CN112129483A - 一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置及方法 - Google Patents

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CN112129483A CN202010850738.2A CN202010850738A CN112129483A CN 112129483 A CN112129483 A CN 112129483A CN 202010850738 A CN202010850738 A CN 202010850738A CN 112129483 A CN112129483 A CN 112129483A
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Abstract

本发明涉及一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置及方法，属于航空航天飞行器技术领域。本发明通过采集试验过程中被测模型受热响应视频，利用图像处理技术捕捉模型表面边界，获取表面边界移动变化动态信息辨识得到被测模型的表面烧蚀后退速率，再将表面后退速率或后退量反馈至伺服控制系统，通过伺服电机及传动系统补偿由于被测模型表面后退导致的位置偏差，保证试验过程中被测模型环境状态的稳定性。

Description

一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置及方法，特别涉及防热材料或热防护系统烧蚀地面模拟试验装置及方法，属于航空航天飞行器技术领域。
背景技术
高速飞行器热防护材料或热防护系统在实际飞行前通常需要进行烧蚀地面模拟试验，用于检测防热材料在高温环境下的表面(外模线)后退量及温度响应情况是否符合设计要求。模拟飞行器热防护材料或热防护系统的地面试验设备通常有电弧风洞、等离子风洞、燃气流风洞、氧乙炔火焰、氧丙烷火焰、石英灯或碳灯辐射加热等。现有的烧蚀地面模拟试验采用传统的被动式无反馈烧蚀地面模拟试验系统进行，具体试验方法为：在试验进行以前，首先将装有热流密度或温度传感器的模型放置在距离高温流体喷管出口或高温加热体热源一定距离的位置，通过调整热源功率、工作介质或模型位置，监测各类传感器响应情况，直至传感器测得的热流密度或表面温度与设计考核环境参数抑制。随后记录工作介质、电源系统、模型工作台位置以及其它辅助系统等设计运行参数信息，作为设计环境下热防护材料或热防护系统模拟试验的固定试验参数。
然而，现有的被动式无反馈烧蚀地面模拟试验系统存在如下缺点：
(1)、传统防热材料或热防护系统烧蚀地面模拟试验系统中测试模型位置固定，试验过程中材料表面由于高温作用通常发生烧蚀产生边界后退，导致模型的实际表面位置偏离试验状态确定时的名义位置，测试模型的实际承受环境状态偏离设定状态，且状态偏离程度随着烧蚀后退量增加而增加。
(2)、传统防热材料或热防护系统烧蚀地面模拟试验系统通常通过测量模型在试验前后指定位置的高度差来确定烧蚀后退量，试验过程中模型表面的后退定量数值通常无法获取，即无法获得被测模型表面的实时烧蚀后退速率。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置及方法，试验过程中实时获取被测模型烧蚀后退速率，并补偿由于被测模型表面后退导致的被测试验模型烧蚀面相对于烧蚀试验基准位置之间的偏差，保证试验过程中被测模型环境状态的稳定性。
本发明解决技术的方案是：一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置，该装置包括图像采集器、图像处理计算机、伺服控制器、第一伺服电机、移动工作台、移动工作台运动轨道；
移动工作台，安装在移动工作台运动轨道上，用于承载被测试验模型；
图像采集器，用于对被测试验模型的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机；
图像处理计算机，将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，按照预设的采样周期，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器；
伺服控制器，判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则产生PWM形式的电机控制信号，否则，产生固定电平形式的电机控制信号，将电机控制信号发送至第一伺服电机；
第一伺服电机，在电机控制信号的作用下，驱动移动工作台沿着移动工作台运动轨道运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量，使得被测试验模型保持处于烧蚀试验基准位置不变；同步驱动图像采集器沿与移动工作台运动轨道平行的方向移动，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。
所述移动工作台、移动工作台运动轨道位于烧蚀地面模拟试验用风洞内部；图像采集器、图像处理计算机、伺服控制器、伺服电机位于烧蚀地面模拟试验用风洞外部；烧蚀地面模拟试验用风洞上设有透明的观测窗，图像采集器透过观测窗对被测试验模型的试验过程进行录像，图像采集器光轴平行于被测试验模型烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道轴线。
