CN114993613B

CN114993613B - 结构物入水试验的试验方法及试验系统

Info

Publication number: CN114993613B
Application number: CN202210584353.5A
Authority: CN
Inventors: 王千; 赵长泽; 陆昊成; 刘桦
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2042-05-27
Also published as: CN114993613A

Abstract

本发明涉及一种结构物入水试验的试验方法及试验系统。试验方法包括如下步骤：步骤一，进行预试验，自动控制造波机构制造规则波和结构物入水，使用相机拍摄结构物入水处的多帧图像；步骤二，对多帧图像进行数据处理，获取结构物的运动轨迹与水面的交点的时间‑高度波形图，并获取结构物入水时刻在时间‑高度波形图的实际波形相位；步骤三，根据结构物入水时的期望波形相位和实际波形相位对应的时间差值调整结构物的释放时间；步骤四，重复述步骤一至步骤三至少两次；步骤五，开始正式试验。根据本发明的试验方法能够精确控制结构物入水时所处的波浪相位，有利于提高最终试验结果的准确性和可靠性。

Description

结构物入水试验的试验方法及试验系统

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种结构物入水试验的试验方法及试验系统。

背景技术

入水问题是液体动力学中具有重要军事意义的研究课题。反潜导弹、鱼雷、深水炸弹、水雷等结构物从空中经过水面进入水中的过程均是入水过程。当结构物的入水速度比较大时，会在入水处形成局部凹陷，从而在水体中形成与大气相连的空气腔，即为空泡。入水空泡会极大影响结构物的运动过程，这一“固体-液体-气体”的三相耦合问题使得入水问题非常复杂。

海洋通常不可能风平浪静，总有波浪存在。不仅如此，当发生海战时，前一次投下的炸弹会在海洋中形成水体的大幅度波动。在这样的情况下，如果要进行二次投弹，必须要考虑波浪对导弹路径的影响。波浪不仅会影响结构物，还会影响结构物入水时的空泡，变形后的空泡又会对结构物产生二次影响。因此“波浪-结构物-空泡”这个三相问题不仅比静水下的研究更复杂，而且也更加具有实际意义。

然而，面对这一复杂的科学问题，一些研究因能力限制无法考虑到空泡的存在，只关注无空泡时的“固体-液体”作用。而在考虑空泡的研究中，目前几乎所有的理论和实验都是研究结构物在静水中的入水过程。

公告号为“CN109470446B”的专利公开了一种控制波浪中入水抨击试验的方法和集成系统，其通过前置浪高仪获得的数据来得到波浪速度和高度，进而估算抨击点处(即结构物入水处)的波浪相位。由于实验室生成的波形不可能和理论完全一致，同时存在波浪传播衰减、波面局部扰动、浪高仪测量误差等因素，这些因素累加在一起导致的时间误差基本上和结构物入水过程的总时间(150毫秒以内)属于一个量级。因此，该专利中的方法对结构物入水时所处的波浪相位的控制会存在较大的误差，影响最终实验结果的准确性和可靠性。

发明内容

基于现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种结构物入水试验的试验方法及试验系统，其能够大大提高对结构物入水处的波浪相位的控制的精确性，有利于提高最终试验结果的准确性和可靠性。

为此，本发明提供如下技术方案。

本发明提供一种结构物入水试验的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，进行预试验，自动控制造波机构制造规则波和结构物入水，使用相机拍摄结构物入水处的多帧图像；

步骤二，对所述多帧图像进行数据处理，获取结构物的运动轨迹与水面的交点的时间-高度波形图，并获取所述结构物入水时刻在所述时间-高度波形图中对应的实际波形相位；

步骤三，根据所述结构物入水时的期望波形相位和所述实际波形相位对应的时间差值调整所述结构物的释放时间；

步骤四，重复所述述步骤一至所述步骤三至少两次；

步骤五，开始正式试验，自动控制造波机构制造规则波和所述结构物入水，使用相机拍摄所述结构物入水的全过程图像，并对获取的全过程图像进行数据处理得到完整的结构物入水过程图像。

在至少一个实施方式中，在所述步骤二中，通过对所述多帧图像中获取的所述交点的高度位置原始数据进行拟合处理得到所述时间-高度波形图。

在至少一个实施方式中，在所述步骤三中，通过所述时间-高度波形图确定所述实际波形相位变化至所述期望波形相位所需的时间，并将该时间确定为所述时间差值，并使得所述结构物的释放时间延迟所述时间差值。

