CN115285374A - 旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统及测量方法，属于飞行器结冰探测技术领域。为解决现有技术螺旋桨结冰地面试验中错误帧排除功能和视频抖动修正的问题。本发明包括相机、镜头、直流照明装置、激光器、光电倍增管、遮光罩、示波器、放大器、同步信号发生器、计算机；相机、直流照明装置分别与同步信号发生器连接，同步信号发生器连接放大器，放大器分别连接示波器和光电倍增管；激光器设置于旋转部件来流方向上游并避开冰风洞流场，光电倍增管安装于旋转部件来流方向下游并避开冰风洞流场，光电倍增管用于接收激光器发出并经过旋转部件后的光电信号，光电倍增管上安装有遮光罩，旋转部件连接旋转机构；计算机连接相机。本发明系统可靠。
Description
技术领域
本发明属于飞行器结冰探测技术领域，具体涉及一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统及测量方法。
背景技术
结冰是飞行器飞行安全中一个常见的危险源，可导致飞行器坠毁。螺旋桨/旋翼是很多飞行器重要的动力来源。一旦螺旋桨/旋翼桨轴和叶片产生结冰累积，会带来以下危害：1）螺旋桨效率降低，造成飞行器飞行速度降低；2）桨叶上结冰不均匀分布导致螺旋桨失去动平衡并引发振动；3）螺旋桨上的积冰脱落时可能直接击伤飞行器其他部位，对飞行安全造成危害。
针对螺旋桨结冰问题，需要开展螺旋桨地面结冰试验，在地面模拟试验区域通过冰风洞模拟稳定的高空过冷水滴凝结临界点的特殊环境，以研究螺旋桨结冰机理并验证螺旋桨防除冰设计的可靠性。传统的螺旋桨冰形分布测量方式是，当试验结束且螺旋桨完全停转后，使用相机拍摄冰形照片以及三维扫描设备获取冰形，但无法观察螺旋桨在运转过程中结冰和除冰实时过程。锁相视频测量可以基于旋转螺旋桨输出的周期信号，锁相拍摄单个螺旋桨的结冰试验全过程，可以实现螺旋桨冰形分布的定性或定量时间序列测量，为螺旋桨结冰机理及防除冰设计提供更有效的数据支撑。
为保证结冰模拟的真实性，地面结冰试验一般针对真实飞行器进行。进行锁相视频测量时，由于真实飞行器螺旋桨不一定具备安装转速表的条件，因此可能无法直接获取螺旋桨转速信号。由于户外试验现场环境复杂，转速信号也有可能错误，导致错误帧的出现。另外，真实飞行器在地面启车功率很大，即使飞行器被固定于地面，螺旋桨高速旋转也会导致飞行器产生大幅振动，导致拍摄的视频抖动。再次，户外试验环境具有低温等不利因素，对测量系统的可靠性也提出新的考验。
综上所述，开发一种可实时获取螺旋桨等旋转部件转速信号的、具有错误帧排除功能和视频抖动修正功能的、在低温下能正常工作的旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统和测量方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，解决螺旋桨结冰地面试验中真实飞行器条件下的螺旋桨等旋转部件转速信号取得问题、错误帧排除问题、视频抖动修正问题和低温工作问题，同时保证测量系统的可靠性。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统，包括成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件、图像处理组件；
所述成像组件由相机、镜头和直流照明装置构成，所述光电信号收发组件由激光器、光电倍增管、遮光罩构成，所述转速信号处理组件由同步信号发生器构成，所述图像处理组件由计算机构成；
相机、直流照明装置分别与同步信号发生器连接，同步信号发生器连接放大器，放大器分别连接示波器和光电倍增管；
激光器设置于旋转部件来流方向上游并避开冰风洞流场，光电倍增管安装于旋转部件来流方向下游并避开冰风洞流场；
激光器发出光束并经过旋转部件后由光电倍增管接收，光电倍增管上安装有遮光罩，旋转部件连接旋转机构，计算机连接相机；
旋转部件表面布置有特征图案、标记点，所述直流照明装置照射旋转部件表面布置的特征图案和标记点。
进一步的，所述旋转部件为螺旋桨或风机叶片。
进一步的，所述的遮光罩为与光电倍增管螺纹口适配的塑料材质圆筒，圆筒长度不小于圆筒直径，内部布置一层塑料材质的白色不透明薄膜，使得外界环境光被遮光罩和薄膜遮挡的同时，激光器发出的光斑在薄膜上形成强漫反射，进而提高光电倍增管接收光信号的信噪比。
