CN112991316B - 一种模型边缘烧蚀量动态测量技术 - Google Patents

一种模型边缘烧蚀量动态测量技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模型边缘烧蚀量动态测量技术，包括：分析模型自发光强度较弱的波段，选择对应波段的滤光片，削弱模型自发光相对相机成像清晰度的影响；对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测，在Canny边缘检测的基础上，通过列扫描删除模型边缘之外的像素点，提高图像边缘检测质量；利用相机采集标定板图像，计算图像的像素空间分辨率；对比图像中模型边缘烧蚀点各时刻相对初始时刻的变化量，结合标定得到的像素空间分辨率参数，计算模型边缘烧蚀点不同时刻的烧蚀量。本发明测量装置简单，操作易行，动态性能好，为材料的耐高温和抗烧蚀性能考核提供新的测试手段，为防热结构设计即材料选型提供更为丰富的试验数据支撑。

Description

一种模型边缘烧蚀量动态测量技术
技术领域
本发明属于实验力学技术领域，更具体地说，本发明涉及一种模型边缘烧蚀量动态测量技术。
背景技术
当飞行器以高马赫数在空中长时间飞行时，气动加热问题非常突出，机体材料在高温环境下会发生烧蚀变形，严重危及飞行员的生命安全。因此，有必要通过实验对材料的防热性能进行评估，而烧蚀量是其评估的重要依据之一
烧蚀量测量方法可分为静态测量方法和动态测量方法。常用的千分尺烧蚀量测量法即属于典型的静态测量法：烧蚀前，在模型表面标记若干采样点，并利用千分尺测量其与基准面的距离；烧蚀后，测量相同采样点到基准面的距离；烧蚀前后采样点与基准面的距离变化，即为模型表面采样点的烧蚀量。该方法存在以下两方面不足：(1)无法获取实验过程中模型烧蚀量实时变化结果；(2)烧蚀前后测量采样点的对准难度较大。
典型的烧蚀量动态测量方法主要有：激光定位法，利用激光信号驱动步进装置，根据模型送进距离计算烧蚀量，该方法多用于单点测量，虽然测量精度较高，但对送进机构精度及实验环境要求严苛；铂-钨线烧蚀测量法，将烧蚀区域的电信号变化转换为烧蚀量，理论上可进行多线测量，但仅适用于导电烧蚀产物；超声测量法，通过识别超声波发射信号和接收信号计算模型边缘烧蚀量，测量精度较高，但不适用于高温流场实验环境。
为了解决上述问题，发明了一种模型边缘烧蚀量动态测量技术，可获取实验过程中模型边缘不同时刻的烧蚀量，简单、易行，更有助于分析模型材料防热性能。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种模型边缘烧蚀量动态测量技术，包括以下步骤：
步骤一、分析模型自发光强度较弱的波段，选择对应波段的滤光片，削弱模型自发光相对相机成像清晰度的影响；
步骤二、使用相机和步骤一得到的模型自发光强度较弱波段对应的滤光片，采集模型边缘烧蚀全图像，对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测，在Canny边缘检测的基础上，通过列扫描删除模型边缘之外的像素点，提高图像边缘检测质量；
步骤三、利用相机采集标定板图像，计算图像的像素空间分辨率；
步骤四、进行数字图像判读，对比图像中模型边缘烧蚀点各时刻相对初始时刻的变化量，结合步骤三标定得到的像素空间分辨率参数，计算模型边缘烧蚀点不同时刻的烧蚀量。
优选的是，其中，所述步骤一中，将模型边缘自发光分为以下几个波段：390nm～420nm、437nm～477nm、468nm～508nm、512nm～552nm、615nm～655nm、650nm～670nm、665nm～725nm和800nm～860nm，每个波段对应一个滤光片；所述步骤一的具体步骤包括：
步骤S11、将装有两个不同波段滤光片Fi、Fj的相机固定，并调节两台相机参数，使得两台相机的曝光时间和光圈大小相同；其中，装滤光片Fi的相机为相机i，装相滤光片Fj的相机为相机j；
步骤S12、利用两台相机同步采集模型边缘烧蚀图像；
步骤S13、分析两台相机各自采集图像的灰度强度特征Ii和Ij，其中，相机i采集到的图像的灰度强度特征值为Ii，相机j采集到的图像的灰度强度特征值为Ij；若Ii>Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fi；若Ii<Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fj，最后得到模型自发光强度较弱波段对应的滤光片；其中图像灰度特征强度Ii的计算方法如下：
