CN104501737B - 一种液体射流喷雾边界定位的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种液体射流喷雾边界定位装置及方法，包括片光激光器、同步控制器、CCD相机和计算机，其喷雾边界定位方法包括两个步骤，首先获取图像：整个拍摄过程在暗室环境中进行，计算机协同片光激光器、同步控制器和CCD相机共同工作，片光激光器发出脉冲的激光片光照射在液体射流喷雾上，CCD相机对焦在被照亮的喷雾平面上，同步控制器控制激光片光照亮喷雾的时间正好处于CCD相机的曝光时间段内；然后图像处理：计算机实时接收来自CCD相机的多幅拍摄图像，采用灰度积分方法定位喷雾边界，即将多幅图像各个点的灰度值进行累加积分计算，超过灰度最高值的数值，全都设置为最高灰度值，最后采用灰度阈值法提取喷雾边界。本发明可精确、快速获取喷雾边界信息。
Description
技术领域
本发明具体涉及光学测量方法和图像处理领域，特别涉及一种液体射流喷雾边界定位的装置及方法。
背景技术
在超声速飞行器的研究背景下，超燃冲压发动机作为最有可能最先实现的推进方式倍受关注。煤油等液体燃料在超燃冲压发动机内部的雾化效果直接决定着发动机的燃烧效率和工作性能。雾化后的喷雾空间分布对发动机的燃烧效率至关重要。一般地，评价喷雾空间分布的常用指标包括喷雾锥角、穿透深度和展向分布等。目前研究喷雾空间分布的方法主要有直接成像法、PDA方法和马尔文方法。其中PDA方法能够较准确的获得喷雾空间分布信息，而多数直接成像方法由于成像品质、数据处理方法以及成像方法本身的局限往往无法获得精确的、客观的空间分布信息。本发明从成像方法上进行改进，使能够捕捉到稀薄的液雾液滴，同时在图像信息提取方面提出一种客观的提取方法，排除人为因素对提取结果的干预。
发明内容
为克服现有方法的不足，本发明提供一种液体射流喷雾边界定位的装置及方法，利用激光片光成像结合灰度积分的图像处理方法可精确、快速获取喷雾边界信息。
一种液体射流喷雾边界定位的装置，包括片光激光器、同步控制器、CCD相机和计算机，片光激光器、同步控制器和CCD相机都与计算机直接相连，计算机通过控制同步控制器进而控制片光激光器和CCD相机的工作时序，在暗室环境中，片光激光器发出脉冲的激光片光瞬间照亮喷雾的一个截面，同时，CCD相机的焦平面与被照亮截面重合，同步控制器控制CCD相机和片光激光器同步工作，对被照亮的喷雾截面进行成像，计算机采集CCD相机所拍摄的图像并对图像进行处理，提取喷雾边界信息。
进一步地，所述片光激光器产生脉冲的激光片光，所述激光片光的厚度小于1mm，所述激光片光的脉冲宽度选取原则为：脉冲宽度时间内图像中任一点的运动距离不超过1个像素。
进一步地，所述CCD相机的焦平面与喷雾被照亮截面重合，CCD相机的景深与激光片光厚度相同量级。
进一步地，所述激光片光照明时间小于CCD相机的曝光时间。
进一步地，所述同步控制器控制激光片光照明时间在CCD相机曝光时间段内。
进一步地，所述CCD相机曝光时间内只发生一次激光片光照明。
一种液体射流喷雾边界定位的方法，第一步，获取图像：整个拍摄过程在暗室环境中进行，计算机协同片光激光器、同步控制器和CCD相机共同工作，片光激光器发出脉冲的激光片光照射在液体射流喷雾上，CCD相机对焦在被照亮的喷雾平面上，同步控制器控制激光片光照亮喷雾的时间正好处于CCD相机的曝光时间段内，对被照亮的喷雾截面进行成像；
第二步，图像处理：计算机实时接收来自CCD相机的多幅拍摄图像，采用灰度积分方法定位喷雾边界，即将多幅图像各个点的灰度值进行累加积分计算，超过灰度最高值的数值，全都设置为最高灰度值，最后采用灰度阈值法提取喷雾边界。
在第一步中制作标定板并放置在成像区域，标定板上印有正交网格作为标定平面，标定平面与激光片光平面重合，最后在暗室环境中利用CCD相机对标定平面进行图像采集，并通过计算建立物理空间与像素空间的对应关系。