进一步的，特征图案为使用记号笔在旋转部件上涂画的图案、粘贴于旋转部件上的不干胶纸图案或若干个标记点在旋转部件上排列形成的图案。标记点为圆形不干胶纸。特征图案和标记点的大小应满足以下条件：相机拍摄的旋转部件图像中，特征图案不小于20×20像素，标记点不小于5×5像素。
一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，包括如下步骤：
S1、试验前准备：结冰试验之前预先在旋转部件表面布置特征图案和纸质标记点；
S2、布置一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统系统；
S3、图像采集：经放大的光电信号输入同步信号发生器中，以信号下降沿，即旋转部件旋转过程中遮挡光束的时刻为触发时刻，将触发信号输入成像组件，再经同步信号发生器调节信号发生延迟，使成像组件拍摄到锁相状态的旋转部件图像；
S4、数据处理：包括错误帧判断和图像配准。
进一步的，步骤S1中特征图案位于成像组件拍摄的视场之中，且不同旋转部件上的特征图案位于旋转部件的同一位置但形状不同，纸质标记点均匀的、间隔的布置于被拍摄到的旋转部件表面。
进一步的，步骤S2具体实现方法为：将相机与镜头组合后对准待测旋转部件，调节光圈和焦距使视场清晰，将直流照明装置对准待测旋转部件并开启，将激光器安装于旋转部件来流方向上游并避开冰风洞流场，使激光器发出的光束经过旋转部件叶片外侧边缘位置，光束避开冰风洞流场；光电倍增管安装于旋转部件来流方向下游并避开冰风洞流场，将激光光束对准光电倍增管；将光电倍增管接收的信号输入示波器与放大器，通过示波器观察波形，通过放大器调节信号强度。
进一步的，步骤S4错误帧判断的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择一个矩形查问区，查问区内包含试验前在旋转部件表面布置的特征图案，比较不同图像查问区的相关系数，若相关系数低于某一阈值，则说明不同图像查问区内的特征图案不相同，判断该图像为错误帧。
进一步的，步骤S4图像配准的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择若干个标记点，使用平移、旋转的图像变换方式将不同图像的旋转部件配准到初始图像的旋转部件位置，实现视频抖动修正。
进一步的，所述的成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件和图像处理组件在现场具备条件的情况下放置于具有保温功能的室内。现场不具备室内条件情况下，所述的成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件和图像处理组件使用电热毯包裹，避免设备在低温下工作异常。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种旋转部件地面结冰试验冰形分布视频测量系统和测量方法，提供了旋转部件转速信号的输出，修正了错误帧和视频抖动，并保证了低温下测量系统的可靠性：
（1）采用光电式锁相拍摄方案，使用光电信号收发组件提供了旋转部件转速信号的输出，使用转速信号处理组件处理信号并输入成像组件控制拍摄，为无转速表信号输出的旋转部件结冰锁相拍摄提供了方案；
（2）采用直接图像相关方法对旋转部件图像中的特征区域进行识别并筛除错误帧，采用图像配准方法对旋转部件图像中的标记点进行识别并配准图像，解决了错误帧及视频抖动修正问题；
（3）各组件或放置于具有保温功能的室内，或使用电热毯包裹，避免设备在低温下工作异常，保证了系统可靠性。本发明在哈尔滨冬季-20℃的气温下进行测试，可满足至少6小时的持续工作需求。
附图说明
图1为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统测试时的旋转部件照片；
图3为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法的错误帧判断相关系数曲线图；
