基于激光片光成像的脈沖防暴水炮粒度測(cè)量

莊弘煒，趙法棟，徐 亮

（武警工程學(xué)院裝備運(yùn)輸系，陜西西安710086）

1 引 言

脈沖防暴水炮是一種新型的反人員類非致命武器.它采用先進(jìn)的脈沖氣壓噴霧技術(shù)，依靠射流霧化產(chǎn)生的刺激性霧化場(chǎng)達(dá)到驅(qū)散人群的目的.因此，刺激性液滴的粒度分布是衡量脈沖防暴水炮作戰(zhàn)效能的重要指標(biāo).脈沖射流的非穩(wěn)態(tài)特征和較大的霧場(chǎng)范圍，增加了粒度測(cè)量的難度.研究對(duì)脈沖射流粒度分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量的有效方法，將為確定其戰(zhàn)術(shù)性能和相關(guān)系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供科學(xué)有效的研究方向.

隨著激光及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以激光散射、衍射和干涉原理開發(fā)出許多新的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，其中可實(shí)現(xiàn)粒度測(cè)量的技術(shù)主要有：激光相位多普勒技術(shù)（PDPA）和激光衍射散射技術(shù)[1].但PDPA測(cè)量時(shí)要求空間數(shù)據(jù)遍及測(cè)試系統(tǒng)，光路系統(tǒng)復(fù)雜，不便于調(diào)試，且只能完成流場(chǎng)的單點(diǎn)高精度測(cè)量[2].激光衍射散射技術(shù)得到的是通過激光光束的粒子信息，測(cè)試系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間比水炮的發(fā)射時(shí)間長(zhǎng)得多，無法進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)量[3].

王喜世等[4－5]基于粒子散射原理和激光片光成像技術(shù)，開發(fā)了粒子圖像測(cè)速測(cè)徑（particle image velocimetry and sizing，PIVS）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)中粒度分布的瞬時(shí)測(cè)量.該方法已成功應(yīng)用于細(xì)水霧粒徑測(cè)量、爆炸拋撒水霧粒度研究[6]和火災(zāi)煙霧探測(cè)[7]中.本文根據(jù)PIVS方法，搭建適用于脈沖防暴水炮粒度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出相應(yīng)的粒度測(cè)量算法，并進(jìn)行算法和系統(tǒng)驗(yàn)證，為下一步粒度測(cè)量奠定基礎(chǔ).

2 PIVS粒度測(cè)量的基本原理

PIVS方法對(duì)脈沖防暴水炮射流粒度測(cè)量的基本原理如圖1所示，通過激光片光照明徑向流場(chǎng)，借助流場(chǎng)中粒子對(duì)照明光的散射特性，通過接收粒子的前向散射信息，對(duì)徑向粒子場(chǎng)斷面成像，然后通過對(duì)粒子場(chǎng)圖像進(jìn)行幾何校正、平滑、二值化等處理，最后通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法識(shí)別粒子并獲取粒徑大小、平均直徑等數(shù)據(jù).

圖1 PIVS粒度測(cè)量原理示意圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為實(shí)現(xiàn)PIVS方法的粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.該粒度測(cè)量系統(tǒng)由脈沖防暴水炮發(fā)射系統(tǒng)、散射光路系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)組成.

圖2 粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.1 脈沖防暴水炮發(fā)射系統(tǒng)

脈沖防暴水炮發(fā)射系統(tǒng)由水箱、儲(chǔ)氣瓶和炮管組成.其中炮管由高壓氣室、發(fā)射管和電磁閥構(gòu)成.該發(fā)射系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力，推動(dòng)發(fā)射管內(nèi)的水和刺激劑的混合液體以較高的速度噴出，產(chǎn)生帶有刺激劑的霧化脈沖射流.完成1次噴射后，再由高壓儲(chǔ)氣瓶向氣室內(nèi)輸入高壓氣體，待發(fā)射管內(nèi)注滿水后，打開電磁閥，完成第2次發(fā)射，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了脈沖發(fā)射.該系統(tǒng)的單次發(fā)射時(shí)間為5～50ms，射程約10m.從發(fā)射和射流運(yùn)動(dòng)過程來看，該流場(chǎng)具有不均勻、不連續(xù)、噴射速度快、覆蓋范圍廣、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)等特征.

3.2 散射光路系統(tǒng)

當(dāng)激光波長(zhǎng)接近粒度尺寸時(shí)，激光在水霧顆粒表面將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的散射.脈沖防暴水炮的霧化粒徑分布廣，為微米或毫米數(shù)量級(jí)，因此本實(shí)驗(yàn)采用了西安銘輝光電有限公司生產(chǎn)的功率為2W、波長(zhǎng)為808nm近紅外半導(dǎo)體激光器.入射光源由該激光器和柱面鏡、球透鏡等光學(xué)元件組成，可產(chǎn)生厚度約1mm、發(fā)散角為60°的激光片光.入射光源放置在脈沖水炮射流運(yùn)動(dòng)的一側(cè)，與脈沖射流的水平對(duì)稱面相垂直.

