CN114113535A - 一种小当量炸药水下爆炸气泡面积测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种小当量炸药水下爆炸气泡面积测量装置及方法,通过布置实验装置,对水下爆炸气泡脉动周期进行拍照,并将结果图片导入笔记本电脑进行处理,通过对结果照片逐帧处理,即提取每帧照片像素亮度并记录发生亮度改变的像素个数,每帧照片总帧数和实际面积已知,利用比例计算公式,从而进行对水下爆炸气泡的捕捉并进行气泡全生命周期的面积测算。
Description
技术领域
本发明属于水下气泡面积测量技术领域,具体涉及一种小当量炸药水下爆炸气泡面积测量装置及方法。
背景技术
在水下爆炸气泡研究领域,由于大当量炸药实验的危险性和耗费高,小当量炸药水下爆炸实验及数值模拟研究占有的比重越来越大,综合运用实验、理论和数值模拟这三个科学工具,才能够帮助我们更深刻的认知问题和解决问题。目前实验室主要进行小当量炸药实验,而气泡的脉动生命周期是重要参数之一,随着技术的发展,传统测量气泡半径的方法将会被逐渐淘汰,因此准确测量气泡面积,对于气泡动力学基础理论以及数值模拟具有重大意义。
准确测量气泡面积离不开经验公式的指导,根据Rayleigh-Plesse方程可以得到气泡半径时程曲线,其公式为:
其中R为气泡的无量纲半径,PA物理量可以通过测量得到,所以根据方程求解公式即可得到气泡的半径时程曲线。
目前主流的测量方法是借助高速摄像机通过追踪气泡的运动,实验结束后根据尺子进行估算进而实现对其半径的测量,得到的结果与实际结果有较大出入,而且气泡进入后段生命周期形状不规则,对于其半径的估算带来难度,本发明依据图像区域面积处理方法,获得了气泡全生命周期的面积,为后期水下爆炸数值模拟仿真研究提供重要数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小当量炸药水下爆炸气泡面积测量装置及方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现:包括高速摄像机、透明容器、照明灯、小当量炸药、导爆索及缆绳、笔记本电脑和线缆。其步骤如下:
步骤一:在透明容器水下气泡场中布置实验装置;
所述的实验装置包括小当量炸药,导爆索及缆绳;所述的小当量炸药可以是梯恩梯炸药,距离水面一定距离;所述的导爆索用来传爆,引爆导爆索另一端捆绑的梯恩梯炸药;所述的缆绳用来栓接炸药以及导爆索,实现对炸药浸没水深的测量。
步骤二:在透明容器周围放置测量装置;
所述的测量装置包括高速摄像机,照明灯,笔记本电脑和线缆;所述的高速摄像机正对炸药中心放置,实现对炸药正面爆炸气泡拍摄;所述的照明灯对炸药中心区域进行照明,并且灯具在高速摄像机对面;所述的线缆连接高速摄像机和导爆索,负责传输起爆信号及摄像机拍摄图像信号;所述的笔记本电脑发送起爆信号和接收图像信息并进行处理。
步骤三:起爆及起爆瞬间的处理工作;
为了爆炸高速摄像机能完整拍摄炸药爆炸全生命周期,高速摄像机需要提前摄录一段时间,并且尽量保证线缆的长度一致,笔记本电脑通过代码先向高速摄像机发送工作信号,再向炸药发送起爆信号,导爆索实现对梯恩梯的起爆。
步骤四:对水下爆炸气泡全生命周期的图像处理工作:
高速摄像机实时拍摄水下爆炸画面,将获得的若干帧图像传输给笔记本电脑(1),利用电脑将图像画面处理,采用现有程序软件进行操作。首先将气泡生命周期图片导入,程序算法软件进行辨认并计算面积。把爆炸的多过程图像导入笔记本电脑并进行机器学习,导入图像在生成器中处理得到RGB里的亮度信息,具体操作原理如下;