图4为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统测试时间序列旋转部件局部放大照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图详细说明如下 ：
具体实施方式一：
一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统，包括成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件、图像处理组件；
所述成像组件由相机1、镜头2和直流照明装置3构成，所述光电信号收发组件由激光器4、光电倍增管5、遮光罩6构成，所述转速信号处理组件由同步信号发生器9构成，所述图像处理组件由计算机10构成；
相机1、直流照明装置3分别与同步信号发生器9连接，同步信号发生器9连接放大器8，放大器8分别连接示波器7和光电倍增管5；
激光器4设置于旋转部件13来流方向上游并避开冰风洞11流场，光电倍增管5安装于旋转部件13来流方向下游并避开冰风洞11流场；
激光器4发出光束并经过旋转部件13后由光电倍增管5接收，光电倍增管5上安装有遮光罩6，旋转部件13连接旋转机构12，计算机10连接相机1；
旋转部件13表面布置有特征图案、标记点，所述直流照明装置3照射旋转部件13表面布置的特征图案和标记点。
进一步的，相机安装镜头用于拍摄旋转部件结冰冰形分布图像，直流照明装置用于稳定照明旋转部件，保证图像的高信噪比。
进一步的，激光器用于发射光电信号，光电倍增管用于接收激光器发出的，经过旋转部件后的光电信号，光电倍增管前方装有遮光罩，遮光罩内为白色薄膜，可有效降低背景信号强度，并增强光斑均匀性。
进一步的，示波器用于显示光电倍增管接收的，经放大器放大后的光电信号，放大器用于放大光电倍增管的光电信号，同步信号发生器用于向成像组件发送触发信号。
进一步的，成像组件拍摄的图像数据传输至计算机，可实时显示冰形分布，试验结束后可将视频存储到计算机硬盘，以便进一步处理。
进一步的，所述的成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件和图像处理组件在现场具备条件的情况下放置于具有保温功能的室内。现场不具备室内条件情况下，所述的成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件和图像处理组件使用电热毯包裹，避免设备在低温下工作异常。
进一步的，所述旋转部件13为螺旋桨。
进一步的，所述的遮光罩6为与光电倍增管5螺纹口适配的塑料材质圆筒，圆筒长度不小于圆筒直径，遮光罩6内部布置一层塑料材质的白色不透明薄膜，使得外界环境光被遮光罩和薄膜遮挡的同时，激光器发出的光斑在薄膜上形成强漫反射，进而提高光电倍增管接收光信号的信噪比。
进一步的，特征图案为使用记号笔在旋转部件上涂画的图案、粘贴于旋转部件上的不干胶纸图案或若干个标记点在旋转部件上排列形成的图案。标记点为圆形不干胶纸。特征图案和标记点的大小应满足以下条件：相机拍摄的旋转部件图像中，特征图案不小于20×20像素，标记点不小于5×5像素。
进一步的，相机1、直流照明装置3分别与同步信号发生器9连接，同步信号发生器9连接放大器8，放大器8分别连接示波器7和光电倍增管5。
进一步的，所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统连接结构示意图如图1所示。
具体实施方式二：
根据具体实施方式一所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，包括如下步骤：
S1、试验前准备：结冰试验之前预先在旋转部件表面布置特征图案和纸质标记点；
S2、布置一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统系统；
S3、图像采集：经放大的光电信号输入同步信号发生器中，以信号下降沿，即旋转部件旋转过程中遮挡光束的时刻为触发时刻，将触发信号输入成像组件，再经同步信号发生器调节信号发生延迟，使成像组件拍摄到锁相状态的旋转部件图像；
S4、数据处理：包括错误帧判断和图像配准。
图2为所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统测试时的旋转部件照片，高速旋转的螺旋桨在系统中显示为静止的螺旋桨图像，图2是在旋转桨高速旋转时获得。