在至少一个实施方式中，至少使用两个所述相机进行拍摄，其中至少两个所述相机中的一部分布置为高于水面，用于拍摄水面上方的图像，另一部分布置为低于水面，用于拍摄水面下方的图像。

在至少一个实施方式中，所述步骤五中的“对获取的全过程图像进行数据处理”包括：

图像预处理，当任一个相机拍摄的连续图像中确定的结构物的运动轨迹与竖直方向的偏差不小于预设值时，旋转调整该相机拍摄的所有图像，使得调整后的连续图像中确定的结构物的运动轨迹是竖直的，并以结构物的尺寸为基准，将所有图像调整为同样比例大小；以及

图像融合处理，对各个所述相机拍摄的图像进行融合处理。

在至少一个实施方式中，所述图像融合处理包括水面处图像融合处理，

所述水面处图像融合处理的方法如下：对布置为低于水面的相机中的最上方的相机拍摄的图像沿预定方向进行裁剪，然后沿所述预定方向对布置为高于水面的相机中的最下方的相机拍摄的图像进行裁剪，将裁剪得到的两份图像进行拼接处理。

在至少一个实施方式中，所述图像融合处理还包括水下图像融合处理，

所述水下图像融合处理的方法如下：对布置为低于水面的相机中的任意两个相邻的相机拍摄的图像进行加权拼接融合。

本发明还提供了一种用于实现上述任一实施方式所述的试验方法的试验系统，所述试验系统包括：

水池；

造波机构，用于制造规则波；

结构物固定机构，设置于所述水池的上方，用于保持所述结构物和在预定时间释放所述结构物；

相机，用于拍摄结构物的入水过程；以及

控制机构，与所述造波机构、所述结构物固定机构和所述相机通讯连接，用于控制所述造波机构、所述结构物固定机构和所述相机工作。

在至少一个实施方式中，所述相机有多个，其中部分地布置成高于所述水池的水面，另一部分布置成低于所述水池的水面。

在至少一个实施方式中，还包括浪高仪，用于检测水波的高度和水波是否稳定；和/或

还包括发光机构和漫反射板，所述发光机构包括多个LED灯，多个LED灯部分地设置于水面上方，另一部分设置于水面下方，所述多个LED灯与所述相机相对设置，所述漫反射板设置于所述发光机构和所述相机之间，所述漫反射板和所述相机在所述水池的宽度方向上位于所述结构物的两侧；和/或

所述结构物为钢球。

有益效果

本发明通过至少两次的预试验，直接根据结构物入水处的图像精确调整结构物的释放时间，能够有效避免波浪传播衰减、波面局部扰动、浪高仪测量误差等因素带来的误差影响，能够精确控制结构物入水时所处的波浪相位，有利于提高最终试验结果的准确性和可靠性。

附图说明

图1示出了根据本发明的结构物入水试验的试验系统的示意图。

图2示出了图1中A部的局部放大图。

图3示出了根据本发明的结构物入水试验的试验方法的流程图。

图4示出了结构物入水过程中某时刻的图像。

图5示出了结构物的运动轨迹与水面的交点的时间-高度波形图。

图6示出了水面处图像融合的过程图。

图7示出了水下图像融合的过程图。

图8示出了结构物入水过程中某时刻图像融合完成后的图像。

附图标记说明

1水池；11观察窗；12消波区；

2造波机构；3浪高仪；

4结构物固定机构；41固定架；42保持与释放机构；

5结构物；6相机；7发光机构；71LED灯；8漫反射板；

P结构物的运动轨迹与水面的交点。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式进行详细说明。其中，附图不一定是按比例绘制的，局部特征可以被放大或缩小，以更加清楚的显示局部特征的细节；除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与本申请所属的技术领域中的技术和科学术语的含义相同。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等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，仅是为了便于本发明的简化描述，而不是指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，即不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述清楚的目的，不能理解为所指示特征的相对重要性或所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个；“若干个”的含义是至少一个；另有明确具体的限定的除外。

在本发明中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等应作广义理解。例如，“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；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，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的限定，第一特征在第二特征“上”、“之上”、“上方”和“上面”、“下”、“之下”、“下方”或“下面”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征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”可以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的水平高度高于第二特征的水平高度。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的水平高度小于第二特征的水平高度。