a)气泡生命周期图像Ci,i=1,2,3…,i代表图像编号;二值图像I(x,y),x=1~m,m为x轴方向上的最大像素个数,y=1~n,n为y轴方向上的最大像素个数,设置亮度指针lpi,指向查询点像素,像素亮度初始值lp0;设置兴趣区域的像素个数s,初始值为0;设置整体区域的像素个数sA,则sA=m×n。
b)选择某帧图像Ci,其中像素初始查询点I0(x0,y0),x0=m,y0=n;
c)对于某帧图像Ci,如果sA等于0,则计算完成,得到兴趣区域的像素个数值s,结束该过程;如果sA≥1且x0≤m,则执行d);如果sA≥1,且x0=0则令y0=n-1,并执行e);
f)根据上述算法逐帧得到兴趣区域的像素个数s,并且此前设置整体区域的像素个数sA,同时整体区域的实际面积S,此时即可求得兴趣区域即水下气泡的实际面积Sq:Sq=(s/sA)×S。
本发明的有益效果在于:
传统方法是高速相机拍照后进行测量直径,误差大,不容易测量到准确结果。本发明以水下爆炸气泡生命周期为研究对象,通过计算机编程算法与像素亮度理论作为工具和基础,实现对水下爆炸气泡全生命周期的面积测量,具有理论背景可靠,装置制作简单、结果可靠的优点。
附图说明
图1是水下爆炸气泡脉动过程测量装置示意图
图2是水下爆炸气泡脉动过程示意图
图3是图像区域气泡面积的高效计算方法的示意图。
图4是水下爆炸气泡某帧实验图。
图5是水下爆炸气泡某帧实验图的处理结果显示图
图中:笔记本电脑1、小当量炸药2、照明灯3、透明容器4、高速摄像机5、线缆6、导爆索及缆绳7。
具体实施方式
本发明的目的通过如下技术方案来实现:包括笔记本电脑1、小当量炸药2、照明灯3、透明容器4、高速摄像机5、线缆6、导爆索及缆绳7。其步骤如下:
步骤一:在透明容器4水下气泡场中布置实验装置;
所述的实验装置包括小当量炸药2,导爆索以及缆绳;所述的小当量炸药2为10克梯恩梯炸药,距离水面一定距离;所述的导爆索用来传爆,引爆导爆索另一端捆绑的梯恩梯炸药;所述的缆绳用来栓接炸药以及导爆索,实现对炸药浸没水深的测量。
步骤二:在透明容器4周围放置测量装置;
所述的测量装置包括高速摄像机5,照明灯3,笔记本电脑1和线缆6;所述的高速摄像机5正对炸药中心放置,实现对炸药正面爆炸气泡拍摄;所述的照明灯3对炸药中心区域进行照明,并且灯具在高速摄像机5对面;所述的线缆6连接高速摄像机5和导爆索,负责传输起爆信号及摄像机拍摄图像信号;所述的笔记本电脑1发送起爆信号和接收图像信息并进行处理。
步骤三:起爆及起爆瞬间的处理工作;
为了爆炸高速摄像机5能完整拍摄炸药爆炸全生命周期,高速摄像机5需要提前摄录一段时间,并且尽量保证线缆6的长度一致,笔记本电脑1通过代码先向高速摄像机5发送工作信号,再向炸药发送起爆信号,导爆索实现对梯恩梯的起爆。
步骤四:对水下爆炸气泡全生命周期的图像处理工作:
图像的传统识别流程分为四个步骤:图像采集→图像预处理→特征提取→图像识别。
如图3所示,高速摄像机5实时拍摄水下爆炸画面,将获得的若干帧图像传输给笔记本电脑1,利用电脑中的生成器将图像画面处理,采用现有程序软件对图像RGB信息进行提取操作。基于程序软件进行信息辨认并计算面积。
把爆炸的多过程图像导入笔记本电脑1并进行机器学习,导入图像在生成器中处理得到RGB里的亮度信息,具体操作原理如下;
a)气泡生命周期图像Ci,i=1,2,3…,i代表图像编号;二值图像I(x,y),x=1~m,m为x轴方向上的最大像素个数,y=1~n,n为y轴方向上的最大像素个数,设置亮度指针lpi,指向查询点像素,像素亮度初始值lp0;设置兴趣区域的像素个数s,初始值为0;设置整体区域的像素个数sA,则sA=m×n。
