基于透過率場分布的推進(jìn)劑羽流煙霧面積測試方法

王長健，趙鳳起，孫 美，楊燕京，古城輝

(西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065)

引 言

低特征信號(hào)推進(jìn)劑以及潔凈發(fā)射藥是火藥發(fā)展的重要方向之一。火藥裝藥在工作過程中產(chǎn)生的流場煙霧，會(huì)顯著降低武器系統(tǒng)的制導(dǎo)和隱身性能[1-4]。一方面，火藥燃燒產(chǎn)生的煙霧會(huì)暴露武器系統(tǒng)的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡；另一方面，流場煙霧對(duì)于穿過其中的制導(dǎo)信號(hào)有衰減、散射、吸收等多種作用，導(dǎo)致制導(dǎo)信號(hào)強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至失效。此外，身管武器中發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的煙霧還會(huì)對(duì)操作人員或視頻制導(dǎo)系統(tǒng)的二次瞄準(zhǔn)造成干擾。

火藥裝藥燃燒流場煙霧對(duì)武器系統(tǒng)制導(dǎo)信號(hào)的干擾程度，不僅與煙霧濃度有關(guān)，還和煙霧面積、厚度以及制導(dǎo)信號(hào)穿過煙霧的路徑有關(guān)。目前，國內(nèi)對(duì)火藥裝藥流場煙霧的測試方法多是對(duì)流場煙霧透過率的測量，很少涉及到對(duì)于流場煙霧場形態(tài)的分布、煙霧區(qū)域大小等物理參數(shù)的研究[5-8]。在火災(zāi)預(yù)防、發(fā)煙劑煙霧特性測試等領(lǐng)域中，通常依據(jù)煙霧的形態(tài)特征以及灰度閾值對(duì)視頻或圖像中的煙霧區(qū)域進(jìn)行提取并計(jì)算煙霧區(qū)域面積[9-11]。在這些方法所得到的結(jié)果中，煙霧區(qū)域內(nèi)的煙霧透過率范圍及分布是不明確的，也無法確定區(qū)域內(nèi)煙霧場對(duì)制導(dǎo)信號(hào)的影響程度。

本研究提出一種基于透過率場分布的煙霧面積測試方法，將火藥裝藥燃燒流場煙霧的光學(xué)特性(即透過率)與煙霧的物理特性(面積參數(shù))同步進(jìn)行測量，進(jìn)而分析基于透過率的羽流煙霧分布區(qū)域的空間及時(shí)域特性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 基本原理

為完成基于透過率的煙霧面積測試，測試裝置主要由光學(xué)背景板、圖像傳感器、工控機(jī)組成[8]。其中光學(xué)背景板提供灰白相間條紋的光學(xué)背景，圖像傳感器對(duì)光學(xué)背景前方的流場煙霧圖像進(jìn)行采集[12-13]。在測試過程中，測試系統(tǒng)與測試對(duì)象(推進(jìn)劑裝藥或發(fā)射藥裝藥)的現(xiàn)場布置俯視圖如圖1所示。光學(xué)背景板位于煙霧區(qū)域的一側(cè)，圖像傳感器位于煙霧區(qū)域另一側(cè)。

煙霧透過率的計(jì)算基于朗伯貝爾定律。本方法利用圖像傳感器對(duì)火藥裝藥燃燒流場煙霧進(jìn)行圖像采集。假定羽流煙霧自身為非光源，無光信號(hào)輻射的情況下，圖像中煙霧區(qū)域某點(diǎn)的成像灰度是該區(qū)域煙霧透射的光信號(hào)和煙霧反射環(huán)境光信號(hào)這兩者在圖像傳感器的疊加，可表示為：

I0=Ia0·τ+Ib0

(1)

式中：I0為圖像傳感器接收的信號(hào)光強(qiáng)；Ia0為光學(xué)背景的信號(hào)光強(qiáng)；τ為煙霧的光透過率；Ib0為煙霧反射、折射其他光源的信號(hào)光強(qiáng)。

為消除煙霧反射折射其他光源引入的光噪聲，背景板設(shè)計(jì)為灰白相間條紋[9]，對(duì)于不同灰度的光學(xué)背景，傳感器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度可表示為：

(2)