下面根据图1至图2详细说明根据本发明的用于结构物入水试验的试验系统的具体实施方式。

在本实施方式中，如图1所示，根据本发明的用于结构物入水试验的试验系统包括水池1、造波机构2、浪高仪3、结构物固定机构4、结构物5、相机6、发光机构7、漫反射板8和控制机构。

在本实施方式中，如图1所示，水池1的前壁上形成有观察窗11，相机6通过观察窗11拍摄图像。水池1的一端设置有消波区12，消波区12用于降低波浪在水池端部的反射。其中，观察窗11大致呈矩形，但是本发明不限于此，观察窗11也可以是椭圆形或其它形状。消波区12可以构造为斜坡状的结构。

在本实施方式中，水池1大致构造为长42米、宽4米、1.6米深，该长度设计可以减小波浪反射的影响，该宽度设计可以降低边壁效应的影响，该深度可确保空泡在结构物5到达水池底壁前已经溃灭消失，进而能够得到完整的入水全过程图像。

在本实施方式中，如图1所示，造波机构2设置于水池1的另一端，用于制造稳定的水波。其中，造波机构2可以为推板式造波机。进一步的，本实施方式中使用造波机构2制造三阶斯托克斯(Stokes)波。此外，造波机构2可以通过外触发电路控制启动时刻以确保造波效果稳定且可重复性强。

在本实施方式中，如图1所示，浪高仪3设置于水池1的上方，用于观测水波的高度和稳定度。

在本实施方式中，如图1和图2所示，结构物固定机构4包括固定架41和保持与释放机构42。其中，固定架41大致位于整个水池1的中间位置，其在水池1的宽度方向上横跨水池1地固定设置于水池1的上方。保持与释放机构42设置于固定架41，且位于水池1的上方，用于保持或释放结构物5。

在本实施方式中，结构物5可以是钢球，保持与释放机构42可以包括电磁铁以通电吸附保持结构物5或断电释放结构物5。当然本发明不限于此，结构物5也可以是其它结构形式，保持与释放机构42也可以包括例如夹爪或其它形式的结构，只要能够保持和释放结构物5即可。

在本实施方式中，为了降低水的表面张力对结构物5的影响，结构物5采用直径不小于5厘米的钢球，且设定结构物5的入水速度不小于5米/秒。此外，为了降低结构物5入水时边壁效应的影响，结构物5的落水点与水池1的前壁之间的距离设定为1米。

在本实施方式中，如图1和图2所示，相机6设置于水池1的前方，且与观察窗11相对设置，同时也是与结构物5的落水点相对设置，用于拍摄结构物5入水全过程的图像。其中，相机6有四个，一个布置为高于水面，用于拍摄水面上方的图像，三个布置为低于水面，用于拍摄水面下方的图像。当然，本发明不限于此，相机6的数量也可以是2个、3个、5个、6个或更多个，只要其部分布置为高于水面，部分布置为低于水面即可。当结构物入水速度较大时，产生的空泡就会较长，使用单个相机拍摄就会出现图像畸变，此外，在有水波的情况下，水面的变化会导致单个相机的视角被水面挡住，即无法同时拍摄到水面上下方的图像。本发明通过设置多个相机6分别进行水上和水下的拍摄，可以有效避免上述不良影响。

进一步说明的是，本发明并不限制于使用多个相机6，当只能使用一个相机6时，可以通过改变相机位置进行多次试验，不过这种方式的重复性难以保证，尤其是对于空泡这种强瞬态问题的研究，且相机的移动位置也会存在偏差，总体上试验可靠性和精确性差于使用多个相机的情况。此外，也可以设置一个竖直移动机构带着相机上下移动，使得相机与结构物的速度保持一致进行追踪拍摄，不过这需要设置额外的机械驱动机构，还需要避免移动是的机械振动，难度较高，试验的可靠性总体上也不如使用多个相机的情况。

在本实施方式中，由于结构物5的全部入水过程大约持续150毫秒，因此相机6选择为每秒至少拍摄2000帧的高速相机，这样才能精确捕捉空泡的演化。进一步地，每个相机6的视场大约为高40厘米、宽20厘米，竖向相邻的两个相机6的视场在竖向上可以有10厘米的重叠范围，这样有利于相邻相机拍摄的图像之间的融合。

在本实施方式中，如图1和图2所示，发光机构7包括LED灯71(“LED”表示发光二极管)。其中，LED灯71有八个，八个LED灯71并排布置成两列，每列四个，每列四个中有一个位于水面上方，其余三个位于水面下方。当然本发明不限于此，LED灯71的数量可以有多种选择，可以为2个、3个、4个、5个、6个、7个、9个或更多个，只要其部分位于水面上方，部分位于水面下方即可，其排列方式也可以是多种多样的。