所述图像采集器，镜头外采用滤光镜片保护确保图像采集器的CCD不发生过曝，周围采用水循环冷却系统保护，保障图像采集器外表面温度不高于45℃。
移动工作台运动轨道采用镍基高温合金表面喷涂钇稳定氧化锆涂层材料，轨道最高表面可耐受温度1000℃。
移动工作台均采用高压水循环冷却系统保护，保障暴露在高温气体作用下的装置温度不高于150℃。
上述基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，还包括第二伺服电机，置于烧蚀地面模拟试验用风洞内部；
伺服控制器，将电机控制信号同步发送至伺服电机和第二伺服电机；
伺服电机，用于驱动传动装置与移动工作台沿着移动工作台运动轨道运动，补偿被测试验模型烧蚀后退位移，使得被测试验模型保持烧蚀试验基准位置不变；
第二伺服电机，用于驱动图像采集器，第一伺服电机和第二伺服电机同步工作，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。
所述图像处理计算机获取单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息的具体步骤如下：
(a)、将RGB试验图像将图像转化为灰度图；
(b)、过滤所有像素点灰度至小于预设灰度门限值的像素点，并将所有灰度大于预设灰度门限值的像素点灰度值设定为指定数值，得到边界区域图片；
(c)、逐行扫描边界区域图片，逐个扫描每一行中的所有像素点，连续取三个像素点，记为第一像素点、第二像素点、第三像素点，如果第一像素点灰度值X1、第二像素点灰度值X2和第三像素点灰度值X3同时满足如下两个条件，则确定第二像素点或者第三像素点是边界区域图片中被测模型边界的像素点，否则，第一像素点、第二像素点、第三像素点均不是边界区域图片中被测模型边界的像素点；
第一个条件如下：
X1和X2之差的绝对值与X1和X2的平均值的比值小于10％，即2|X1-X2|/(X1+X2)<10％；
第二个条件如下：
X1和X3之差的绝对值与X1和X3的平均值的比值大于50％，即2|X1-X3|/(X1+X3)>50％。
所述与与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率
Figure BDA0002644632880000042
的计算公式如下：
Figure BDA0002644632880000043
其中，ΔP＝[ΔP1,ΔP2,...,ΔPn]为被测试验模型的边界各像素点位置差，ΔPi,i＝n为被测试验模图像中边界第i个像素点位置差，n为被测试验模型图像中边界像素点个数，L为被测试验模图像中单像素点对应物理尺寸。
所述与时间关联的被测试验模型表面烧蚀量R的计算公式如下：
Figure BDA0002644632880000041
其中，S为采样周期。
所述阈值不低于伺服电机能够控制移动工作台运动轨道的最小位移，设定范围为0.05～1.00mm。
本发明提供的另一个技术解决方案是：一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验方法，该方法包括如下步骤：
S1、将被测试验模型安装在移动工作台上，移动工作台安装在移动工作台运动轨道上，调整图像采集器的位置和角度，使得图像采集器的图像采集器光轴平行于被测试验模型烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道轴线；
S2、启动烧蚀地面模拟试验用风洞，开始烧蚀地面试验，同时，采用图像采集器对被测试验模型的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机；
S3、图像处理计算机将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率；
S3、图像处理计算机按照预设的采样周期，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器，进入步骤S4；
S4、伺服控制器判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S6；
S5、伺服控制器驱动移动工作台沿着移动工作台运动轨道运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量；
S6、图像处理计算机判断当前的分析时间是否达到了预定的试验时间，如果达到试验时间，则试验结束；如果没有达到试验时间，则跳转至步骤S3重复执行步骤S3～步骤S6。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明由于采用通过防热材料或热防护系统烧蚀地面模拟试验中烧蚀后退速率与烧蚀后退量的实时获取方法，实现了烧蚀试验中被测试验模型表面烧蚀后退速率的适时获取，相比现有技术中的测量试验前后材料厚度计算总烧蚀后退量的方法，获取了更为丰富的科学实验数据。
(2)、本发明由于采用图像处理计算机、伺服控制器和伺服电机系统联用系统，实现了被测模型边界位置变化的实时补偿，保证了试验过程中被测模型受热表面测试位置的精度。
