CN112241962B - 一种放电产生的激波的传播速度计算方法和系统 - Google Patents

一种放电产生的激波的传播速度计算方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种放电产生的激波的传播速度计算方法和系统，包括：获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片；扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；对Adata和Bdata分段后确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径、激波传播速度值，得到最终激波传播速度。降低了用于试验观测的高速相机的空间分辨率的要求，减少了人工取点的工作量，能够准确地反映放电过程中产生的激波的传播速度。

Description

一种放电产生的激波的传播速度计算方法和系统
技术领域
本发明属于图像处理领域，涉及一种放电产生的激波的传播速度计算方法和系统。
背景技术
激波速度是激波的重要特性之一，一般都是通过测量传感器的测量值及其测量信号之间时间间隔的比值计算得出。常用的激波速度测量的方法有：
(1)通过压力传感器测量激波压力信号：
常见的压力传感器有压电传感器和压阻传感器。在试验过程中，每一个传感器都需要占用一个放大器通道和数据采集通道。当所需的测量点较多，采用压力传感器测量将导致测量成本很高。同时，在测量范围较小，特别是在有些位置，只关心激波传播速度而忽略激波压力信息，此时，需要一种成本较低、结构简单的激波速度测试系统。
(2)通过电离探针测出空气电离信号：
电离探针作为一种激波测速方法，在空气解离的条件下，可以很好测出激波速度。但是在激波速度较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下，试验气流无法满足电离探针的工作条件。
(3)通过光学方法测量激波波面发光和激波前后密度的阶跃：
纹影法在流场显示中占有重要的地位，因为它对流场无扰动，不但可用于定性观察流场中激波的结构，而且可用于定量计算整个流场的参数分布。随着计算机技术的迅速发展，计算机数字图像处理技术在流场显示中得到广泛的应用。通过对纹影法获取的含激波流场纹影图的进行图像处理，从含有不同灰度值的纹影图片中提取激波的结构，而对于同一过程流场的时间序列干涉图，将不同时刻的激波波阵面曲线精确地配准在一幅画面上，以便定量计算冲击波波阵面的传播速度和压力分布。激波传播速度计算公式如下：
Figure GDA0003698791880000011
其中ΔL为激波传播的距离，Δt为激波传播的时间。
上述的压力传感器测量激波传播速度成本较高、结构较复杂；电离探针的工作条件存在一定的限制；纹影法计算激波传播速度过程中，利用激波的传播方向垂直于波面，可确定波面上不同位置激波传播的方向。在传播的过程中，对应波面的像素点是增加的。因此难以利用波面法向量方向一致来实现波面上点的一一对应。除了利用法向量确定对应关系，还可以通过对应点之间的距离是最短的来确定。然而，激波波面是有一定厚度的，无法做到用单个像素点连接形成波面轮廓，这将导致在寻找对应点时出现多对多的情况。同时，受限于纹影图片较低的分辨率，在波面上有效数据点有限，在计算激波传播的方向和速度会得到不正确的结果，造成较大的计算误差。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种放电产生的激波的传播速度计算方法，显著降低了用于试验观测的高速相机的空间分辨率的要求，观测系统结构简单，观测不受工作条件限制。在此基础上，减少了人工取点的工作量，计算误差在可接受的范围内，能够更加准确地反映放电过程中产生的激波的传播速度。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种放电产生的激波的传播速度计算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
步骤2：分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片；
步骤3：扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
步骤4：根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，其中坐标平均值一一对应；
步骤5：根据MAdata和MBdata，确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径；
步骤6：根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1中，连续获取放电过程中含有不同灰度值的纹影图片，将获取的纹影图片消除背景照明后，确认纹影图片是否带有激波。
优选地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：分别对纹影图片A和B进行反相、gamma值调整以及中值滤波处理；
步骤2.2：通过prewitt算子分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，采用imlincomb将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片。
优选地，步骤2.1具体的：
采用imcomplement函数对纹影图片A和B进行反相处理，选定gamma值，通过函数
Figure GDA0003698791880000031
调节图像的对比度和亮度，fspecial函数进行中值滤波，使得波面的轮廓线更容易被识别提取。
优选地，步骤2.2提取激波波面轮廓线时，根据激波传播方向垂直于波面的特性确定纹影图片对应激波波面轮廓线的首和尾。
优选地，步骤3中，采用bicubic对激波波面轮廓线坐标点数据进行插值扩充。
优选地，步骤4中，每组的样本数最小值为3，最大值为8。
优选地，步骤5中，激波半径为MAdata和MBdata对应的坐标中点；
方向向量由MAdata和MBdata坐标相减得到的向量来表示。
优选地，步骤6中，第k段激波波面轮廓线的激波传播速度值vk为：
Figure GDA0003698791880000032
其中，Δt为纹影图片A和B之间的间隔时间，MBk data为Bdata中第k组内波面点坐标的平均值，MAk data为Adata中第k组内波面点坐标的平均值；
各分段的激波传播速度形成一个数组，由这个数组表示整个激波波面轮廓线的激波传播速度。
本发明还公开了一种放电产生的激波的传播速度计算系统，所述系统包括：
纹影图片获取模块，用于获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