在本实施方式中，如图1和图2所示，发光机构7与相机6在水池的宽度方向上相对设置。进一步地，发光机构7与结构物5的落水点之间的距离不小于2.5米，这样可以降低水波经过发光机构7时产生的反射影响到结构物5的入水过程。

在本实施方式中，如图1和图2所示，漫反射板8竖直设置于发光机构7的前侧，用于对发光机构7发出的光进行均质化，产生更均匀的背景光。其中，漫反射板8与水池1的前壁大致平行设置，其与发光机构7的距离为0.5米，厚度为5mm。

在本实施方式中，控制机构(图中未示出)与造波机构2、浪高仪3、结构物固定机构4、相机6和发光机构7均通讯连接，以能够对各个机构进行自动控制。

应当理解的是，在本发明的试验系统中，只要通过启动开关，控制机构即可控制造波机构2进行造波工作和启动浪高仪3使其工作，当控制机构结合浪高仪3的检测判断水波稳定后，控制机构即可控制结构物固定机构4释放结构物5，同时控制相机6拍摄结构物5的入水全过程，直至图像采集结束后停止造波机构2和浪高仪3。对于拍摄获取的图像，则进一步传输至控制机构中进行分析处理，最终得到结构物入水过程的完整图像。

下面根据图3至图7详细说明根据本发明的结构物入水试验的试验方法。

在本实施方式中，如图3所示，根据本发明的结构物入水试验的试验方法包括如下步骤：

步骤二，对所述多帧图像进行数据处理，获取结构物的运动轨迹与水面的交点的时间-高度波形图，并获取所述结构物入水时刻在所述时间-高度波形图中对应的实际波形相位，

步骤四，重复所述述步骤一至所述步骤三至少两次；

其中，图4示出了结构物入水过程中某个时刻的图像，在步骤二中，结构物的运动轨迹与水面的交点P如图4所示，通过对多帧图像中获取的交点P的高度位置原始数据进行拟合处理可以得到图5所示的时间-高度波形图。

具体地，如图5所示，对P点位置的“原始数据”采用高阶(例如，9阶以上)多项式拟合，可以得到平滑的“拟合数据”。图5中波形曲线的最低点对应的t₀时刻就是水波的波谷相位对应的时刻，t₁时刻对应的是结构物5恰好入水时的时间，其对应的波形相位就是结构物5入水时所处的实际波形相位。可以理解，如果入水时的期望波形相位是波谷的话，只要在控制机构中对结构物5的释放时间延迟t₀-t₁这一时间差值即可。考虑到误差等因素影响，上面步骤一至步骤三的过程至少进行两次以进行时间差调整。优选为进行3次以上调整。

可以理解，通过步骤一至步骤四的方法，可以使得结构物5入水在任何期望波形相位上，只要确定上述的实际波形相位变化至期望波形相位所需的时间，在控制机构中设置结构物5延迟该时间释放即可。进一步地，在获取了波谷和波峰所需调整的时间差值之后，可以根据波形的固有变化规律直接得到结构物入水在其它波形相位所需调整的时间差值，可以直接在控制机构中进行设置，无需再通过预试验确定。

在本实施方式中，根据上述的试验系统可知，本发明通过设置多个相机进行拍摄，具体可以为四个相机，且四个相机中最上面的一个布置为高于水面，下面的三个相机布置为低于水面。

在调整好结构物的入水时间后，就可以开始正式的结构物入水试验。

在整个的结构物入水过程中，相机将拍摄全过程图像，由于入水全过程由多个相机拍摄，因此需要对各个相机拍摄的图像进行处理才能得到最终完整的入水过程图像。

在本实施方式中，对全过程图像的数据处理包括两部分，分别为图像预处理和图像融合处理。

对于图像预处理，具体地，考虑到相机的安装可能存在偏差，从其拍摄的连续图像中确定的结构物5的运动轨迹可能不是竖直的。当结构物5的运动轨迹与竖直方向的偏差达到一定程度时(例如，偏差角度不小于0.2度)，不利于对各个图像的后续处理。因此，需要对存在一定安装偏差的相机拍摄的图像进行旋转调整，最终使得该相机拍摄的连续图像中确定结构物的运动轨迹是竖直的。此外，需要以结构物5的尺寸(例如，钢球的直径)为基准，将每张图片中结构物5所占的像素格调整为相等。最后，以结构物5为中心对每个图片进行裁剪，使得最后所有拍摄的图片均具有相同尺寸且在竖直方向上对齐。

