程玉慶,鄭 琨

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

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投影圖像法在立式風(fēng)洞中的應(yīng)用

程玉慶,鄭 琨

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

文中著重介紹了投影圖像法在立式風(fēng)洞中的應(yīng)用,傘彈穩(wěn)態(tài)掃描試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、圖像采集與處理方法、以及傘彈穩(wěn)態(tài)特性研究。研究結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作正常,測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試到了傘彈系統(tǒng)的彈體姿態(tài)及掃描角等參數(shù),彈體平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果和外場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量值基本一致。

穩(wěn)態(tài)掃描;圖像處理;掃描角;轉(zhuǎn)速

0 引言

在炮射末敏彈及智能雷的作用流程中,傘彈系統(tǒng)作為捕獲目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其氣動(dòng)特性研究對(duì)整個(gè)彈藥而言尤為重要。文中立足于穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展傘彈系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)掃描技術(shù)研究,主要是從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試方法等方面對(duì)傘彈系統(tǒng)的立式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究。該穩(wěn)態(tài)掃描實(shí)驗(yàn)裝置是國(guó)內(nèi)首個(gè)可以開(kāi)展傘彈系統(tǒng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)洞

穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置(以下稱立式風(fēng)洞)是一座L型低速直流開(kāi)口立式風(fēng)洞,該裝置收縮段出口直徑為Φ4.5m(見(jiàn)圖1),試驗(yàn)段射流長(zhǎng)度為6.5m,試驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍為5～50m/s,本裝置主要性能和流場(chǎng)品質(zhì)見(jiàn)表1。

本實(shí)驗(yàn)裝置主要是進(jìn)行傘彈系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)掃描實(shí)驗(yàn),獲得傘彈系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)掃描實(shí)驗(yàn)時(shí)的掃描角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)及從降落傘開(kāi)傘到傘彈系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間歷程,此外還可以對(duì)降落傘進(jìn)行篩選試驗(yàn),圖2給出了某傘彈系統(tǒng)在立式風(fēng)洞中的實(shí)驗(yàn)圖片。

表1 主要性能和流場(chǎng)品質(zhì)

圖1 穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置收縮段出口

圖2 傘彈系統(tǒng)模型的立式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)圖片

彈體掃描角和轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由兩臺(tái)圖像采集機(jī)、高分辨率視頻采集卡及連接設(shè)備組成,支持異步復(fù)位、曝光控制和觸發(fā)輸入/輸出,可以通過(guò)外部觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)圖像捕捉卡采集圖像,支持曝光時(shí)間和照明燈光控制。

1.2 測(cè)試儀器

a)差壓傳感器:量程0～±1 500Pa,精度0.2%;

b)微壓計(jì):YJB-2500;

c)溫度傳感器:量程-20～60℃,精度0.5℃;

d)大氣壓力計(jì):YM3型空盒氣壓表;

e)CCD相機(jī)2臺(tái)。

2 模型支撐方法

立式風(fēng)洞試驗(yàn)中傘彈系統(tǒng)模型的支撐方式既要考慮支撐的可靠性,又要確保支撐系統(tǒng)對(duì)傘彈系統(tǒng)的影響最小。目前采用的支撐方法是在降落傘的頂孔處系一根鋼絲繩,鋼絲繩通過(guò)兩個(gè)滑輪由實(shí)驗(yàn)段頂部的支架處(見(jiàn)圖3)引到實(shí)驗(yàn)段旁邊。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)拉緊或放松鋼絲繩控制傘彈系統(tǒng)模型進(jìn)入到試驗(yàn)段中,某傘彈系統(tǒng)模型及連接鋼絲繩見(jiàn)圖4。

圖3 實(shí)驗(yàn)段頂部支架

圖4 傘彈系統(tǒng)模型及連接鋼絲繩

3 圖像采集與處理

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由投影照相系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)兩大部分組成。

3.1 投影照相系統(tǒng)

投影照相系統(tǒng)由兩路正交且相同的測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成,每一路測(cè)量系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、投影屏和圖像采集系統(tǒng)等3個(gè)分系統(tǒng)組成。

對(duì)于一般情況下傘在試驗(yàn)段中前后、左右及上下方向250mm的漂移范圍,可以對(duì)投影光源和CCD不作任何移動(dòng)和調(diào)整,就可以通過(guò)兩個(gè)相互正交的照明系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)將彈體或彈體母線分別投影到兩個(gè)正交的投影屏上(見(jiàn)圖6),用兩個(gè)相互正交的采集系統(tǒng)對(duì)投影屏上的投影圖像同時(shí)進(jìn)行拍攝記錄,根據(jù)拍攝記錄到的兩幅圖像就能實(shí)現(xiàn)掃描角的測(cè)量。

圖5 投影照相系統(tǒng)的激光光源

圖6 傘彈系統(tǒng)模型及在投影屏上的投影圖

3.2 圖像采集系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī),分別對(duì)兩路高分辨率CCD進(jìn)行圖像采集,并將圖像存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中,硬盤(pán)中的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)1 000Mbit光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖像處理,并通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕多窗口顯示角度姿態(tài)圖像及角度測(cè)量結(jié)果。