激波波面轮廓线提取模块，用于分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片；
数据点扩充模块，用于扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
分组模块，用于根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，坐标平均值一一对应；
激波传播方向和激波半径确定模块，用于根据MAdata和MBdata，确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径；
激波传播速度计算模块，用于根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。
本申请所达到的有益效果：
1.本发明基于纹影图片对激波波面轮廓进行提取，采用插值的方法降低了激波传播过程拍摄中高速相机性能的要求；
2.本发明提出的激波速度计算方法符合激波的传播过程，能够准确高效地获得激波传播速度的计算结果。
附图说明
图1是本申请一种放电产生的激波的传播速度计算方法的流程图；
图2是本申请实施例过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本申请的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，包括以下步骤：
步骤1：获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
本申请具体实施时，通过高速相机连续获取放电过程中含有不同灰度值的纹影图片，将获取的纹影图片消除背景照明后，确认纹影图片是否带有激波。
步骤2：分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片，包括以下步骤：
步骤2.1：分别对纹影图片A和B进行反相、gamma值调整以及中值滤波处理，具体的：
采用imcomplement函数对纹影图片A和B进行反相处理，选取合适的gamma值，通过函数
Figure GDA0003698791880000051
调节图像的对比度和亮度，fspecial函数进行中值滤波，使得波面的轮廓线更容易被识别提取。
激波传播方向垂直于波面，提取激波波面轮廓线时，利用此特性确定纹影图片对应激波波面轮廓线的首和尾。
步骤2.2：通过prewitt算子分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，采用imlincomb将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片。
步骤3：扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
具体实施例时，采用bicubic对激波波面轮廓线坐标点数据进行插值扩充。
例如，A1＝imresize(A,2,'bicubic')；表示对图片A进行插值。
步骤4：根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，坐标平均值一一对应，以确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径，具体的：
步骤4.1：对配准在一幅图片的纹影图片A和B中的激波波面轮廓线对应同步分段，将Adata和Bdata按照轮廓线分段分组；
组成两个波面点的两个数组大小是不一样的，为了实现两波面的一一对应，采用分组平均的方法来获得方法误差较小情况下的结果，即一段波面与一段波面平均速度的一一对应。若波面存在较大偏折角，应将波面合理分段，偏折角附近单独考虑，即激波波面轮廓线的偏折角大的地方，分段密度大。
Adata和Bdata的分组组数应相同，以便于一对一计算距离、激波方向向量、激波速度以及对应的激波半径。
同时，每组的样本数应合理选取，若每组的样本数取1～2个，则可能由于对应点的错位带来较大误差；若每组的样本数取10个及以上，这可能难以体现波面细节的变化，激波速度的准确性与每组样本的数量有关。
优选地，每组的样本数最小值为3，最大值为8。
步骤4.2：对分组后的Adata和Bdata，分别计算各组内波面点坐标的平均值，得到MAdata和MBdata；
实施例中，采用mean函数计算，例如MAdate(p,1:2)＝mean(Adate(l:l+6,1:2),1)；即选取l～l+6行，1～2列的坐标求出对应的横坐标平均值和纵坐标平均值。
步骤4.3：根据MAdata和MBdata，各组一对一计算表示激波方向的方向向量，以及对应的激波半径；
激波半径为MAdata和MBdata对应的坐标中点，采用如下计算：
Figure GDA0003698791880000061
表示对应的激波半径。
R(i,1)＝(MAdate(i,1)+MBdate(i,1))./2；表示对应点的横坐标中点；
R(i,2)＝(MAdate(i,2)+MBdate(i,2))./2；表示对应点的纵坐标中点。
方向向量由MAdata和MBdata坐标相减得到的向量来表示。例：
每个速度对应的方向向量：
E(j,1)＝MBdate(j,1)-MAdate(j,1)；表示对应点的横坐标相减；
E(j,2)＝MBdate(j,2)-MAdate(j,2)；表示对应点的纵坐标相减。
步骤6：根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。把每一段的坐标的平均值坐标计算出来，再把平均值坐标对应的激波传播速度得到即可。各分段的激波传播速度形成一个数组，由这个数组表示整个轮廓线的激波传播速度，轮廓线上不同点的激波传播速度是存在不同的。
步骤6中，第k段激波波面轮廓线的激波传播速度值vk为MAk data到MBk data的距离与两幅图像之间的间隔时间Δt的比值，计算公式为：
Figure GDA0003698791880000062
其中，Δt为纹影图片A和B之间的间隔时间，MBk data为Bdata中第k组内波面点坐标的平均值，MAk data为Adata中第k组内波面点坐标的平均值。
例如：D(i,1)＝sqrt((MAdate(i,1)-MBdate(i,1))^2+(MAdate(i,2)-MBdate(i,2))^2)；表示每两个坐标点之间的距离；
将具体的实际数值代入到了公式
Figure GDA0003698791880000063
里面，并进行单位转化，得：
V＝D.*(1000*10/56/7.68/2)，表示计算得到的激波传播速度；
D.*(1000*10/56/2)表示
Figure GDA0003698791880000071
一个像素点表示10/56mm，时间间隔为7.68μs。
最终采用quiver函数，将计算的激波半径、激波方向和激波速度在纹影图片A和B的合成图中绘制出来，如图1所示。