在第二步中利用灰度积分方法处理所得的多幅图像，将多幅图像各个像素点的灰度值进行累加积分计算，超过灰度最高值的数值，全都设置为最高灰度值；将灰度积分方法处理获得的图像结果进行二值化处理，采用灰度阈值法提取喷雾边界；上述灰度阈值法采用的阈值为0；根据物理空间与像素空间的对应关系，将像素空间中的喷雾边界映射到实际物理空间，实现喷雾边界的定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.液体对激光的散射性能强，采用激光片光照明喷雾的方法能够完美捕捉一些稀薄液雾的存在，在准确反应液体空间分布方面，该方法优于其它光学方法。
2.该方法能够一次性获得喷雾一个截面内的液雾分布，相比相多普勒分析方法(PDA)更加快捷、方便。
3.灰度积分方法在瞬态边界剧烈变化的小样本图像平均过程中，不会出现因个别亮点出现次数少而将该点信息抹除的现象，更能保证边界信息的完整性。
4.灰度阈值为0，有效防止图像处理过程中人为因素的干预，使结果更加标准、可重现。
为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明和附图，然而所附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明液体射流喷雾边界定位装置的结构示意图；
图2为本发明液体射流喷雾边界定位方法的流程图；
图3为本发明实施例中标定板上的正交网格图；
图4为本发明实施例中单帧喷雾图像灰度图；
图5为本发明实施例中灰度积分处理后的灰度图像；
图6为本发明实施例中二值化处理后的灰度图像。
具体实施方式
本实施例针对液体射流垂直于空气来流喷入空气中所形成的喷雾进行边界定位。本发明也可以其它不同的方式予以实施，如液体射流喷入静止空气时锥形喷雾的边界定位等。
本实施例提供一种液体射流喷雾边界定位的装置，其结构示意如图1所示。装置包括片光激光器1、同步控制器2、CCD相机3、计算机4和拍摄区域5。
本发明的边界定位过程及原理如图2所示。在暗室环境中，片光激光器1发出脉冲的激光片光11瞬间照亮喷雾的一个截面，同时，CCD相机3的焦平面与被照亮截面重合，同步控制器2控制CCD相机3和片光激光器1同步工作，对被照亮的喷雾截面进行成像，计算机4采集CCD相机3所拍摄的图像并对图像进行处理，提取喷雾边界信息。
所述片光激光器1主要功能是产生脉冲的激光片光11，所述激光片光11厚度0.5mm，所述激光片光11的脉冲宽度选取步骤为：首先确定成像的实际空间尺寸30x15mm、CCD相机3像素数4096x2048pixel和喷雾最大运动速度500m/s；然后计算图像的空间分辨率30mm/4096pixel＝7.3um/pixel；最后确定脉冲宽度最大值为7.3(um/pixel)/500(m/s)＝14.6ns/pixel。实施例中选用激光脉冲宽度为7ns。
所述CCD相机3的焦平面和喷雾被照亮截面重合，CCD相机3的单次曝光时间为200ms。
本实施例进一步的实施过程为：
步骤一、设置工作时序
片光激光器1、同步控制器2和CCD相机3都与计算机4直接相连，计算机4通过控制同步控制器2进而控制片光激光器1和CCD相机3的工作时序。设置CCD相机3开始曝光100ms后片光激光器1开始出光，CCD相机3曝光频率为5Hz，片光激光器1出光间隔为200ms。
步骤二、标定像素空间
首先固定成像系统摆放位置，激光片光11平面与CCD相机3对焦平面重合，CCD相机3对成像区域5内30x15mm的范围进行成像。
然后制作标定板并放置在成像区域5，标定板上印有正交网格作为标定平面，标定平面与激光片光11平面重合。
最后在暗室环境中利用CCD相机3对标定平面进行图像采集，并通过计算建立物理空间与像素空间的对应关系。
步骤三、对射流喷雾进行成像
开启试验装置，实现液体射流在横向气流中的雾化过程，使用本发明装置对喷雾进行成像，成像帧数100。
步骤四、边界定位
首先将图像转换成灰度图，图像灰度从0到4095共分4096级。灰度为0表示该点没有被激光照亮，即没有液体存在。
然后是图像的灰度积分过程。在像素空间中，建立所得100幅图像的灰度矩阵，将所有灰度矩阵直接相加，相加后灰度值大于4095的直接赋值4095，其它保持不变，从而获得新的灰度图像。