(3)、本发明通过获取被测模型烧蚀后退信息进行精确位移补偿，提高了考核环境的精确保持能力，相比于现有技术中的模型位置不做调整导致名义试验状态与实际试验状态偏差较大的试验方法，降低了防热材料或热防护系统烧蚀地面模拟试验中名义试验状态与实际试验状态偏差，保证了地面试验的环境保持精度。
附图说明
图1为本发明实施例基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置组成框图；
图中：1为图像采集器；2为图像处理计算机；3为伺服控制器；4为试验模型；5-1为第一伺服电机；5-2为第二伺服电机；6为移动工作台；7为移动工作台运动轨道；8为烧蚀地面模拟试验用风洞；
图2为本发明实施例烧蚀后退量获取与补偿地面模拟试验系统工作流程；
图3为本发明实施例初始时刻t＝0.00s图像采集器获取的RGB图像；
图4为本发明实施例初始时刻t＝0.00sRGB图像处理得到的灰度图；
图5为本发明实施例初始时刻t＝0.00s区域图像识别得到的试验模型表面高温区；
图6为本发明实施例初始时刻t＝0.00s识别得到的表面边界；
图7为本发明实施例初始时刻t＝0.00s识别边界与RGB图像对比；
图8为本发明实施例t＝0.20s识别得到的表面边界；
图9为本发明实施例图9 t＝0.00s与t＝0.20s识别得到的表面边界对比；
图10为本发明实施例沿时间历程计算得到的试验模型烧蚀速率；
图11为本发明实施例沿时间历程计算得到的试验模型烧蚀后退量；
图12为本发明实施例试验过程给出的沿时间历程位移控制信号。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1：
本发明提供了一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置，该装置包括图像采集器1、图像处理计算机2、伺服控制器3、第一伺服电机5-1、移动工作台6、移动工作台运动轨道7；
移动工作台6，安装在移动工作台运动轨道7上，用于承载被测试验模型4；
图像采集器1，用于对被测试验模型4的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机2；
图像处理计算机2，将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，按照预设的采样周期，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器3；
伺服控制器3，判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则产生PWM形式的电机控制信号，否则，产生固定电平形式的电机控制信号，将电机控制信号发送至第一伺服电机5-1；优选地，所述阈值不低于伺服电机能够控制移动工作台运动轨道7的最小位移，设定范围为0.05～1.00mm。
第一伺服电机5-1，在电机控制信号的作用下，驱动移动工作台6沿着移动工作台运动轨道7运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量，使得被测试验模型保持处于烧蚀试验基准位置不变；同步驱动图像采集器1沿与移动工作台运动轨道7平行的方向移动，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。补偿被测试验模型烧蚀后退量的具体方法，可以选择其中某一个点的后退两或者多点平均后退量进行补偿。
所述移动工作台6、移动工作台运动轨道7位于烧蚀地面模拟试验用风洞8内部，烧蚀地面模拟试验用风洞8是包含产生高温气体的一个封闭结构。图像采集器1、图像处理计算机2、伺服控制器3、伺服电机5位于烧蚀地面模拟试验用风洞8外部；烧蚀地面模拟试验用风洞上设有透明的观测窗，图像采集器1透过观测窗对被测试验模型的试验过程进行录像，图像采集器1光轴平行于被测试验模型4烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道7轴线。烧蚀地面模拟试验用风洞8工作启动后，由图像采集器1采集试验模型4的试验进行录像，录像传输至图像处理计算机2后进行图像处理。
优选地，所述图像采集器1，镜头外采用滤光镜片保护确保图像采集器1的CCD不发生过曝，周围采用水循环冷却系统保护，保障图像采集器1外表面温度不高于45℃。
优选地，移动工作台运动轨道7采用镍基高温合金表面喷涂钇稳定氧化锆涂层材料，轨道最高表面可耐受温度1000℃。
优选地，移动工作台6均采用高压水循环冷却系统保护，保障暴露在高温气体作用下的装置温度不高于150℃。
优选地，所述图像处理计算机2获取单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息的具体步骤如下：
(a)、将RGB试验图像将图像转化为灰度图；
(b)、过滤所有像素点灰度至小于预设灰度门限值的像素点，并将所有灰度大于预设灰度门限值的像素点灰度值设定为指定数值，得到边界区域图片；
(c)、逐行扫描边界区域图片，逐个扫描每一行中的所有像素点，连续取三个像素点，记为第一像素点、第二像素点、第三像素点，如果第一像素点灰度值X1、第二像素点灰度值X2和第三像素点灰度值X3同时满足如下两个条件，则确定第二像素点或者第三像素点是边界区域图片中被测模型边界的像素点，否则，第一像素点、第二像素点、第三像素点均不是边界区域图片中被测模型边界的像素点；
第一个条件如下：