在測(cè)控間的服務(wù)器上通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)絡(luò)正確設(shè)置兩路采集主機(jī)的采集軟件,采集方式為外同步觸發(fā)方式,通常的采集容量為400幅,曝光時(shí)間為0.8ms,CCD像素分辨率1 280像素×1 024像素,采集幀頻為74幀/s。有時(shí)也根據(jù)傘彈的固有轉(zhuǎn)速?gòu)男略O(shè)置曝光時(shí)間和采集幀頻。

在傘彈穩(wěn)態(tài)掃描試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)傘彈系統(tǒng)穩(wěn)定后,確保彈體完全進(jìn)入兩路系統(tǒng)的視場(chǎng),兩路采集主機(jī)通過(guò)外同步觸發(fā)方式同時(shí)采集400幅現(xiàn)場(chǎng)的彈體投影圖像,通過(guò)圖像處理軟件獲得彈體隨時(shí)間變化的掃描角曲線和彈體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

3.3 圖像處理技術(shù)

在圖像處理時(shí),既要保證處理的正確性和可靠性,還要對(duì)處理有一定的速度要求。因?yàn)檫@類試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量非常大,圖像處理算法一般是比較耗時(shí)的,即便是離線處理,也不能耗費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間。在圖像的識(shí)別和處理中,目前是采用圖像增強(qiáng)、濾波、圖像校正、圖像分割、模式匹配、邊緣檢測(cè)、圖像長(zhǎng)度和角度測(cè)量等快速圖像處理方法,可以做到比較快、且較準(zhǔn)確的測(cè)量出掃描角和轉(zhuǎn)速。

在掃描角計(jì)算時(shí),需要在彈體投影圖像上準(zhǔn)確的提取出兩個(gè)特征點(diǎn),計(jì)算出通過(guò)這兩點(diǎn)的直線斜率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描角的準(zhǔn)確測(cè)量。

在進(jìn)行特征點(diǎn)提取時(shí),選取平行于CCD定標(biāo)直線(或傘-彈系統(tǒng)的中軸線)的多條平行線與彈體投影圖像相截,找出每一條平行直線上與彈體投影圖像相交的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),當(dāng)某兩條平行直線上像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等時(shí),以該兩條平行直線上像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的一半的兩個(gè)像素點(diǎn)作為提取的特征點(diǎn),以這兩點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出通過(guò)該兩點(diǎn)的直線斜率。按照這種方法用平行直線無(wú)限相截下去,就能計(jì)算出彈體投影圖像的平均斜率,達(dá)到對(duì)掃描角進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的目的

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖7和圖8為某傘彈系統(tǒng)在來(lái)流速度為20m/s條件下掃描角和轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果,從圖8可以看出除個(gè)別點(diǎn)外,掃描角呈現(xiàn)較穩(wěn)定的周期性變化,大約在5°的范圍內(nèi)波動(dòng)。圖7為轉(zhuǎn)速變化曲線,該轉(zhuǎn)速是通過(guò)100幅圖像平均后獲得的,從圖7中可以看出平均轉(zhuǎn)速基本上是穩(wěn)定的,全周期平均轉(zhuǎn)速為6.236r/s,與外場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果一致。

圖7 轉(zhuǎn)速曲線

圖8 掃描角曲線

5 結(jié)論

通過(guò)文中的研究工作,基本獲得了傘彈系統(tǒng)的立式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試方法,并對(duì)某傘彈系統(tǒng)模型進(jìn)行了立式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試方法的可行性、整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,結(jié)果表明:

1)本實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行傘彈系統(tǒng)的立式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);

2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作正常,測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試到了傘彈系統(tǒng)的彈體姿態(tài)及掃描角等參數(shù);

3)彈體平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果和外場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量值基本一致。

[1] 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所. 穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案 [R]. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所, 2003-09.

[2] 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所. 穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置圖像處理系統(tǒng)使用維護(hù)說(shuō)明書(shū) [R]. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所, 2007-10.

[3] 汪思國(guó). 投影圖像法對(duì)旋轉(zhuǎn)體空間掃描角和轉(zhuǎn)速的測(cè)量研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2010, 24(1): 79-83.

[4] 范潔川. 風(fēng)洞試驗(yàn)手冊(cè) [M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2002.

[5] 惲起麟. 風(fēng)洞試驗(yàn) [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2000.

Application of Projection Image Method in Vertical Wind Tunnel

CHENGYuqing,ZHENGKun

(No.203ResearchInstituteofChinaOrdnanceIndustries,Xi’an710065,China)

Thispaperemphasizesontheapplicationofprojectionimagemethodinverticalwindtunnel,andthetestmethods,testingequipment,imagecollectionandprocessingmethodofParachute-Bombstablesweepingtests,andthestudyonthesteadystatecharacteristicsofparachute-bomb.Theresultoftheinvestigationindicatesthatthesystemofexperimentationcanworkproperly.Theparameterssuchasthemissilebodyattitude,thescanningangleofparachut-bombsystemandthemeasurementresultsoftheaveragerotatingspeedofprojectilewhichweretestedbymeasurementsystemwereconsistentwiththeresultsofoutfield.

steadyscanning;imagemanipulation;scanningangle;rotatingspeed

2015-08-20

程玉慶(1980-),女,安徽來(lái)安人,工程師。研究方向:氣動(dòng)力設(shè)計(jì)。

V211.78,TP

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