為了不影響射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中鏡頭的觀測(cè)方向不能與激光片光的前向正交.經(jīng)驗(yàn)表明：前向散射20°～60°區(qū)域內(nèi)的散射光較強(qiáng)，有利于獲得幅值較大的信號(hào)[1].本文鏡頭的觀測(cè)方向與入射光源的前向呈45°夾角，同時(shí)保持高速攝影機(jī)水平.

3.3 動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)

由于脈沖水炮射流流速高、持續(xù)時(shí)間短，這就要求成像系統(tǒng)具有較高的幀率和較小的曝光時(shí)間，能夠捕捉到更多的瞬態(tài)信息；又由于霧化顆粒分布廣，因此成像系統(tǒng)應(yīng)有足夠的分辨率；而近紅外激光源則要求成像系統(tǒng)能夠接收到近紅外散射光；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)大型噴霧場(chǎng)不同距離上的參量測(cè)量，還要求成像系統(tǒng)具有較好的移動(dòng)性和靈活性.在實(shí)驗(yàn)中，成像系統(tǒng)由Phantom IR300型高速CMOS攝影機(jī)、鏡頭和計(jì)算機(jī)等組成.

Phantom IR300型高速攝影機(jī)是覆蓋可見光與近紅外光譜的高速攝影機(jī)，在600～1 100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)高效感光，拍攝速率為每秒6 688幅時(shí)，分辨率為800×600像素.CMOS像元尺寸為22μm，傳感器尺寸為25.6mm×16.0mm，最小曝光時(shí)間為1μs，標(biāo)稱靈敏度4800ISO／ASA（黑白），達(dá)到了粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求.

鏡頭的選擇決定著該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度（即單像素所代表的尺寸）.在理想光學(xué)系統(tǒng)中垂軸放大率β可表示為[8]

式中，y′為像高，y為物高，l′為焦距，l為物距.較大的拍攝范圍將會(huì)獲取更多的粒子信息，但也會(huì)降低測(cè)量精度，故實(shí)驗(yàn)中將粒度測(cè)量精度定為110μm，此時(shí)的垂軸放大率為1／5，拍攝面積為8.8cm×6.6cm.為盡量避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備干擾流場(chǎng)，物距選定約1m，選用鏡頭的焦距為200mm.測(cè)量實(shí)驗(yàn)在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，以減小環(huán)境因素對(duì)流場(chǎng)的影響.

4 粒子圖像的分析處理

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置獲得粒子圖像后，核心問題是通過對(duì)粒子圖像數(shù)據(jù)的分析處理獲得粒子的大小及其譜分布.

4.1 空間幾何變換

由于鏡頭的觀測(cè)方向與入射光源的前向呈45°夾角，故而得到的圖像是經(jīng)幾何畸變后的圖像，如圖3所示.

為了對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正，本文根據(jù)射影幾何中的交比不變性[9]提出了一種普適性方法來進(jìn)行幾何校正.

圖3 標(biāo)準(zhǔn)正交網(wǎng)格圖像的幾何畸變

如果不考慮鏡頭本身的畸變以及透視的影響，可以將成像系統(tǒng)看成是小孔成像模型，如圖4所示，并假設(shè)像平面與光軸垂直，像的中心恰好在光軸上.

圖4 小孔成像模型

在圖4中，α和γ分別為像平面和物平面，β為與像平面平行的平面，與γ的夾角為θ，O為小孔，CD為γ上的線段，H為CD上任一點(diǎn)，經(jīng)小孔O后得到α上線段AB，則校正過程實(shí)際上就是根據(jù)α的點(diǎn)坐標(biāo)恢復(fù)出γ的點(diǎn)坐標(biāo)的過程.顯然，α和β平面上的圖像呈簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，上述校正過程即為β和γ平面上點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換過程，如圖5所示.

圖5 幾何校正位置關(guān)系示意圖

由射影幾何中的交比不變性可知

進(jìn)而可以得到畸變圖像平面上的點(diǎn)（x，y）與校正圖像平面上的點(diǎn)（x′，y′）橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中：w為畸變圖像的長(zhǎng)度，p為校正圖像的長(zhǎng)度，l為OE′的長(zhǎng)度.

同理可以得到縱坐標(biāo)的變換關(guān)系為

式中，h為畸變圖像的高度.

在上述方法中，不需要對(duì)每一成像條件提供控制點(diǎn)數(shù)據(jù)[10－11]，只需要知道鏡頭的焦距和角度值θ就可以實(shí)現(xiàn)幾何校正，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作步驟.