Figure BDA0002999067380000031
其中
Figure BDA0002999067380000032
表示相机i采集的图像中灰度为x的像素点个数，Ni表示相机i采集的图像中像素点数目之和；
同理，图像灰度特征强度Ij的计算方法为：
Figure BDA0002999067380000033
其中
Figure BDA0002999067380000034
表示相机j采集的图像中灰度为x的像素点个数，Nj表示相机j采集的图像中像素点数目之和；
步骤S14、重复步骤S11～步骤S13，直至遍历所有波段滤光片，最终得到试验过程中模型边缘辐射较弱的波段。
优选的是，其中，所述步骤二对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测的具体步骤包括：
步骤S21、利用Canny边缘检测算子检测模型边缘烧蚀图像中的边缘结构，得到仅包含亚像素精度级别的边缘结构二值化图像，即边缘结构的灰度值设置为255，其他区域灰度均为0；
步骤S22、针对二值化图像的第i行，从左至右进行列扫描，将第一次出现的边缘结构像素点灰度置为255，该行其他像素点灰度置为0；
步骤S23、遍历二值化图像所有行，完成对模型的亚像素边缘检测。
优选的是，其中，所述步骤三计算图像的像素空间分辨率的方法为：利用相机采集标定板图像，若图像中两点的像素距离为l、空间距离为L，则图像中的像素空间分辨率μ为：
Figure BDA0002999067380000035
优选的是，其中，所述步骤四计算烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量的方法为：烧蚀点p为烧蚀方向与模型边缘的交叉点，烧蚀方向可根据实际需要进行人工选取；参考点q位于模型后端或与其固连的安装支架表面，在实验过程中参考点q位置保持不变；模型在图像上为正视投影，即烧蚀方向与相机靶面平行，利用数字图像处理技术，将图像坐标系x轴旋转至与烧蚀方向平行，并提取不同时刻烧蚀点和参考点在x轴上的坐标，分别记为pk、qk；
初始时刻烧蚀点与参考点之间的距离为d0＝|p0–q0|，k时刻烧蚀点与参考点之间的距离为dk＝|pk–qk|，则k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的像素烧蚀量为Ak＝d0–dk，结合已标定得到的像素空间分辨率μ，即可得到k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量
Figure BDA0002999067380000041
本发明至少包括以下有益效果：
(1)、本发明在获取模型烧蚀全图像前，对模型进行了高自发光抑制，削弱了模型自发光对相机成像清晰度的影响；在Canny边缘检测的基础上，通过列扫描删除模型边缘之外的像素点，提高了图像边缘检测质量；同时，本发明通过对比图像中模型边缘烧蚀点各时刻相对初始时刻的变化量，结合标定得到像素空间分辨率参数，实现了模型边缘烧蚀量的动态测量。
(2)、本发明测量装置简单、操作易行，动态性能好，可为材料的耐高温性能和抗烧蚀性能考核提供新的测试手段，为防热结构设计及材料选型提供更为丰富的实验数据支撑。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的模型边缘烧蚀量动态测量技术测量原理示意图；
图2为本发明实施例中相机采集到的标定板图像示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1-2所示：本发明的一种模型边缘烧蚀量动态测量技术，包括以下步骤：
步骤一、分析模型自发光强度较弱的波段，选择对应波段的滤光片，削弱模型自发光相对相机成像清晰度的影响；
步骤二、使用相机和步骤一得到的模型自发光强度较弱波段对应的滤光片，采集模型边缘烧蚀全图像，对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测，在Canny边缘检测的基础上，通过列扫描删除模型边缘之外的像素点，提高图像边缘检测质量；
步骤三、利用相机采集标定板图像，计算图像的像素空间分辨率；
