基于視頻圖像分析的推進劑羽流煙霧透過率測量技術

王長健，孫 美，魏志剛，劉科祥，牛建軍，許 毅，劉晉湘

(1.西安近代化學研究所,陜西 西安 710065；2.西安電子科技大學,陜西 西安 710071；3.西安文理學院,陜西 西安 710065；4.西安北方惠安化學工業有限公司,陜西 西安 710302)

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基于視頻圖像分析的推進劑羽流煙霧透過率測量技術

王長健1，孫 美1，魏志剛2，劉科祥2，牛建軍3，許 毅1，劉晉湘4

(1.西安近代化學研究所,陜西 西安 710065；2.西安電子科技大學,陜西 西安 710071；3.西安文理學院,陜西 西安 710065；4.西安北方惠安化學工業有限公司,陜西 西安 710302)

為了對一定空間分布范圍內的推進劑羽流煙霧進行光透過率的動態測量，建立了固體推進劑羽流煙霧遮蔽能力的視頻圖像測試系統。處理測量圖像與背景圖像獲得測量圖像的對比度，轉換中性衰減片的測量結果為透過率。根據測量模型建立了測試系統，并進行了驗證測試。結果表明，視頻圖像測量方法具有較大的空間測試范圍，可以獲得煙霧分布等更多信息，減小了環境背景光輻射的干擾。該方法所得數據的重復性好、系統穩定性好，可用于推進劑羽流煙霧光透過率的準確測量。

羽流煙霧；光透過率；視頻處理；對比度；校準

引 言

固體火箭發動機在點火工作時，通過噴管排出的燃燒和裂解產物中含有煙霧和火焰。羽流煙霧是推進劑燃燒過程中產生的重要特征信號之一，涉及到推進劑配方設計、綠色生產、武器系統制導及隱身技術等[1-3]。對煙霧特征信號進行分類、測試、表征和評估成為研究工作的一項重要內容，其研究方法主要有3種[4]：(1)小型密閉燃燒室法；(2)地面靜止發動機法——煙霧通道法；(3)火箭發動機飛行遠距離遙測法。相對而言，小型密閉燃燒室法對煙霧形成了確定的空間約束環境，測量試驗比較規范、數據重現性較好，但這種方法的測試環境與推進劑實際工作環境差異較大，可能造成測試結果與實際情況存在較大偏差，比較適合于推進劑配方的篩選；煙霧通道法是發動機羽煙經過煙霧通道混合均勻后測量推進劑羽流煙霧在不同環境下對不同波段的透過率，該方法測試設備和理論基礎相對成熟，是目前普遍使用的測試方法；飛行遠距離遙測法是飛行試驗實彈測試，受試驗費用、儀器技術難度以及測試外部環境等因素的影響，因而測試成本高昂。煙霧的留存時間和空間分布受環境因素的影響非常大，因此煙霧特征信號的測量與評估需要嚴格限定實驗條件[5]。

在室內環境測量試驗中通常采用單束光形成的點對點測量方法，即發射裝置發射某一波段的一束光輻射并使其穿過煙霧區，在煙霧區的另外一側放置探測器接收經過煙霧衰減后的輻射，經過計算得到煙霧對光輻射的衰減特性。自由狀態下的煙霧具有典型的隨機過程的特點，空間分布不均勻、有一定的無規則運動，而且分布范圍較大。因此，室外環境下點對點方法的測量結果很難用于煙霧整體的光學衰減特性的評估。成像測量相對于傳統的單光束強度測量而言，雖然動態范圍較小，但可以獲得煙霧在較大空間范圍內不同波段的光學衰減特性。

本研究采用視頻方法進行煙霧透過率測量，能夠獲得較大的測量視場。另外通過選用響應不同波段光輻射的圖像傳感器，獲得不同波段光輻射的的傳感器透過率。并在測量系統中，對每個測量光譜段，使用了1組中性衰減片作為標準器件，以校準測量結果。此方法尚未見到相關技術報道，利用這種測量方法能使測量結果具有較好的一致性。

1 測量模型的建立

在成像測量情況下，可以直接得到整個成像區域表示入射光強度圖像的灰度值，而煙霧對光輻射的衰減可以用透過率來表示，灰度值和透過率這兩個量之間并非總是線性對應關系，往往會表現出強烈的非線性特征，并且隨不同的光譜波段而異。所以要將測量得到的灰度值轉換為透過率，該變換采用1組中性衰減片，通過現場校準的方式來實現。