一般情況下，煙霧場分布是不均勻的，且隨時(shí)間發(fā)生變化。在特定時(shí)刻，當(dāng)所表征的煙霧場區(qū)域足夠小時(shí)，可以近似認(rèn)為相鄰兩個(gè)最小單元內(nèi)，煙霧透過率相同，并且其反射、折射其他光源信號(hào)的強(qiáng)度相同，即τ0=τ1，且Ib0=Ib1。在傳感器的線性響應(yīng)區(qū)間內(nèi)，圖像像素灰度與該點(diǎn)光信號(hào)強(qiáng)度成正比，因此該點(diǎn)的光透過率可表示為：

(3)

通過公式(3)可獲得煙霧圖像中煙霧場內(nèi)任意一點(diǎn)(x,y)處的煙霧透過率。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以對(duì)最小處理單元的煙霧透過率變化建立一些更為復(fù)雜的模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行圖像中煙霧透過率分布場的幾何特征研究，可以獲得現(xiàn)實(shí)煙霧的透過率分布場對(duì)應(yīng)的空間特性。假設(shè)圖像煙霧場內(nèi)任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)，則現(xiàn)實(shí)煙霧場對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)在成像平面投影長度的函數(shù)關(guān)系可表示為：

(4)

式中：L為物理空間內(nèi)兩點(diǎn)的距離；k為圖像比例尺。

將煙霧圖像所對(duì)應(yīng)的透過率矩陣，以U(τa≤τ≤τb)為閾值進(jìn)行二值化處理(其中τa,τb為常數(shù))，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧圖像中特定透過率煙霧區(qū)域的識(shí)別。該過程可表示為：

(5)

式中：B(i,j)為圖像二值化操作后的數(shù)值；τ(i,j)為圖像中(i,j)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的煙霧透過率。

通過統(tǒng)計(jì)二值圖像中數(shù)值為1的像素點(diǎn)數(shù)量，利用圖像的比例尺即可計(jì)算煙霧圖像中煙霧區(qū)域的面積。該過程可表示為：

S=k2·N

(6)

式中：S為圖像中特定透過率閾值的煙霧區(qū)域面積；k為比例尺；N為滿足閾值條件的像素點(diǎn)數(shù)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測試樣品為Al-CMDB推進(jìn)劑(含鋁粉的復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑)，單孔管狀藥，裝藥方式為自由裝填。發(fā)動(dòng)機(jī)為Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，工作壓力設(shè)計(jì)為(7±0.5)MPa，工作時(shí)間為0.72s。

所采用的光學(xué)背景板尺寸為2.4m×0.8m，條紋寬度為0.2m，光學(xué)背景板左側(cè)距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口水平距離為2m，發(fā)動(dòng)機(jī)軸線位于背景板高度0.4m處。圖像傳感器為加可見光濾波片的日本Photron FASTCAM高速攝像機(jī)(響應(yīng)光譜為0.4～0.7μm，幀速60f/s)。外場環(huán)境，環(huán)境溫度(30±10)C°，風(fēng)力小于3級(jí)，少云。

2 結(jié)果與討論

2.1 特定時(shí)刻煙霧空間分布的特征分析

通過對(duì)測試獲得圖像序列中的單幀圖像進(jìn)行處理，可獲得該時(shí)刻的煙霧透過率空間分布數(shù)據(jù)。圖2(a)為Al-CMDB推進(jìn)劑裝藥開始工作第0.62s時(shí)的煙霧可見光透過率分布偽彩圖，圖2(b)為該時(shí)刻煙霧可見光透過率的直方分布圖，圖2(c)為透過率在[0,30%]區(qū)間內(nèi)的煙霧區(qū)域分布圖，圖2(d)為透過率在[40%,70%]區(qū)間內(nèi)的煙霧區(qū)域分布圖。

由圖2(a)可知，在該時(shí)刻，羽流煙霧分布并不均勻，濃度高的煙霧主要分布在測試區(qū)域的上半部分，該區(qū)域透過率偏低；由圖2(c)可知，透過率小于30%的區(qū)域基本集中在測試區(qū)域的右上角。

由圖2(b)可知，在該時(shí)刻，測試區(qū)域的煙霧透過率大部分分布在[40%,80%]區(qū)間內(nèi)；通過對(duì)圖2(d)分析可知，透過率區(qū)間在[40%,70%]的區(qū)域主要分布在測試區(qū)域的中部和下部。

