投影图像法在立式风洞中的应用

程玉庆,郑 琨

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)



投影图像法在立式风洞中的应用

程玉庆,郑 琨

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

文中着重介绍了投影图像法在立式风洞中的应用,伞弹稳态扫描试验的试验方法、试验设备、图像采集与处理方法、以及伞弹稳态特性研究。研究结果表明:实验系统工作正常,测量系统测试到了伞弹系统的弹体姿态及扫描角等参数,弹体平均转速的测量结果和外场试验的测量值基本一致。

稳态扫描;图像处理;扫描角;转速

0 引言

在炮射末敏弹及智能雷的作用流程中,伞弹系统作为捕获目标的关键环节,其气动特性研究对整个弹药而言尤为重要。文中立足于稳态扫描环境模拟实验装置,开展伞弹系统的稳态扫描技术研究,主要是从风洞实验方法和测试方法等方面对伞弹系统的立式风洞实验技术进行研究。该稳态扫描实验装置是国内首个可以开展伞弹系统测试的实验装置。

1 试验设备简介

1.1 风洞

稳态扫描环境模拟试验装置(以下称立式风洞)是一座L型低速直流开口立式风洞,该装置收缩段出口直径为Φ4.5m(见图1),试验段射流长度为6.5m,试验段设计风速范围为5～50m/s,本装置主要性能和流场品质见表1。

本实验装置主要是进行伞弹系统稳态扫描实验,获得伞弹系统稳态扫描实验时的扫描角、转速等参数及从降落伞开伞到伞弹系统达到稳定的时间历程,此外还可以对降落伞进行筛选试验,图2给出了某伞弹系统在立式风洞中的实验图片。

表1 主要性能和流场品质

图1 稳态扫描环境模拟试验装置收缩段出口

图2 伞弹系统模型的立式风洞实验图片

弹体扫描角和转速测量系统由两台图像采集机、高分辨率视频采集卡及连接设备组成,支持异步复位、曝光控制和触发输入/输出,可以通过外部触发信号来触发图像捕捉卡采集图像,支持曝光时间和照明灯光控制。

1.2 测试仪器

a)差压传感器:量程0～±1 500Pa,精度0.2%;

b)微压计:YJB-2500;

c)温度传感器:量程-20～60℃,精度0.5℃;

d)大气压力计:YM3型空盒气压表;

e)CCD相机2台。

2 模型支撑方法

立式风洞试验中伞弹系统模型的支撑方式既要考虑支撑的可靠性,又要确保支撑系统对伞弹系统的影响最小。目前采用的支撑方法是在降落伞的顶孔处系一根钢丝绳,钢丝绳通过两个滑轮由实验段顶部的支架处(见图3)引到实验段旁边。实验现场操作人员通过拉紧或放松钢丝绳控制伞弹系统模型进入到试验段中,某伞弹系统模型及连接钢丝绳见图4。

图3 实验段顶部支架

图4 伞弹系统模型及连接钢丝绳

3 图像采集与处理

整个数据采集系统主要由投影照相系统和图像采集处理系统两大部分组成。

3.1 投影照相系统

投影照相系统由两路正交且相同的测量系统构成,每一路测量系统包括照明系统、投影屏和图像采集系统等3个分系统组成。

对于一般情况下伞在试验段中前后、左右及上下方向250mm的漂移范围,可以对投影光源和CCD不作任何移动和调整,就可以通过两个相互正交的照明系统(见图5)将弹体或弹体母线分别投影到两个正交的投影屏上(见图6),用两个相互正交的采集系统对投影屏上的投影图像同时进行拍摄记录,根据拍摄记录到的两幅图像就能实现扫描角的测量。

图5 投影照相系统的激光光源

图6 伞弹系统模型及在投影屏上的投影图

3.2 图像采集系统

现场采用两台工业计算机,分别对两路高分辨率CCD进行图像采集,并将图像存储到计算机硬盘中,硬盘中的图像数据通过1 000Mbit光纤网络传输到中央数据处理主机进行数据存储和图像处理,并通过计算机屏幕多窗口显示角度姿态图像及角度测量结果。

在测控间的服务器上通过现场局域网络正确设置两路采集主机的采集软件,采集方式为外同步触发方式,通常的采集容量为400幅,曝光时间为0.8ms,CCD像素分辨率1 280像素×1 024像素,采集帧频为74帧/s。有时也根据伞弹的固有转速从新设置曝光时间和采集帧频。

在伞弹稳态扫描试验过程中,当伞弹系统稳定后,确保弹体完全进入两路系统的视场,两路采集主机通过外同步触发方式同时采集400幅现场的弹体投影图像,通过图像处理软件获得弹体随时间变化的扫描角曲线和弹体旋转的转速。

3.3 图像处理技术

在图像处理时,既要保证处理的正确性和可靠性,还要对处理有一定的速度要求。因为这类试验的数据量非常大,图像处理算法一般是比较耗时的,即便是离线处理,也不能耗费太长的时间。在图像的识别和处理中,目前是采用图像增强、滤波、图像校正、图像分割、模式匹配、边缘检测、图像长度和角度测量等快速图像处理方法,可以做到比较快、且较准确的测量出扫描角和转速。

在扫描角计算时,需要在弹体投影图像上准确的提取出两个特征点,计算出通过这两点的直线斜率,从而实现对扫描角的准确测量。

在进行特征点提取时,选取平行于CCD定标直线(或伞-弹系统的中轴线)的多条平行线与弹体投影图像相截,找出每一条平行直线上与弹体投影图像相交的像素点的个数,当某两条平行直线上像素点的个数相等时,以该两条平行直线上像素点个数的一半的两个像素点作为提取的特征点,以这两点的坐标计算出通过该两点的直线斜率。按照这种方法用平行直线无限相截下去,就能计算出弹体投影图像的平均斜率,达到对扫描角进行准确测量的目的

4 试验结果

图7和图8为某伞弹系统在来流速度为20m/s条件下扫描角和转速测试结果,从图8可以看出除个别点外,扫描角呈现较稳定的周期性变化,大约在5°的范围内波动。图7为转速变化曲线,该转速是通过100幅图像平均后获得的,从图7中可以看出平均转速基本上是稳定的,全周期平均转速为6.236r/s,与外场试验的结果一致。

图7 转速曲线

图8 扫描角曲线

5 结论

通过文中的研究工作,基本获得了伞弹系统的立式风洞实验方法和测试方法,并对某伞弹系统模型进行了立式风洞实验,以验证实验方法和测试方法的可行性、整个系统工作的稳定性以及实验结果的可靠性,结果表明:

1)本实验方法可以进行伞弹系统的立式风洞实验;

2)实验系统工作正常,测量系统测试到了伞弹系统的弹体姿态及扫描角等参数;

3)弹体平均转速的测量结果和外场试验的测量值基本一致。

[1] 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所. 稳态扫描环境模拟试验装置设计方案 [R]. 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 2003-09.

[2] 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所. 稳态扫描环境模拟试验装置图像处理系统使用维护说明书 [R]. 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 2007-10.

[3] 汪思国. 投影图像法对旋转体空间扫描角和转速的测量研究 [J]. 实验流体力学, 2010, 24(1): 79-83.

[4] 范洁川. 风洞试验手册 [M]. 北京: 航空工业出版社, 2002.

[5] 恽起麟. 风洞试验 [M]. 北京: 国防工业出版社, 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

程玉庆(1980-),女,安徽来安人,工程师。研究方向:气动力设计。

V211.78,TP

A