根据上述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法的放电产生的激波的传播速度计算系统，所述系统包括：
纹影图片获取模块，用于获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
激波波面轮廓线提取模块，用于分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将该相邻时刻的激波波面轮廓线配准在一幅图片；
数据点扩充模块，用于扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
分组模块，用于根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，坐标平均值一一对应；
激波传播方向和激波半径确定模块，用于根据MAdata和MBdata，确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径；
激波传播速度计算模块，用于根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。
采用本发明方法计算圆柱激波和球面激波传播速度，得到如下结果：
表1柱面激波和球面激波的速度计算偏差
Figure GDA0003698791880000072
与最优调试结果相比，由于分组的圆柱激波和球面激波速度计算的最大偏差分别为13.29表示和48.02表示。每组的样本数对于曲率较大的波面来说影响更大。根据调试结果每组的样本数宜在3-8范围内选取，可以得到最优的调试结果，其计算结果比较符合物理规律。本发明提出的激波速度计算方法符合激波的传播过程，能够准确高效地获得激波传播速度的计算结果。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
步骤2：分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线配准在一幅图片；
步骤3：扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
步骤4：根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，其中坐标平均值一一对应；
步骤5：根据MAdata和MBdata，确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径；
步骤6：根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。
2.根据权利要求1所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤1中，连续获取放电过程中含有不同灰度值的纹影图片，将获取的纹影图片消除背景照明后，确认纹影图片是否带有激波。
3.根据权利要求1所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：分别对纹影图片A和B进行反相、gamma值调整以及中值滤波处理；
步骤2.2：通过prewitt算子分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，采用imlincomb将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线配准在一幅图片。
4.根据权利要求3所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤2.1具体的：
采用imcomplement函数对纹影图片A和B进行反相处理，选定gamma值，通过函数
Figure FDA0003698791870000021
调节图像的对比度和亮度，fspecial函数进行中值滤波，使得波面的轮廓线更容易被识别提取。
5.根据权利要求3所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤2.2提取激波波面轮廓线时，根据激波传播方向垂直于波面的特性确定纹影图片对应激波波面轮廓线的首和尾。
6.根据权利要求1所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤3中，采用bicubic对激波波面轮廓线坐标点数据进行插值扩充。
7.根据权利要求6所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤4中，每组的样本数最小值为3，最大值为8。
8.根据权利要求6所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤5中，激波半径为MAdata和MBdata对应的坐标中点；
方向向量由MAdata和MBdata坐标相减得到的向量来表示。
9.根据权利要求6所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法，其特征在于：
步骤6中，第k段激波波面轮廓线的激波传播速度值vk为：
Figure FDA0003698791870000022
其中，Δt为纹影图片A和B之间的间隔时间，MBk data为Bdata中第k组内波面点坐标的平均值，MAk data为Adata中第k组内波面点坐标的平均值；
各分段的激波传播速度形成一个数组，由这个数组表示整个激波波面轮廓线的激波传播速度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种放电产生的激波的传播速度计算方法的放电产生的激波的传播速度计算系统，其特征在于：
所述系统包括：
纹影图片获取模块，用于获取放电过程中产生的两个连续的带有激波的纹影图片A和B；
激波波面轮廓线提取模块，用于分别提取纹影图片A和B中的激波波面轮廓线，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线配准在一幅图片；
数据点扩充模块，用于扩充激波波面轮廓线数据点，构成纹影图片A和B对于同一过程流场的时间序列波面点坐标集，记为Adata和Bdata；
分组模块，用于根据Adata和Bdata，将纹影图片A和B中的激波波面轮廓线分成相同的组分，并计算组内坐标的平均值，得到MAdata和MBdata，坐标平均值一一对应；
激波传播方向和激波半径确定模块，用于根据MAdata和MBdata，确定纹影图片A和B中的激波波面轮廓线上各点的激波传播方向和激波半径；
激波传播速度计算模块，用于根据MAdata和MBdata，对纹影图片A和B中的激波波面轮廓线计算激波传播速度值，得到最终激波传播速度。
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