煙霧的光透過率測量的實質是測量光輻射在穿過煙霧前、后強度的變化。根據Beer-Lambert定律[6]，光輻射在均勻介質中傳播時，其強度變化遵守如下規律

(1)

式中:τ為相對透過率；I0為入射光強度；I為透射光強度；A為介質衰減系數；D為介質的平均密度；l為介質內的光程長。

在有煙霧存在的情況下，傳輸介質可以分為2部分。煙霧介質部分的參量分別表示為A1、D1、l1；非煙霧介質部分(通常為大氣)的參量為A2、D2、l2。這樣式(1)可以表示為

τ=e-ADl=e-A1D1l1-A2D2l2=Ce-A1D1l1

(2)

式(2)中的C表示非煙霧介質(大氣)的衰減引起的透過率下降，由于一般情況下大氣的衰減遠遠小于煙霧的衰減，因而這部分量值不會出現明顯的隨時間的變化，經過探測器轉換后，這部分量值表現為信號直流成分的一部分，用脈沖方式的測量方法很容易濾除掉，因而可以獲得準確度很高的煙霧透過率的測量值。

但在成像的測量方法中，較大的測量視場不適合采用脈沖工作方式；另外像素點數目龐大，各個成像單元在相同光照射的響應本身都存在差異，因而不能通過常規方法來濾除直流成分。為了將大氣介質引起的影響減至最小，采用圖像對比度的概念，如下式所示

(3)

式中：T(i,j)為像素點(i,j)處的對比度;G(i,j)為像素點(i,j)有煙霧時的灰度值;G0(i,j)為像素點(i,j)無煙霧時的灰度值;G0(i,j)和G(i,j)分別相當于式(1)中的I0和I，但是T(i,j)并不完全等同于式(1)中的τ。

為了簡化測試過程并提高準確度，測試時設置一個特殊的光學靶板，用以簡化測試背景并提供適當的光輻射，所以G0就是背景圖像的灰度值。

(4)

2 煙霧圖像處理

煙霧在空間特定區域形成了一定的空間分布并且隨時間變化。在視頻圖像的每一幀中，表現為煙霧的空間分布特征，時間變化的特征表現在一系列連續的圖像幀中。

如果把每一幀圖像看成是二維連續分布的函數G(x,y)，則圖像梯度G(x,y)就是函數的一階導數

(5)

二維函數的一階導數就表現為圖像的特定邊緣，在實際計算中往往因為一階導數并不敏感，所以也經常使用二階導數。

在數字圖像中，圖像是二維離散分布的函數G(i,j)，則兩個方向上的導數就表示為前向差分，并用模板的形式來實現[7]：

(6)

閉合的圖像邊緣所包圍的區域，具有近似相同的灰度值，這樣就給灰度平均值的計算帶來了很大方便。

利用導數不同的閾值，就可以將整個煙霧圖像分解為一系列不同灰度值的區域，可以對其快速統計運算，如圖1所示，閉合邊緣b包圍的區域具有近似相等的灰度值，邊緣a、b之間的區域具有另一個近似相等的灰度值。

圖1 有效煙霧計算選擇示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation and selection of effective smoke

如圖1所示，經過用不同的灰度閾值對煙霧圖像進行劃分，得到了一系列不同灰度值的區域。對這些區域各自求灰度均值，再結合背景幀圖像中對應位置的灰度均值，可以得到一系列不同的對比度。通過對具有不同對比度值的煙霧進行區域劃分，再將對比度轉換為透過率，可以得到煙霧透過率的空間場分布情況。

在求煙霧分布的圖像灰度函數G(x,y)的二階導數時，獲得的對比度分布區域邊緣不規則，為了加快計算速度，選取完全閉合的規則區塊來近似計算特定煙霧區域的對比度，只要區塊的尺寸大小選擇合適，則可以滿足計算精度的要求，從而得到預期精度的煙霧透過率空間分布。再結合煙霧透過率隨時間變化的分布情況，可以進一步研究羽流煙霧的變化規律。

實際計算煙霧透過率時，針對優化后的羽流二次煙霧模型，降低計算復雜度，采用快速光學透過率算法，具體過程為：通過選取合適的灰度閾值，將煙霧區域與非煙霧區域分離。對煙霧區域透過率進行統計平均，從而得到預期精度的煙霧透過率隨時間的變化曲線。