2.2 煙霧空間分布的時(shí)域特征

發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作后的測試區(qū)域內(nèi)基于透過率區(qū)間、水平區(qū)域以及垂直區(qū)域上劃分的煙霧面積-時(shí)間曲線如圖3所示。其中對(duì)透過率在[0,30%]、[30%,70%]、[70%,100%]區(qū)間的煙霧面積分別統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3(a)所示；將測試區(qū)域在垂直方向上等分為上部、中部、下部3塊區(qū)域，統(tǒng)計(jì)透過率在[0,30%]區(qū)間內(nèi)的煙霧區(qū)域面積，結(jié)果如圖3(b)所示；將測試區(qū)域在水平方向上等分為左、中、右3塊區(qū)域，統(tǒng)計(jì)透過率在[0,30%]區(qū)間內(nèi)的煙霧區(qū)域，結(jié)果如圖3(c)所示。

結(jié)合試驗(yàn)煙霧圖像進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中羽流火焰輻射強(qiáng)度大，背景板及煙霧本身均反射明顯的火焰光信號(hào)，部分區(qū)域在圖像傳感器中成像灰度飽和，對(duì)測試結(jié)果中煙霧透過率準(zhǔn)確度的影響較大。如需克服羽流火焰對(duì)測試結(jié)果的影響,一方面需要增大圖像傳感器對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)范圍；另一方面也可調(diào)整背景板的位置,使其遠(yuǎn)離羽流火焰,減少火焰輻射對(duì)測試裝置的影響。在圖3數(shù)據(jù)中，t=0.6s之前的數(shù)據(jù)可信度較差，不納入討論范圍。

由圖3(a)可以看出，在0.6～0.76s時(shí)，透過率在[30%，70%]內(nèi)的煙霧區(qū)域面積大于其他兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的煙霧面積；當(dāng)t>0.76s時(shí)，透過率在[70%，100%]區(qū)間的煙霧面積大于其他兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的煙霧面積；當(dāng)t=1.6s后，透過率在70%以上的煙霧區(qū)域基本占據(jù)整個(gè)測試區(qū)域。相當(dāng)于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束0.88s后，測試區(qū)域內(nèi)的羽流煙霧基本完全消散。

由圖3(b)可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作后的0.6～0.93s時(shí)間內(nèi)，透過率在[0,30%]區(qū)間的煙霧面積整體隨時(shí)間增加而逐步減小，其中在測試區(qū)域上部的煙霧面積始終大于其他兩個(gè)區(qū)域，透過率在[0,30%]區(qū)間煙霧面積在測試區(qū)域中部及下部基本相同，且在0.72s之后基本都降為0。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后羽流流速減弱，羽流煙霧受熱空氣影響，有明顯的上漂現(xiàn)象，這一點(diǎn)在煙霧圖像中也有明顯體現(xiàn)。

由圖3(c)可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作后的0.6～0.93s時(shí)間內(nèi)，透過率在[0,30%]區(qū)間的煙霧面積整體隨時(shí)間增加而逐步減小，其中測試區(qū)域中部的煙霧面積相對(duì)最大，煙霧區(qū)域左端的煙霧面積相對(duì)最小。這說明羽流煙霧在向前運(yùn)動(dòng)的過程中有一個(gè)擴(kuò)散并且稀釋的過程，在中部區(qū)域(距噴口2.8～3.6m范圍)，煙霧擴(kuò)散起主要作用，透過率在[0,30%]區(qū)間的煙霧面積有一定程度增大；在右部區(qū)域(距噴口3.6～4.4m范圍)，煙霧稀釋起主要作用，煙霧面積較中部區(qū)域煙霧面積有一定程度的減小。

3 結(jié) 論

(1)Al-CMDB推進(jìn)劑裝藥羽流煙霧分布并不均勻。從水平方向來看，透過率區(qū)間在[0，30%]的煙霧區(qū)域在測試區(qū)域中部的分布面積明顯大于左、右兩個(gè)區(qū)域；在垂直方向來看，透過率區(qū)間在[0，30%]的煙霧區(qū)域在上部的分布面積明顯大于中、下兩個(gè)區(qū)域。

(2)Al-CMDB推進(jìn)劑裝藥羽流煙霧在時(shí)域分布上具有明顯特征。在0.6～0.76s內(nèi)，透過率在[30%，70%]區(qū)間的煙霧區(qū)域面積明顯大于其他兩個(gè)透過率區(qū)間的面積；在0.76s之后，透過率在[70%，100%]區(qū)間的煙霧面積逐步增大；在1.6s后不存在透過率小于70%的煙霧區(qū)域。

(3)該方法能有效測定特定透過率區(qū)間的推進(jìn)劑裝藥羽流煙霧面積及其空間分布特征，但是在靠近羽流火焰區(qū)域，測試結(jié)果的精度會(huì)受到較大影響。該方法也可用于發(fā)射藥身管武器膛口煙霧面積特性分析。