然后是图像二值化处理。在图5灰度积分处理后的灰度图像对应的灰度矩阵中，将非零点全部赋值4095，获得新的灰度矩阵和图像图像。
然后是边界提取。上述图6对应的灰度矩阵中灰度0和灰度4095的分截面即为喷雾边界，记录喷雾边界在像素空间的坐标表示。
最后是坐标空间转换。根据步骤二中建立的像素空间和实际物理空间的对应关系，将上述喷雾边界在像素空间的坐标表示转换成在实际物理空间内的坐标表示。
最终获得喷雾边界的物理空间信息。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种液体射流喷雾边界定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，构建液体射流喷雾边界定位装置
液体射流喷雾边界定位装置包括片光激光器、同步控制器、CCD相机和计算机，片光激光器、同步控制器和CCD相机都与计算机直接相连，计算机通过控制同步控制器进而控制片光激光器和CCD相机的工作时序，在暗室环境中，片光激光器发出脉冲的激光片光瞬间照亮喷雾的一个截面，同时，CCD相机的焦平面与被照亮截面重合，同步控制器控制CCD相机和片光激光器同步工作，对被照亮的喷雾截面进行成像，计算机采集CCD相机所拍摄的图像并对图像进行处理，提取喷雾边界信息，所述片光激光器产生脉冲的激光片光，所述激光片光的厚度小于1mm，所述激光片光的脉冲宽度选取原则为：脉冲宽度时间内图像中任一点的运动距离不超过1个像素，所述激光片光的脉冲宽度选取步骤为：首先确定成像的实际空间尺寸30x15mm、CCD相机像素数4096x2048pixel和喷雾最大运动速度500m/s；然后计算图像的空间分辨率30mm/4096pixel＝7.3um/pixel；最后确定脉冲宽度最大值为7.3(um/pixel)/500(m/s)＝14.6ns/pixel；
第二步、设置工作时序
设置CCD相机开始曝光100ms后片光激光器开始出光，CCD相机曝光频率为5Hz，片光激光器出光间隔为200ms；
第三步、标定像素空间
激光片光平面与CCD相机对焦平面重合，CCD相机对成像区域内30x15mm的范围进行成像；
然后制作标定板并放置在成像区域，标定板上印有正交网格作为标定平面，标定平面与激光片光平面重合；
最后在暗室环境中利用CCD相机对标定平面进行图像采集，并通过计算建立物理空间与像素空间的对应关系；
第四步、对射流喷雾进行成像
开启试验装置，实现液体射流在横向气流中的雾化过程，使用液体射流喷雾边界定位装置对喷雾进行成像，成像帧数100；
第五步、边界定位
首先将图像转换成灰度图：图像灰度从0到4095共分4096级，灰度为0表示该点没有被激光照亮，即没有液体存在；
然后是图像的灰度积分过程：在像素空间中，建立所得100幅图像的灰度矩阵，将所有灰度矩阵直接相加，相加后灰度值大于4095的直接赋值4095，其它保持不变，从而获得新的灰度图像；
然后是图像二值化处理：在灰度积分处理后的灰度图像对应的灰度矩阵中，将非零点全部赋值4095，获得新的灰度矩阵和图像；
然后是边界提取：新的灰度矩阵中灰度0和灰度4095的分截面即为喷雾边界，记录喷雾边界在像素空间的坐标表示；
最后是坐标空间转换：根据第三步中建立的像素空间和实际物理空间的对应关系，将上述喷雾边界在像素空间的坐标表示转换成在实际物理空间内的坐标表示；
最终获得喷雾边界的物理空间信息。
2.根据权利要求1所述的液体射流喷雾边界定位的方法，其特征在于，所述CCD相机的焦平面与喷雾被照亮截面重合，CCD相机的景深与激光片光厚度相同量级。
3.根据权利要求1所述的液体射流喷雾边界定位的方法，其特征在于，所述激光片光照明时间小于CCD相机的曝光时间。
4.根据权利要求1所述的液体射流喷雾边界定位的方法，其特征在于，所述同步控制器控制激光片光照明时间在CCD相机曝光时间段内。
5.根据权利要求1所述的液体射流喷雾边界定位的方法，其特征在于，所述CCD相机曝光时间内只发生一次激光片光照明。
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