3 參數轉換與系統定標

透過率由特定波長的光輻射在介質中衰減前后的強度比值來定義。但是在成像測量中，CCD相機在同一時刻只能接收衰減前或衰減后某一瞬間的光輻射，因此這兩個情況下的成像G0和G在時間上有較大差別；另外進入CCD視場的光線比較復雜，有來自靶板的測量光線，還有來自環境的干擾光線，顯然后者對測量產生了不能忽略的不利影響；光強經過圖像傳感器轉換為圖像灰度值本身是一個非線性過程，透過率與圖像對比度的關系也呈現非線性特征，此非線性特征因入射光線的波長而異。并且總體的非線性關系會隨著外界光照條件的變化而變化。因此在煙霧的某一區塊處，不能將光輻射的透過率定義為有煙霧后、無煙霧時該區塊圖像灰度均值的比值，即τ≠T。

由于多種非線性因素的影響，造成透過率τ對式(3)定義的T的非線性偏離，并且透過率本身和外界環境光的照射情況決定了該偏移量的主要部分。但是該映射關系復雜，因此不能建立具有解析形式的τ-T之間的關系，但是在確定的外界環境光照情況下，可以建立二者之間的實驗關系，該實驗關系與測量標準相關聯。在外界環境光照情況變化不大時，用該實驗關系對測量數據進行參數轉換，并對測量結果校準，以克服多種非線性響應對測量的不利影響，提高測量結果的一致性和準確度。實現這一目標的現場定標技術為：將1組具有不同透過率的中性衰減片進行計量測試，作為標準光學器件。在某一確定的光照條件下，對攝像機依次加裝不同的中性衰減片，在每采集1個中性衰減片下對應的視頻后，取下衰減片，然后采集1次背景視頻。對每個中性衰減片下采集到的視頻與其對應的背景視頻進行區域分塊、比值、平均等處理后，得到相應標稱透過率下的對比度。這樣能夠極大程度地消除環境噪聲對標定過程的影響。實際測試時，通過對煙霧區域進行識別，只進行有煙區域的光透過率計算，便能得到較為準確的透過率數值。

設對比度為Ti時對應的標準器件的透過率為τi，則兩者的關系可以記為

τi=f(Ti)，i=1,2,…,N

(7)

式中：N為中性衰減片的總數。

上述函數關系就是τ-T的映射關系，通常具有單調的非線性特征，會受到多個因素的影響，因而需要多個實際的測量值來確定，但是如果點數過多，則會導致現場定標時間過長。顯然這種做法中，定標到實際測試中的時間間隔不宜過長，如果間隔時間過長，則外界光照情況會有明顯的變化，導致校準后的測量結果出現較大偏差。

對于得到的定標結果，采用3次樣條插值的方法得到連續光滑的函數曲線，如圖2所示。這樣對于任意煙霧視頻圖像對比度的值，可以用此光滑函數插值得到相應的透過率。

圖2 定標數據3次樣條內插曲線Fig.2 Three spline interpolation curve of calibration data

3次樣條插值函數如下

(8)

式中：x為待插值點;(xj，yj)為已知的節點[6]。

采用自然邊界條件，即整個差值區間的兩個端點的二階導數為0，待定的其他插值點的二階導數Mj用下式確定

(9)

其中,λj、μj、dj、hj由下式確定：

(10)

通過3次樣條插值得到的定標曲線需要驗證其準確性，并且保證多個驗證數據點之間的偏差在允許的范圍內。驗證時，使用具有同一光衰減率的中性衰減片進行多次重復驗證，并且保證驗證時的天氣情況穩定，且與標定時的天氣情況差別不大。

4 在某推進劑羽流煙霧透過率測試中的應用

測試環境理想的氣象條件為：環境光照強度適中并且穩定，風力等級不超過2級。測試時，光學背景板放置于火箭橇軌道的一側；在軌道的另一側布放圖像采集系統，測量距離約30m，使得成像測量系統的視場能夠覆蓋整塊光學背景板。為了獲得較多的羽流煙霧信息，設置高速照相機的幀率為200幀/s。測試現場布局示意圖如圖3所示。