步骤四、进行数字图像判读，对比图像中模型边缘烧蚀点各时刻相对初始时刻的变化量，结合步骤三标定得到的像素空间分辨率参数，计算模型边缘烧蚀点不同时刻的烧蚀量。
在上述技术方案中，所述步骤一中，将模型边缘自发光分为以下几个波段：390nm～420nm、437nm～477nm、468nm～508nm、512nm～552nm、615nm～655nm、650nm～670nm、665nm～725nm和800nm～860nm，每个波段对应一个滤光片；所述步骤一的具体步骤包括：
步骤S11、将装有两个不同波段滤光片Fi、Fj的相机固定，并调节两台相机参数，使得两台相机的曝光时间和光圈大小相同；其中，装滤光片Fi的相机为相机i，装相滤光片Fj的相机为相机j；
步骤S12、利用两台相机同步采集模型边缘烧蚀图像；
步骤S13、分析两台相机各自采集图像的灰度强度特征Ii和Ij，其中，相机i采集到的图像的灰度强度特征值为Ii，相机j采集到的图像的灰度强度特征值为Ij；若Ii>Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fi；若Ii<Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fj，最后得到模型自发光强度较弱波段对应的滤光片；其中图像灰度特征强度Ii的计算方法如下：
Figure BDA0002999067380000061
其中
Figure BDA0002999067380000062
表示相机i采集的图像中灰度为x的像素点个数，Ni表示相机i采集的图像中像素点数目之和；
同理，图像灰度特征强度Ij的计算方法为：
Figure BDA0002999067380000063
其中
Figure BDA0002999067380000064
表示相机j采集的图像中灰度为x的像素点个数，Nj表示相机j采集的图像中像素点数目之和；
步骤S14、重复步骤S11～步骤S13，直至遍历所有波段滤光片，最终得到试验过程中模型边缘辐射较弱的波段。
在上述技术方案中，所述步骤二对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测的具体步骤包括：
步骤S21、利用Canny边缘检测算子检测模型边缘烧蚀图像中的边缘结构，得到仅包含亚像素精度级别的边缘结构二值化图像，即边缘结构的灰度值设置为255，其他区域灰度均为0；
步骤S22、针对二值化图像的第i行，从左至右进行列扫描，将第一次出现的边缘结构像素点灰度置为255，该行其他像素点灰度置为0；
步骤S23、遍历二值化图像所有行，完成对模型的亚像素边缘检测。
在上述技术方案中，所述步骤三计算图像的像素空间分辨率的方法为：利用相机采集标定板图像，如图2所示，若图像中A、B两点的像素距离为lAB、空间距离为LAB，则图像中的像素空间分辨率μ为：
Figure BDA0002999067380000071
在上述技术方案中，所述步骤四计算烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量的方法为：如图1所示，烧蚀点p为烧蚀方向与模型边缘的交叉点，烧蚀方向可根据实际需要进行人工选取；参考点q位于模型后端或与其固连的安装支架表面，在实验过程中参考点q位置保持不变；模型在图像上为正视投影，即烧蚀方向与相机靶面平行，利用数字图像处理技术，将图像坐标系x轴旋转至与烧蚀方向平行，并提取不同时刻烧蚀点和参考点在x轴上的坐标，分别记为pk、qk；
初始时刻烧蚀点与参考点之间的距离为d0＝|p0–q0|，k时刻烧蚀点与参考点之间的距离为dk＝|pk–qk|，则k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的像素烧蚀量为Ak＝d0–dk，结合已标定得到的像素空间分辨率μ，即可得到k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量
Figure BDA0002999067380000072
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种模型边缘烧蚀量动态测量技术，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分析模型自发光强度较弱的波段，选择对应波段的滤光片，削弱模型自发光相对相机成像清晰度的影响；其中，将模型边缘自发光分为以下几个波段：390nm～420nm、437nm～477nm、468nm～508nm、512nm～552nm、615nm～655nm、650nm～670nm、665nm～725nm和800nm～860nm，每个波段对应一个滤光片；所述步骤一的具体步骤包括：