b)选择某帧图像Ci,其中像素初始查询点I0(x0,y0),x0=m,y0=n,μ=0.5;
c)对于某帧图像Ci,如果sA等于0,则计算完成,得到兴趣区域的像素个数值s,结束该过程;如果sA≥1且x0≤m,则执行d);如果sA≥1,且x0=0则令y0=n-1,并执行e);
f)根据上述算法逐个得到兴趣区域的像素个数s,并且此前设置整体区域的像素个数sA,同时整体区域的实际面积S,此时即可求得兴趣区域即水下气泡的实际面积Sq:Sq=(s/sA)×S。
本发明的有益效果主要表现在:
1、方法简单,效率高,因此运算速度快;2、计算结果精确,误差小。3、通过逐个像素实现水下爆炸气泡面积的测量,对于不规则的气泡也能进行良好的测量;
以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内,可轻易想到的替换或变换方法,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种小当量炸药水下爆炸气泡面积测量装置及方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:在透明容器水下气泡场中布置实验装置;
所述的实验装置包括小当量炸药,导爆索及缆绳;所述的小当量炸药可以是梯恩梯炸药,距离水面一定距离;所述的导爆索用来传爆,引爆导爆索另一端捆绑的梯恩梯炸药;所述的缆绳用来栓接炸药以及导爆索,实现对炸药浸没水深的测量。
步骤二:在透明容器周围放置测量装置;
所述的测量装置包括高速摄像机(5),照明灯(3),笔记本电脑(1)和线缆(6);所述的高速摄像机(5)正对炸药中心放置,实现对炸药正面爆炸气泡拍摄;所述的照明灯(3对炸药中心区域进行照明,并且灯具在高速摄像机(5)对面;所述的线缆(6)连接高速摄像机(5)和导爆索,负责传输起爆信号及摄像机拍摄图像信号;所述的笔记本电脑(1)发送起爆信号和接收图像信息并进行处理。
步骤三:起爆及起爆瞬间的处理工作;
为了爆炸高速摄像机(5)能完整拍摄炸药爆炸全生命周期,高速摄像机(5)需要提前摄录一段时间,并且尽量保证线缆(6)的长度一致,笔记本电(1)通过代码先向高速摄像机(5)发送工作信号,再向炸药发送起爆信号,导爆索实现对梯恩梯的起爆。
步骤四:对水下爆炸气泡全生命周期的图像处理工作:
高速摄像机(5)实时拍摄水下爆炸画面,将获得的若干帧图像传输给笔记本电脑(1),利用电脑将图像画面处理,采用现有程序软件进行操作。首先将气泡生命周期图片导入,程序算法软件进行辨认并计算面积。把爆炸的多过程图像导入笔记本电脑(1)并进行机器学习,导入图像在生成器中处理得到RGB里的亮度信息,具体操作原理如下;
a)气泡生命周期图像Ci,i=1,2,3...,i代表图像编号;二值图像I(x,y),x=1~m,m为x轴方向上的最大像素个数,y=1~n,n为y轴方向上的最大像素个数,设置亮度指针lpi,指向查询点像素,像素亮度初始值lp0;设置兴趣区域的像素个数s,初始值为0;设置整体区域的像素个数sA,则sA=m×n。
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f)根据上述算法逐个得到兴趣区域的像素个数s,并且此前设置整体区域的像素个数sA,同时整体区域的实际面积S,此时即可求得兴趣区域即水下气泡的实际面积Sq:
Sq=(s/sA)×S。
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