的燃料;回收裝置布設在試驗場0°、45°方向和距爆心4.5 m的0°～90°圓周上;試驗前,對回收裝置進行編號,并使用電子秤稱量其質量,電子秤精度為0.1 g。試驗后,使用電子秤稱量不同位置處回收裝置的質量,通過計算試驗前后回收裝置的質量差,獲取各測點位置處的固態燃料質量。試驗場地布局及回收裝置布局如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 云霧徑向濃度分布特性

為研究燃料拋撒形成的云霧徑向濃度分布特性,沿徑向布設燃料回收裝置(尺寸L×W),回收燃料拋撒結束后固體顆粒質量。表1所示為0°、45°測線徑向回收裝置回收的試驗固態顆粒質量。

圖2 試驗布局示意圖

表1 徑向固態顆粒質量 g

根據高速攝影拍攝云霧圖片可知,云霧形狀大致為扁平圓柱狀。為了簡化研究,文中假定云霧濃度沿高度方向是均勻的,則在區域(L×W×H)空間內云霧的平均濃度為:

(1)

式中:C為平均濃度;M為回收燃料質量;L、W分別為回收裝置的長和寬;H為云霧高度。

根據式(1),計算云霧沿徑向的濃度分布,圖3所示即為不同測線云霧濃度隨徑向的變化曲線,由圖3可知,在云霧中心區域(對比距離小于0.5的范圍內),云霧濃度偏低,也即在云霧場中心區域存在濃度稀疏區,也稱“空洞”[7];在對比距離為0.5～2.5范圍內,云霧濃度較高,沿徑向整體呈波動震蕩下降趨勢,云霧濃度約在100～300 g/m3之間;在云霧邊緣區域(對比距離2.5附近),云霧稀薄,云霧濃度相對也較低。根據0°和45°不同測線云霧濃度沿徑向的分布趨勢可知,徑向方向不同測線云霧濃度分布特性比較相似。試驗所得云霧濃度沿徑向的分布特性,與文獻[5]對液體燃料爆炸拋撒的數值計算結果整體上相似,即云霧中心區域和邊緣區域屬于濃度稀疏區,中間區域濃度較高。不同之處在于中間區域云霧濃度的分布規律:文中試驗表明,在中間區域,濃度值呈3次波動震蕩;丁玨等[5]通過數值計算所得濃度值在中間區域的呈一次波動。產生上述差異的原因可能是燃料自身性質的差異(液體燃料和固體燃料)以及在數值計算過程中對計算模型的簡化所致。

圖3 云霧濃度與對比距離的關系

2.2 周向云霧濃度分布特性

為研究燃料拋撒形成的云霧沿周向的濃度分布規律,在距爆心4.5 m的0°～90°圓周上布設燃料回收裝置,回收燃料拋撒結束后的固體顆粒質量。表2所示回收裝置回收的試驗固態顆粒質量。

表2 周向固態顆粒質量

圖4所示即為云霧濃度隨角度的變化趨勢。由圖4可知,在同一半徑(4.5 m)處,不同角度的云霧濃度雖有波動,但波動幅度小于15%,基本在直線y=140(其中y為云霧濃度,g/m3)上下波動。由此可知,云霧濃度在周向方向變化不大。

圖4 云霧濃度與角度的關系

3 數字圖像處理分析

數字圖像處理是利用數字計算機或其它數字硬件,對從圖像信息轉換而來的信號進行某些數學運算已期達到預想結果的過程。利用數字圖像處理方法,提取云霧圖片灰度值,分析云霧灰度分布特性,并與云霧濃度分布特性對比,獲取云霧灰度分布與濃度分布之間的關系。

3.1 彩色圖像灰度轉換

將彩色云霧圖像讀入圖像處理軟件,圖像以二維矩陣保存,通過圖像處理軟件讀取圖像像素點的R、G、B值。采用灰度轉換公式(2)進行灰度轉換,圖5所示為灰度轉換前后的云霧圖片。

Y=0.3R+0.59G+0.11B

(2)

式中:Y為轉換以后的灰度值;R、G、B為3個顏色分量,即紅色、綠色、藍色。

圖5 灰度轉換

3.2 云霧圖像灰度分析

通過圖像灰度轉換,獲取圖5所示云霧圖像沿徑向0A段的灰度值,繪制灰度值沿徑向的數據分布圖,采用濾波平滑對數據進行處理,得到灰度沿徑向的分布曲線,如圖6所示。

圖6 云霧灰度徑向分布

由圖6可知,灰度曲線沿徑向整體呈波動震蕩變化;在對比距離小于0.5 m/kg1/3和大于2.5 m/kg1/3的區域內,灰度值較小;對比距離0.5～2.5 m/kg1/3的范圍內,灰度曲線呈波動震蕩,灰度值較大。

圖7所示表明,云霧灰度曲線與云霧濃度曲線沿徑向變化趨勢比較一致。由此可知,分析云霧圖像灰度值沿徑向的變化趨勢,雖不能定量獲得云霧濃度值,但可以定性分析云霧濃度分布的趨勢。

圖7 灰度曲線與濃度曲線

4 結論

試驗研究表明,在徑向方向,云霧濃度在中心區域(對比距離小于0.5 m/kg1/3范圍)和邊緣區域(對比距離大于2.5 m/kg1/3)比較稀薄;在對比距離(0.5～2.5 m/kg1/3)范圍內,云霧濃度最高,隨著對比距離增加呈波動震蕩分布;在周向方向,云霧濃度波動很小。通過圖像處理分析發現,圖像的灰度分布特性與濃度分布特性相似;使用圖像灰度分析方法,可以定性研究云霧濃度分布特性,為云霧濃度研究提供一種簡易可行方法。

[1] GARDNER D R. Near-field dispersal modeling for liquid fuel-air explosive: SAND90-0686 [R]. 1990.

[2] GLASS M W. Far-field dispersal modeling for fuel-air-explosive devices: SAND90-0528 [R]. 1990.

[3] 郭學永, 惠君明, 解立峰. 燃料爆炸拋撒過程的實驗研究 [J]. 高壓物理學報, 2005, 19(2): 102-126.

[4] 王德潤, 沈兆武, 周聽清. 液體燃料爆炸拋撒及云霧形成的試驗研究 [J]. 流體力學實驗與測量, 2004, 18(4): 16-19.

[5] 丁玨, 劉家璁. 液體燃料爆炸拋撒和云霧形成全過程的數值研究 [J]. 火炸藥學報, 2001(1): 20-23.

[6] 孫東松, 喬立杰, 李洪斌, 等. 粉塵濃度的激光測量 [J]. 激光與紅外, 1997, 27(1): 39-41.

[7] 郭學永, 惠君明, 解立峰. FAE云霧成長過程的實驗研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2005, 25(4): 534-536.

Study on Distribution Characteristic of Cloud Concentration Based on Image Analysis

DU Haiwen,HAN Tianyi,WANG Shiying,ZHENG Teng

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In order to master distribution characteristic of cloud concentration, based on fuel dispersing experiment and digitally image processing method, distribution of cloud concentration and gray distribution of cloud image were obtained. The results show that distribution of cloud concentration is similar to gray distribution of cloud image, waved with increased radius ratio in radial. The digitally image grey processing method can describe cloud distribution characteristic qualitatively.

fuel; disperse; cloud concentration; image analysis; grey

2015-07-15

杜海文(1986-),男,甘肅隴南人,工程師,碩士,研究方向:爆炸力學及戰斗部技術。

TJ55

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