步骤S11、将装有两个不同波段滤光片Fi、Fj的相机固定，并调节两台相机参数，使得两台相机的曝光时间和光圈大小相同；其中，装滤光片Fi的相机为相机i，装相滤光片Fj的相机为相机j；
步骤S12、利用两台相机同步采集模型边缘烧蚀图像；
步骤S13、分析两台相机各自采集图像的灰度强度特征Ii和Ij，其中，相机i采集到的图像的灰度强度特征值为Ii，相机j采集到的图像的灰度强度特征值为Ij；若Ii>Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fi；若Ii<Ij，则选取新的滤光片Fk替换滤光片Fj，最后得到模型自发光强度较弱波段对应的滤光片；其中图像灰度特征强度Ii的计算方法如下：
Figure FDA0003625064970000011
其中
Figure FDA0003625064970000012
表示相机i采集的图像中灰度为x的像素点个数，Ni表示相机i采集的图像中像素点数目之和；
同理，图像灰度特征强度Ij的计算方法为：
Figure FDA0003625064970000013
其中
Figure FDA0003625064970000014
表示相机j采集的图像中灰度为x的像素点个数，Nj表示相机j采集的图像中像素点数目之和；
步骤S14、重复步骤S11～步骤S13，直至遍历所有波段滤光片，最终得到试验过程中模型边缘辐射较弱的波段；
步骤二、使用相机和步骤一得到的模型自发光强度较弱波段对应的滤光片，采集模型边缘烧蚀全图像，对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测，在Canny边缘检测的基础上，通过列扫描删除模型边缘之外的像素点，提高图像边缘检测质量；
步骤三、利用相机采集标定板图像，计算图像的像素空间分辨率；
步骤四、进行数字图像判读，对比图像中模型边缘烧蚀点各时刻相对初始时刻的变化量，结合步骤三标定得到的像素空间分辨率参数，计算模型边缘烧蚀点不同时刻的烧蚀量。
2.如权利要求1所述的模型边缘烧蚀量动态测量技术，其特征在于，所述步骤二对相机采集到的模型边缘烧蚀全图像进行亚像素边缘检测的具体步骤包括：
步骤S21、利用Canny边缘检测算子检测模型边缘烧蚀图像中的边缘结构，得到仅包含亚像素精度级别的边缘结构二值化图像，即边缘结构的灰度值设置为255，其他区域灰度均为0；
步骤S22、针对二值化图像的第i行，从左至右进行列扫描，将第一次出现的边缘结构像素点灰度置为255，该行其他像素点灰度置为0；
步骤S23、遍历二值化图像所有行，完成对模型的亚像素边缘检测。
3.如权利要求1所述的模型边缘烧蚀量动态测量技术，其特征在于，所述步骤三计算图像的像素空间分辨率的方法为：利用相机采集标定板图像，若图像中两点的像素距离为l、空间距离为L，则图像中的像素空间分辨率μ为：
Figure FDA0003625064970000021
4.如权利要求3所述的模型边缘烧蚀量动态测量技术，其特征在于，所述步骤四计算烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量的方法为：烧蚀点p为烧蚀方向与模型边缘的交叉点，烧蚀方向可根据实际需要进行人工选取；参考点q位于模型后端或与其固连的安装支架表面，在实验过程中参考点q位置保持不变；模型在图像上为正视投影，即烧蚀方向与相机靶面平行，利用数字图像处理技术，将图像坐标系x轴旋转至与烧蚀方向平行，并提取不同时刻烧蚀点和参考点在x轴上的坐标，分别记为pk、qk；
初始时刻烧蚀点与参考点之间的距离为d0＝|p0–q0|，k时刻烧蚀点与参考点之间的距离为dk＝|pk–qk|，则k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的像素烧蚀量为Ak＝d0–dk，结合已标定得到的像素空间分辨率μ，即可得到k时刻烧蚀点沿烧蚀方向的烧蚀量
Figure FDA0003625064970000031
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