4.2 灰度插值

利用上述函數(shù)進(jìn)行空間變換后，需要對(duì)變換后的像素賦予相應(yīng)的灰度值，然而變換后的坐標(biāo)值不會(huì)剛好位于整數(shù)坐標(biāo)上，對(duì)于數(shù)字圖像而言，小數(shù)坐標(biāo)是沒有意義的.本文采用雙線性插值的方法得到校正圖像的灰度級(jí).圖6為校正前后的圖像.

圖6 校正前后的網(wǎng)格圖像

4.3 圖像增強(qiáng)及二值化

圖像校正后，一些椒鹽狀尖峰噪聲可能會(huì)存在[4]，這對(duì)粒子數(shù)目的統(tǒng)計(jì)和粒徑分析造成一定的干擾.中值濾波對(duì)圖像中的脈沖噪聲、椒鹽噪聲等有較好的濾除效果[12]，因此，本文采用中值濾波法.同時(shí)，通過人機(jī)交互的方式采用固定閾值法來實(shí)現(xiàn)對(duì)原圖像的二值化.

4.4 粒度分析

圖像預(yù)處理完成后，即可對(duì)粒子圖像進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)獲取粒度信息.本文通過對(duì)二值圖像中白色區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲取區(qū)域面積大小，將與該區(qū)域有相同面積的圓的直徑定義為等效直徑，將白色區(qū)域的個(gè)數(shù)作為粒子數(shù)目進(jìn)行分析.

4.5 算法驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述粒度測(cè)量算法的可靠性，利用計(jì)算機(jī)生成標(biāo)準(zhǔn)粒子圖像，然后采用本文所搭建的粒度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其拍攝和粒徑分析處理（如圖7所示），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該算法分析精度的驗(yàn)證.該標(biāo)準(zhǔn)粒子圖像中采用了6種不同大小的粒子，直徑分別為5，10，15，18，20，24像素，粒子數(shù)目均為40個(gè).

圖7 校正前后的標(biāo)準(zhǔn)粒子圖像

圖8為利用粒度分析系統(tǒng)得到的粒徑分布直方圖，粒子數(shù)目為240個(gè)，平均粒徑為15.46像素，相對(duì)偏差為0.83%.對(duì)圖中直徑為5，10，15，18，20，24像素粒子的統(tǒng)計(jì)平均直徑分別為：4.824 2，10.209 1，14.978 9，18.120 0，20.026 4，24.605 6像素，相對(duì)偏差分別為：3.5%，2.09%，1.41%，0.67%，0.1%，1.58%.可見，本文的粒度測(cè)量算法是可靠的.

圖8 粒徑分布直方圖

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

本系統(tǒng)所依據(jù)的原理的可靠性在文獻(xiàn)[13]中利用標(biāo)準(zhǔn)玻璃球粒子給出了充分的實(shí)驗(yàn)證明，但是對(duì)于本文所搭建的粒度測(cè)量系統(tǒng)的可靠性還需要通過實(shí)驗(yàn)來加以證明.根據(jù)現(xiàn)有條件，利用本文的粒度測(cè)量系統(tǒng)（高速攝影機(jī)的幀率為每秒2 000幀）和JL－3000型噴霧激光粒度測(cè)試儀對(duì)小型噴壺的穩(wěn)定流場(chǎng)中距噴嘴12cm，16cm和20cm處的粒徑分布進(jìn)行了比較測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖9所示.

圖9 比較實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

JL－3000型噴霧激光粒度儀是以激光衍射散射原理開發(fā)的粒度測(cè)量?jī)x器，測(cè)量范圍為0.5～2 000μm，得到的參量為顆粒粒徑的體積累積分布.圖9表明，本文的粒度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與JL－3000型激光粒度儀的測(cè)量結(jié)果間有一定的差異，分析原因可能是：

1）由于2種系統(tǒng)的測(cè)量原理不同，得到的粒徑參量也不同.

2）被測(cè)對(duì)象不一致.JL－3000型激光粒度儀得到的是通過激光光束的粒子信息，然而本文的粒度測(cè)量系統(tǒng)得到的是通過激光片光平面的粒子信息.

3）本文在處理實(shí)際水霧圖像時(shí)，圖像二值化及系統(tǒng)本身的測(cè)量精度等均會(huì)引入誤差.但從總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果同粒度儀測(cè)量結(jié)果粒度分布規(guī)律基本相同，說明本文的粒度測(cè)量系統(tǒng)具有一定的可靠性.

6 結(jié) 論

為了測(cè)量脈沖防暴水炮非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的粒度分布，根據(jù)PIVS方法設(shè)計(jì)了脈沖防暴水炮粒度測(cè)量系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的粒度測(cè)量算法.算法驗(yàn)證和系統(tǒng)對(duì)比驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)不論是算法本身還是整個(gè)系統(tǒng)都是可靠的.由于系統(tǒng)中的高速攝影機(jī)能夠記錄瞬態(tài)的流場(chǎng)信息，所以能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖防暴水炮霧場(chǎng)中的瞬態(tài)粒度分布測(cè)量.

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