进一步的，步骤S1中特征图案位于成像组件拍摄的视场之中，且不同旋转部件上的特征图案位于旋转部件的同一位置但形状不同，纸质标记点均匀的、间隔的布置于被拍摄到的旋转部件表面。
进一步的，步骤S1结冰试验之前预先在旋转部件表面布置特征图案和纸质标记点。特征图案可使用纸质标记点粘贴于旋转部件表面，也可使用记号笔在旋转部件表面涂画。布置特征图案的要点是，特征图案与旋转部件本身的对比度需足够强以便于被系统识别，所在位置需位于成像组件拍摄的视场之中，且不同旋转部件上的特征图案应位于旋转部件的同一位置，但形状各不相同。布置纸质标记点的要点是，应尽可能均匀地、间隔地布置于可被拍摄到的旋转部件表面，以便于后续数据处理阶段使用。
进一步的，步骤S2具体实现方法为：将相机与镜头组合后对准待测旋转部件，调节光圈和焦距使视场清晰，将直流照明装置对准待测旋转部件并开启，将激光器安装于旋转部件来流方向上游并避开冰风洞流场，使激光器发出的光束经过旋转部件叶片外侧边缘位置，光束避开冰风洞流场；光电倍增管安装于旋转部件来流方向下游并避开冰风洞流场，将激光光束对准光电倍增管；将光电倍增管接收的信号输入示波器与放大器，通过示波器观察波形，通过放大器调节信号强度。
进一步的，步骤S4错误帧判断的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择一个矩形查问区，查问区内包含试验前在旋转部件表面布置的特征图案，比较不同图像查问区的相关系数，若相关系数低于某一阈值，则说明不同图像查问区内的特征图案不相同，判断该图像为错误帧。
具体的，步骤S4错误帧判断采用基于归一化二维互相关的模板匹配算法，算法的详细步骤为：
S4.1、根据图像大小计算空间域或频域的互相关；
S4.2、通过预先计算运行总和来计算局部总和；
S4.3、使用局部总和对互相关进行归一化以获得相关系数
；
待匹配像素位置
和目标像素位置
的相关系数
依照以下公式进行计算：
式中 
为像素坐标为
的图像，
和
为图像的像素坐标，
为查问区模板的平均值，
是查问区模板区域
的平均值，
为坐标
的查问区模板的值。
通过相关系数
的计算，若相关系数低于某一阈值，则说明不同图像查问区内的特征图案不相同，判断该图像为错误帧。
图3为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法的错误帧判断相关系数曲线图。图中可见各帧的相关系数。错误帧与正确帧的相关系数相差很大，基于此可设置一个阈值将错误帧排除。
进一步的，步骤S4图像配准的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择若干个标记点，使用平移、旋转的图像变换方式将不同图像的旋转部件配准到初始图像的旋转部件位置，实现视频抖动修正。
具体的，步骤S4图像配准中视频抖动修正使用图像的非反射相似变换算法实现，非反射相似变换包括旋转、缩放和平移，涵盖了由飞行器振动造成的旋转部件图像抖动因素。在非反射相似变换算法中，图像中的平行线仍保持平行，直线仍保持直线。使用有效的控制点对或基于图像互相关求得的位移矢量来推断空间变换，获得从输出空间[u,v]到输入空间[x,y]的逆映射。使得：
式中sc为正弦缩放旋转变换系数、ss为余弦缩放旋转变换系数、tx第一维度平移变换系数、ty为第二维度平移变换系数；sc和ss与图像缩放的尺度scale和选择的角度angle有关：
图像数据经上述处理后，可获得某一指定螺旋桨叶片处稳定的结冰图像时间序列，通过观察在不同时间处图像上显示的螺旋桨冰形可判断螺旋桨在运行全过程的结冰情况，为螺旋桨防除冰设计及飞行安全提供数据支持。
进一步的，图4为本发明所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统测试时间序列旋转部件局部放大照片，图4是在旋转桨高速旋转时获得，从图4可见螺旋桨前缘的随时间的结冰脱冰过程。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (8)
1.一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统，其特征在于：包括成像组件、光电信号收发组件、转速信号处理组件、图像处理组件；