圖3 測試現場布局示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test site layout

實際上，該測試系統不僅可以用于火箭撬的動態飛行測試，也可以用于一般的煙霧透過率測試。定標時，用不同波段的濾光片濾得相應波段的入射光線，然后使其通過中性衰減片序列，再進入對應波段的相機進行定標操作。常用的波段有可見光、近紅外及特殊的窄帶波段。

圖2中的曲線是可見光波段的某次定標曲線，“+”標記的6個驗證數據點為用同一個中性衰減片在短時間內重復測量進行系統驗證的結果。6次測量的測量值分別為：33.85%、33.38%、32.27%、31.83%、33.32%、35.49%，平均值為33.36%，相對偏差為3.86%。可見驗證數據的重復性較好，系統具有良好的穩定性。

圖4為某發動機工作過程的煙霧在可見光波段透過率變化曲線，選用標準Φ50發動機，工作時間為200ms。在曲線中,a段為發動機點火前的透過率，因為沒有產生煙霧，透過率為100%；b段為發動機工作時的透過率，此時產生的大量煙霧衰減了入射光線，因而透過率很小，對應的曲線迅速下降后并形成維持較短時間、變化很小的平臺；c段為發動機停止工作后的透過率，此時不再有新的煙霧產生，原來的煙霧逐步消散，對應的曲線逐漸上升，采用恰當的算法確定煙霧結束點的位置，就可計算平均透過率。如果出現揚塵等意外干擾，曲線就會出現波動，所以需要嚴格控制試驗條件。

圖4 實際測量曲線Fig.4 The real measured curve

對每一幀圖像的煙霧有效區域統計、插值得到其透過率，見下式

(11)

對煙霧滯留時間內的透過率進行平均計算，得到該推進劑羽流煙霧的平均透過率，見下式

(12)

測試過程中，推進劑燃氣羽流煙霧與環境相比，具有較高溫度，存在熱能輻射現象，對紅外波段的光學透過率測量會產生一定的影響。

5 結 論

(1)根據Beer-Lambert定律，用成像的方法測量特定波長的光輻射經過固體推進劑羽流煙霧這種特殊介質衰減后的強度分布，再用經過計量的中性衰減片組作為測量標準，經過插值校準得到了煙霧的透過率，并且得到了較大空間范圍內透過率的空間分布及隨時間演化等多項特征參數。測量結果具有較好的一致性。在羽流煙霧的現場測量中，需要測試多個波段的光輻射透過率時只需選用合適的濾光片和響應波長的相機，實驗證明該系統和方法同樣適用于不同波段的光透過率的測量。

(2)在單光束的室內測量中，本測試系統使用1組中性衰減片，建立了更加精確的校準曲線。該方法的建立使得測量結果更為準確。

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Research on Measurement Technology of Plume-smoke Transmittance of Solid Propellant Based on Video Image Analysis

WANG Chang-jian1,SUN Mei1,WEI Zhi-gang2,LIU Ke-xiang2,NIU Jian-jun3,XU Yi1,LIU Jin-xiang4

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China;2.Xidian University, Xi′an 710071,China;3. Xi′an University, Xi′an 710065,China;4. Xi′an North Huian Chemical Industry Co.Ltd., Xi′an 710302,China)

In order to dynamically measure the light transmittance of plumesmoke distributed in a large space , a video-image test system for solid propellant plume-smoke shielding ability was established. The measuring images and the background images were processed to obtain the contrast of the measured image, and the measurement results of the neutral optical attenuator calibrate and convert into the transmittance. The test system was established according to the measurement model and the verification test was performed. The results show that the video image measurement method has a larger measurement field of view, it can obtain more information on smoke distribution etc., and can reduce the interference of the light radiation of environmental background. The data obtained from this method has good repeatability and good system stability, this method can be used for accurate measurement of the plume-smoke light transmittance of propellant.

plume-smoke；light transmittance；video processing；contrast；calibration

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.013

2016-03-16；

2016-09-26

國家自然科學基金(No.201503163)；火炸藥專項(No.07)

王長健(1983-)，男，工程師，從事推進劑羽流特征信號評估工作。E-mail:18991898347@163.com

孫美(1962-)，女，研究員，從事固體推進劑排氣羽流特征信號評估技術研究。E-mail:sunm62@sina.com

TJ55;TP306+.2

A

1007-7812(2016)05-0079-05