对于图像融合处理，其包括水面处图像融合处理和水下图像融合处理。下面以某一时刻拍摄的图像为例进行说明。

如图6所示，水面处图像融合处理具体包括：首先对布置为低于水面的相机中的最上方的相机拍摄的图像沿预定方向(如图6中的白色虚线所示)进行裁剪处理，然后沿同样的预定方向对布置为高于水面的相机中的最下方的相机拍摄的图像进行裁剪，将裁剪得到的两份图像进行拼接处理，具体过程如图6所示。从图6中可以明显看出，动态的水面会对布置为高于水面的相机的拍摄造成不良影响，拍摄到的图像中，水面和飞溅起的水花不容易区分，而在布置为低于水面的相机拍摄的图像中，水面和空泡的交界面则非常明显，通过上述的动态拼接的方法，可以较为精确地得到水面处的入水图像。

水下图像融合处理具体包括：对布置为低于水面的相机中的任意两个相邻的相机拍摄的图像进行加权拼接融合。具体地，上面已经说明，竖向相邻的两个相机的视场在竖向上可以有10厘米的重叠范围，据此，对两个相邻的相机拍摄的两张图片中的一张中的重叠区域进行从1至0的乘法加权处理，其效果表现为逐渐变暗，对另一张图片中的相对应的重叠区域进行从0至1的乘法加权处理，其效果表现为逐渐变亮，将两张图片中的重叠区域进行叠合，即可得到两张图片融合后的高清图片。具体过程如图7所示。最后，对所有相机拍摄的图像进行融合处理后即可得到图8所示的结构物入水过程中某一时刻的完整图像。

如此，使用上述方法对全过程图像的数据处理即可得到结构物入水过程中任意时刻的完整图像。由于结构物的尺寸是已知的，因此可以根据最终获得的图像进行后续的定量分析。

通过采用上述技术方案，根据本发明的试验方法至少具有如下有益效果：

(1)在本发明的试验方法中，相对于现有技术中根据浪高仪检测波形后，并通过计算确定结构物入水时间来控制结构物入水时所处的波浪相位，本发明是直接通过预试验，利用结构物入水点处的实际图像来判断控制，能够有效避免波浪传播衰减、波面局部扰动、浪高仪测量误差等因素带来的误差影响，能够精确控制结构物入水时所处的波浪相位，有利于提高最终试验结果的准确性和可靠性。

(2)在本发明的试验方法中，通过采用多个相机进行拍摄，能够有效避免单个相机拍摄可能遇到的视角被遮挡和发生图像畸变的情况。

可以理解，用于实现上述试验方法的试验系统也具有相同的技术效果。

应当理解，以上实施方式均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，还可以在以上实施方式的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施方式的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本发明的另外的实施方式。因此，上述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，不对本发明的保护范围进行限制。

Claims

1.一种结构物入水试验的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤四，重复所述步骤一至所述步骤三至少两次；

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤二中，通过对所述多帧图像中获取的所述交点的高度位置原始数据进行拟合处理得到所述时间-高度波形图。

3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过所述时间-高度波形图确定所述实际波形相位变化至所述期望波形相位所需的时间，将该时间确定为所述时间差值，并使得所述结构物的释放时间延迟所述时间差值。

4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，至少使用两个所述相机进行拍摄，其中至少两个所述相机中的一部分布置为高于水面，用于拍摄水面上方的图像，另一部分布置为低于水面，用于拍摄水面下方的图像。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述步骤五中的“对获取的全过程图像进行数据处理”包括：

图像融合处理，对各个所述相机拍摄的图像进行融合处理。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述图像融合处理包括水面处图像融合处理，

7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述图像融合处理还包括水下图像融合处理，

8.用于实现权利要求1至7中任一项所述的试验方法的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：

水池；

造波机构，用于制造规则波；

相机，用于拍摄结构物的入水过程；以及

9.根据权利要求8所述的试验系统，其特征在于，所述相机有多个，其中部分地布置成高于所述水池的水面，另一部分布置成低于所述水池的水面。

10.根据权利要求8所述的试验系统，其特征在于，还包括浪高仪，用于检测水波的高度和水波是否稳定；和/或

所述结构物为钢球。