X1和X2之差的绝对值与X1和X2的平均值的比值小于10％，即2|X1-X2|/(X1+X2)<10％；
第二个条件如下：
X1和X3之差的绝对值与X1和X3的平均值的比值大于50％，即2|X1-X3|/(X1+X3)>50％。
所述与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率
Figure BDA0002644632880000093
的计算公式如下：
Figure BDA0002644632880000091
其中，ΔP＝[ΔP1,ΔP2,...,ΔPn]为被测试验模型的边界各像素点位置差，ΔPi,i＝n为被测试验模图像中边界第i个像素点位置差，n为被测试验模型图像中边界像素点个数，L为被测试验模图像中单像素点对应物理尺寸。
所述与时间关联的被测试验模型表面烧蚀量R的计算公式如下：
Figure BDA0002644632880000092
其中，S为采样周期。
所述烧蚀地面模拟试验用风洞可以为电弧风洞、等离子风洞或者燃气流风洞。所述烧蚀地面模拟试验包括等离子火焰烧蚀试验、氧乙炔火焰烧蚀试验、燃气火焰烧蚀试验、氧丙烷火焰烧蚀试验、石英灯烧蚀试验或碳灯辐射加热烧蚀试验等。
对于试验段无真空或封闭环境要求的烧蚀地面模拟试验用风洞8，移动工作台6和移动工作台运动轨道7可以并联使用，共同使用一台伺服电机5驱动。
图像处理计算机2和伺服控制器3可以通过硬件卡的方式直接集成在一台计算中，实现图像处理与控制信号同平台处理。
基于上述装置，本发明还提供了一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验方法，如图2所示，该方法包括如下步骤：
S1、将被测试验模型4安装在移动工作台6上，移动工作台6安装在移动工作台运动轨道7上，调整图像采集器1的位置和角度，使得图像采集器1的图像采集器1光轴平行于被测试验模型4烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道7轴线；
S2、启动烧蚀地面模拟试验用风洞8，开始烧蚀地面试验，同时，采用图像采集器1对被测试验模型4的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机2；
S3、图像处理计算机2将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率；
S3、图像处理计算机2按照预设的采样周期，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器3，进入步骤S4；
S4、伺服控制器3判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S6；
S5、伺服控制器3驱动移动工作台6沿着移动工作台运动轨道7运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量；
S6、图像处理计算机2判断当前的分析时间是否达到了预定的试验时间，如果达到试验时间，则试验结束；如果没有达到试验时间，则跳转至步骤S3重复执行步骤S3～步骤S6。
实施例2：
如图1所示，本发明另一个实施例给出了另一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，该装置在实施例1的基础上还包括第二伺服电机5-2，置于烧蚀地面模拟试验用风洞内部；
伺服控制器3，将电机控制信号同步发送至伺服电机5-1和第二伺服电5-2；
伺服电机5-1，用于驱动传动装置与移动工作台6沿着移动工作台运动轨道7运动，补偿被测试验模型烧蚀后退位移，使得被测试验模型保持烧蚀试验基准位置不变；
第二伺服电机5-2，用于驱动图像采集器1，第一伺服电机5-1和第二伺服电机5-2同步工作，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。
本实施例以电弧风洞烧蚀地面试验为例，通过选取同一防热材料和相同的地面试验状态，比较了实施本发明前后所能获取的烧蚀数据及材料烧蚀响应差异。
未实施本发明的原电弧风洞烧蚀地面试验步骤及结果如下：
1)选取电弧风洞作为烧蚀材料热防护试验平台，以Φ80mm球头圆柱模型调试试验状态参数：空气介质、300K壁温热流密度6000kW/m2、空气总焓值20MJ/kg、压力3600Pa、加热时间30s，记录试验设备运行参数及模型安装固定位置。
2)选择Φ80mm×60mm球头圆柱轻质碳/酚醛防热材料为试验材料，测量记录模型的初始厚度为l1＝60.02mm，将试验材料安装至试验测试工位。
3)预设记录的设备运行参数，开启风洞试验设备，完成30s电弧风洞试验。
4)待试验设备系统解除安全锁定后，取出试验模型，测量试验后的模型厚度为l2＝49.49mm，得到Φ80mm×60mm轻质碳/酚醛材料在该试验状态下的烧蚀后退量为Δl＝l1-l2＝8.53mm。
实施本发明后电弧风洞烧蚀地面试验步骤及结果如下：
1)选取电弧风洞作为烧蚀材料热防护试验平台，以Φ80mm球头圆柱模型调试试验状态参数：空气介质、300K壁温热流密度6000kW/m2、空气总焓值20MJ/kg、压力3600Pa、加热时间200s，记录试验设备运行参数及模型安装固定位置；按照图1所示连接关系，连接图像采集器1、图像处理计算机2、伺服控制器3、伺服电机5、传动装置与移动工作台6、移动工作台运动轨道7和地面试验系统8，测试检查各仪器设备确保所有仪器工作状态正常。