所述成像组件由相机（1）、镜头（2）和直流照明装置（3）构成，所述光电信号收发组件由激光器（4）、光电倍增管（5）、遮光罩（6）构成，所述转速信号处理组件由同步信号发生器（9）构成，所述图像处理组件由计算机（10）构成；
相机（1）、直流照明装置（3）分别与同步信号发生器（9）连接，同步信号发生器（9）连接放大器（8），放大器（8）分别连接示波器（7）和光电倍增管（5）；
激光器（4）设置于旋转部件（13）来流方向上游并避开冰风洞（11）流场，光电倍增管（5）安装于旋转部件（13）来流方向下游并避开冰风洞（11）流场；
激光器（4）发出光束并经过旋转部件（13）后由光电倍增管（5）接收，光电倍增管（5）上安装有遮光罩（6），旋转部件（13）连接旋转机构（12），计算机（10）连接相机（1）；
旋转部件（13）表面布置有特征图案、标记点，所述直流照明装置（3）照射旋转部件（13）表面布置的特征图案和标记点。
2.根据权利要求1所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统，其特征在于：所述旋转部件（13）为螺旋桨或风机叶片。
3.根据权利要求2所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统，其特征在于：所述的遮光罩（6）为与光电倍增管（5）螺纹口适配的塑料材质圆筒，圆筒长度不小于圆筒直径，遮光罩（6）内部布置一层塑料材质的白色不透明薄膜。
4.一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量方法，依托于权利要求1-3之一所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统实现，其特征在于：包括如下步骤：
S1、试验前准备：结冰试验之前预先在旋转部件表面布置特征图案和纸质标记点；
S2、布置一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统系统；
S3、图像采集：经放大的光电信号输入同步信号发生器中，以信号下降沿，即旋转部件旋转过程中遮挡光束的时刻为触发时刻，将触发信号输入成像组件，再经同步信号发生器调节信号发生延迟，使成像组件拍摄到锁相状态的旋转部件图像；
S4、数据处理：包括错误帧判断和图像配准。
5.根据权利要求4所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，其特征在于：步骤S1中特征图案位于成像组件拍摄的视场之中，且不同旋转部件上的特征图案位于旋转部件的同一位置但形状不同，纸质标记点均匀的、间隔的布置于被拍摄到的旋转部件表面。
6.根据权利要求5所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，其特征在于：步骤S2具体实现方法为：将相机与镜头组合后对准待测旋转部件，调节光圈和焦距使视场清晰，将直流照明装置对准待测旋转部件并开启，将激光器安装于旋转部件来流方向上游并避开冰风洞流场，使激光器发出的光束经过旋转部件叶片外侧边缘位置，光束避开冰风洞流场；光电倍增管安装于旋转部件来流方向下游并避开冰风洞流场，将激光光束对准光电倍增管；将光电倍增管接收的信号输入示波器与放大器，通过示波器观察波形，通过放大器调节信号强度。
7.根据权利要求6所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，其特征在于：步骤S4错误帧判断的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择一个矩形查问区，查问区内包含试验前在旋转部件表面布置的特征图案，比较不同图像查问区的相关系数，若相关系数低于某一阈值，则说明不同图像查问区内的特征图案不相同，判断该图像为错误帧。
8.根据权利要求6所述的一种旋转部件结冰试验冰形分布视频测量系统的测量方法，其特征在于：步骤S4图像配准的具体实现方法为：在旋转部件冰形图像中选择若干个标记点，使用平移、旋转的图像变换方式将不同图像的旋转部件配准到初始图像的旋转部件位置，实现视频抖动修正。
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