基于透過率場分布的推進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

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安710065)

引 言

低特征信號推進劑以及潔凈發射藥是火藥發展的重要方向之一。火藥裝藥在工作過程中產生的流場煙霧，會顯著降低武器系統的制導和隱身性能[1-4]。一方面，火藥燃燒產生的煙霧會暴露武器系統的位置及運動軌跡；另一方面，流場煙霧對于穿過其中的制導信號有衰減、散射、吸收等多種作用，導致制導信號強度降低，嚴重時甚至失效。此外，身管武器中發射藥燃燒產生的煙霧還會對操作人員或視頻制導系統的二次瞄準造成干擾。

火藥裝藥燃燒流場煙霧對武器系統制導信號的干擾程度，不僅與煙霧濃度有關，還和煙霧面積、厚度以及制導信號穿過煙霧的路徑有關。目前，國內對火藥裝藥流場煙霧的測試方法多是對流場煙霧透過率的測量，很少涉及到對于流場煙霧場形態的分布、煙霧區域大小等物理參數的研究[5-8]。在火災預防、發煙劑煙霧特性測試等領域中，通常依據煙霧的形態特征以及灰度閾值對視頻或圖像中的煙霧區域進行提取并計算煙霧區域面積[9-11]。在這些方法所得到的結果中，煙霧區域內的煙霧透過率范圍及分布是不明確的，也無法確定區域內煙霧場對制導信號的影響程度。

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特性(即透過率)與煙霧的物理特性(面積參數)同步進行測量，進而分析基于透過率的羽流煙霧分布區域的空間及時域特性。

1 實 驗

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背景板、圖像傳感器、工控機組成[8]。其中光學背景板提供灰白相間條紋的光學背景，圖像傳感器對光學背景前方的流場煙霧圖像進行采集[12-13]。在測試過程中，測試系統與測試對象(推進劑裝藥或發射藥裝藥)的現場布置俯視圖如圖1所示。光學背景板位于煙霧區域的一側，圖像傳感器位于煙霧區域另一側。

煙霧透過率的計算基于朗伯貝爾定律。本方法利用圖像傳感器對火藥裝藥燃燒流場煙霧進行圖像采集。假定羽流煙霧自身為非光源，無光信號輻射的情況下，圖像中煙霧區域某點的成像灰度是該區域煙霧透射的光信號和煙霧反射環境光信號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光強；Ia0為光學背景的信號光強；τ為煙霧的光透過率；Ib0為煙霧反射、折射其他光源的信號光強。

為消除煙霧反射折射其他光源引入的光噪聲，背景板設計為灰白相間條紋[9]，對于不同灰度的光學背景，傳感器接收到的光信號強度可表示為：

(2)

一般情況下，煙霧場分布是不均勻的，且隨時間發生變化。在特定時刻，當所表征的煙霧場區域足夠小時，可以近似認為相鄰兩個最小單元內，煙霧透過率相同，并且其反射、折射其他光源信號的強度相同，即τ0=τ1，且Ib0=Ib1。在傳感器的線性響應區間內，圖像像素灰度與該點光信號強度成正比，因此該點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任意一點(x,y)處的煙霧透過率。在實際應用中，還可以對最小處理單元的煙霧透過率變化建立一些更為復雜的模型。在此基礎上，進行圖像中煙霧透過率分布場的幾何特征研究，可以獲得現實煙霧的透過率分布場對應的空間特性。假設圖像煙霧場內任意兩點的坐標分別為(x1,y1)、(x2,y2)，則現實煙霧場對應兩點在成像平面投影長度的函數關系可表示為：

(4)

式中：L為物理空間內兩點的距離；k為圖像比例尺。

將煙霧圖像所對應的透過率矩陣，以U(τa≤τ≤τb)為閾值進行二值化處理(其中τa,τb為常數)，即可實現對煙霧圖像中特定透過率煙霧區域的識別。該過程可表示為：

(5)

式中：B(i,j)為圖像二值化操作后的數值；τ(i,j)為圖像中(i,j)像素點對應的煙霧透過率。

通過統計二值圖像中數值為1的像素點數量，利用圖像的比例尺即可計算煙霧圖像中煙霧區域的面積。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域面積；k為比例尺；N為滿足閾值條件的像素點數量。

1.2 實驗設計

測試樣品為Al-CMDB推進劑(含鋁粉的復合改性雙基推進劑)，單孔管狀藥，裝藥方式為自由裝填。發動機為Φ50mm標準試驗縮比發動機，工作壓力設計為(7±0.5)MPa，工作時間為0.72s。

所采用的光學背景板尺寸為2.4m×0.8m，條紋寬度為0.2m，光學背景板左側距發動機噴口水平距離為2m，發動機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(響應光譜為0.4～0.7μm，幀速60f/s)。外場環境，環境溫度(30±10)C°，風力小于3級，少云。

2 結果與討論

2.1 特定時刻煙霧空間分布的特征分析

通過對測試獲得圖像序列中的單幀圖像進行處理，可獲得該時刻的煙霧透過率空間分布數據。圖2(a)為Al-CMDB推進劑裝藥開始工作第0.62s時的煙霧可見光透過率分布偽彩圖，圖2(b)為該時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%]區間內的煙霧區域分布圖，圖2(d)為透過率在[40%,70%]區間內的煙霧區域分布圖。

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

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

2.2 煙霧空間分布的時域特征

發動機開始工作后的測試區域內基于透過率區間、水平區域以及垂直區域上劃分的煙霧面積-時間曲線如圖3所示。其中對透過率在[0,30%]、[30%,70%]、[70%,100%]區間的煙霧面積分別統計，結果如圖3(a)所示；將測試區域在垂直方向上等分為上部、中部、下部3塊區域，統計透過率在[0,30%]區間內的煙霧區域面積，結果如圖3(b)所示；將測試區域在水平方向上等分為左、中、右3塊區域，統計透過率在[0,30%]區間內的煙霧區域，結果如圖3(c)所示。

結合試驗煙霧圖像進行分析可以發現，在發動機工作過程中羽流火焰輻射強度大，背景板及煙霧本身均反射明顯的火焰光信號，部分區域在圖像傳感器中成像灰度飽和，對測試結果中煙霧透過率準確度的影響較大。如需克服羽流火焰對測試結果的影響,一方面需要增大圖像傳感器對光強的響應范圍；另一方面也可調整背景板的位置,使其遠離羽流火焰,減少火焰輻射對測試裝置的影響。在圖3數據中，t=0.6s之前的數據可信度較差，不納入討論范圍。

由圖3(a)可以看出，在0.6～0.76s時，透過率在[30%，70%]內的煙霧區域面積大于其他兩個區間內的煙霧面積；當t>0.76s時，透過率在[70%，100%]區間的煙霧面積大于其他兩個區間內的煙霧面積；當t=1.6s后，透過率在70%以上的煙霧區域基本占據整個測試區域。相當于在發動機工作結束0.88s后，測試區域內的羽流煙霧基本完全消散。

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

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

3 結 論

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

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

(3)該方法能有效測定特定透過率區間的推進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域，測試結果的精度會受到較大影響。該方法也可用于發射藥身管武器膛口煙霧面積特性分析。