2)开启图像采集器1、图像处理计算机2，用标准试验模型完成图像采集器1所获标准帧的对应尺寸标定，本次试验的标定结果为1280×720像素的对应尺寸为176.27mm×99.15mm。
3)选择Φ80mm×60mm球头圆柱轻质碳/酚醛防热材料为试验模型4，测量记录模型的初始厚度为l1＝60.12mm，将试验材料安装至试验测试工位。
4)预设记录的设备运行参数，开启风洞试验设备，开启图像采集器1、图像处理计算机2、伺服控制器3、伺服电机5，设定伺服电机驱动工作的阈值为表面后退量达到0.5mm。
5)获得第一帧RGB试验图像如图3所示，将图像转化为灰度图如图4所示。过滤所有像素点灰度至小于200的像素点并将所有灰度大于200的像素点灰度值设定为250，得到边界区域图片如图5所示。
6)逐行扫描所有像素点，连续取三个像素点灰度值X1、X2和X3，X1和X2像素点灰度值差绝对值与两者平均值比值小于10％，即2|X1-X2|/(X1+X2)<10％；并且X1和X2像素点灰度值差绝对值与两者平均值比值大于50％，即2|X1-X2|/(X1+X2)>50％，判定为边界。辨识获得的第一帧被测模型边界如图6所示。比较RGB试验图像与辨识边界可知，该处理方法可以很好地捕捉被测模型的边界，如图7所示。
7)接着读入第二帧图像，辨识获得的被测模型边界如图8所示。比较t＝0.00s和t＝0.02s时刻的烧蚀边界，如图9所示，计算得到初始0.2s的烧蚀后退量。
8)类似地不断读取图像采集器1所捕捉模型画面，得到模型表面的烧蚀后退速率如10所示，得到沿时间累积的烧蚀后退量如图11所示，传输给伺服控制器的位移控制信号如图12所示。
9)根据图像采集器1所捕捉模型边界，最终得到的计算烧蚀后退量为9.77mm，伺服控制器共起控19次，每次位移0.5mm，位移补偿量共9.50mm，控制时间轴见图12。
10)待试验设备系统解除安全锁定后，取出试验模型，测量试验后的模型厚度为l2＝50.29mm，得到Φ80mm×60mm轻质碳/酚醛材料在该试验状态下的烧蚀后退量为Δl＝l1-l2＝9.83mm。实测烧蚀后退值与图像辨识计算烧蚀后退值0.06mm。比较无反馈控制的试验状态，烧蚀后退量增加1.30mm，补偿了由于试验状态变化造成的烧蚀后退量降低，提高了试验考核环境保持精度，提供了热防护工程设计人员重要的精确定量数据参考。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于烧蚀后退量补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于包括图像采集器(1)、图像处理计算机(2)、伺服控制器(3)、第一伺服电机(5-1)、移动工作台(6)、移动工作台运动轨道(7)；
移动工作台(6)，安装在移动工作台运动轨道(7)上，用于承载被测试验模型(4)；
图像采集器(1)，用于对被测试验模型(4)的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机(2)；
图像处理计算机(2)，将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，按照预设的采样周期，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器(3)；
伺服控制器(3)，判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则产生PWM形式的电机控制信号，否则，产生固定电平形式的电机控制信号，将电机控制信号发送至第一伺服电机(5-1)；
第一伺服电机(5-1)，在电机控制信号的作用下，驱动移动工作台(6)沿着移动工作台运动轨道(7)运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量，使得被测试验模型保持处于烧蚀试验基准位置不变；同步驱动图像采集器(1)沿与移动工作台运动轨道(7)平行的方向移动，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。
2.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述移动工作台(6)、移动工作台运动轨道(7)位于烧蚀地面模拟试验用风洞内部；图像采集器(1)、图像处理计算机(2)、伺服控制器(3)、伺服电机(5)位于烧蚀地面模拟试验用风洞外部；烧蚀地面模拟试验用风洞上设有透明的观测窗，图像采集器(1)透过观测窗对被测试验模型的试验过程进行录像，图像采集器(1)光轴平行于被测试验模型(4)烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道(7)轴线。
3.根据权利要求3所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述图像采集器(1)，镜头外采用滤光镜片保护确保图像采集器(1)的CCD不发生过曝，周围采用水循环冷却系统保护，保障图像采集器(1)外表面温度不高于45℃。
4.根据权利要求3所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于移动工作台运动轨道(7)采用镍基高温合金表面喷涂钇稳定氧化锆涂层材料，轨道最高表面可耐受温度1000℃。
5.根据权利要求3所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于移动工作台(6)均采用高压水循环冷却系统保护，保障暴露在高温气体作用下的装置温度不高于150℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于还包括第二伺服电机(5-2)，置于烧蚀地面模拟试验用风洞内部；
伺服控制器(3)，将电机控制信号同步发送至伺服电机(5-1)和第二伺服电机(5-2)；
伺服电机(5-1)，用于驱动传动装置与移动工作台(6)沿着移动工作台运动轨道(7)运动，补偿被测试验模型烧蚀后退位移，使得被测试验模型保持烧蚀试验基准位置不变；
第二伺服电机(5-2)，用于驱动图像采集器(1)，第一伺服电机(5-1)和第二伺服电机(5-2)同步工作，确保图像采集器与烧蚀试验基准位置的相对位置保持不变。
7.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述图像处理计算机(2)获取单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息的具体步骤如下：
(a)、将RGB试验图像将图像转化为灰度图；
(b)、过滤所有像素点灰度至小于预设灰度门限值的像素点，并将所有灰度大于预设灰度门限值的像素点灰度值设定为指定数值，得到边界区域图片；
(c)、逐行扫描边界区域图片，逐个扫描每一行中的所有像素点，连续取三个像素点，记为第一像素点、第二像素点、第三像素点，如果第一像素点灰度值X1、第二像素点灰度值X2和第三像素点灰度值X3同时满足如下两个条件，则确定第二像素点或者第三像素点是边界区域图片中被测模型边界的像素点，否则，第一像素点、第二像素点、第三像素点均不是边界区域图片中被测模型边界的像素点；
第一个条件如下：
X1和X2之差的绝对值与X1和X2的平均值的比值小于10％，即2|X1-X2|/(X1+X2)<10％；
第二个条件如下：
X1和X3之差的绝对值与X1和X3的平均值的比值大于50％，即2|X1-X3|/(X1+X3)>50％。
8.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述与与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率
Figure FDA0002644632870000032
的计算公式如下：
Figure FDA0002644632870000031
其中，ΔP＝[ΔP1,ΔP2,...,ΔPn]为被测试验模型的边界各像素点位置差，ΔPi,i＝n为被测试验模图像中边界第i个像素点位置差，n为被测试验模型图像中边界像素点个数，L为被测试验模图像中单像素点对应物理尺寸。
9.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述与时间关联的被测试验模型表面烧蚀量R的计算公式如下：
Figure FDA0002644632870000041
其中，S为采样周期。
10.根据权利要求1所述的一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验装置，其特征在于所述阈值不低于伺服电机能够控制移动工作台运动轨道(7)的最小位移，设定范围为0.05～1.00mm。
11.一种基于烧蚀后退量获取和补偿的烧蚀地面模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、将被测试验模型(4)安装在移动工作台(6)上，移动工作台(6)安装在移动工作台运动轨道(7)上，调整图像采集器(1)的位置和角度，使得图像采集器(1)的图像采集器(1)光轴平行于被测试验模型(4)烧蚀面，且垂直于移动工作台运动轨道(7)轴线；
S2、启动烧蚀地面模拟试验用风洞(8)，开始烧蚀地面试验，同时，采用图像采集器(1)对被测试验模型(4)的试验过程进行录像，得到连续的视频信息，将视频信息传输至图像处理计算机(2)；
S3、图像处理计算机(2)将视频信息解算为不同时刻的单帧RGB图像，分析得到每一张单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，并根据不同时刻单帧RGB图像中被测试验模型的边界信息，基于标准参照物标定的像素和物理长度对比表，得到与时间关联的被测试验模型表面烧蚀速率；
S3、图像处理计算机(2)按照预设的采样周期，将最新计算得到的被测试验模型表面烧蚀速率，计算得到当前采样周期被测试验模型表面烧蚀后退量发送给伺服控制器(3)，进入步骤S4；
S4、伺服控制器(3)判断被测试验模型表面烧蚀后退量是否大于预设的边界移动调整阈值，是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S6；
S5、伺服控制器(3)驱动移动工作台(6)沿着移动工作台运动轨道(7)运动，补偿被测试验模型烧蚀后退量；
S6、图像处理计算机(2)判断当前的分析时间是否达到了预定的试验时间，如果达到试验时间，则试验结束；如果没有达到试验时间，则跳转至步骤S3重复执行步骤S3～步骤S6。
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