基于圖像處理的噴嘴霧化角測試方法

錢 晨，高新妮，胡保林，彭中偉，顏 華，楊 斌

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體火箭發(fā)動機(jī)工作過程中，燃料和氧化劑經(jīng)過噴嘴霧化成細(xì)小液滴，在推力室進(jìn)行蒸發(fā)、混合和燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，高溫燃?xì)馔ㄟ^噴管產(chǎn)生推力。噴嘴霧化過程對發(fā)動機(jī)燃燒具有重要影響，關(guān)系發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定與效率。其中，霧化角是評價霧化性能的重要指標(biāo)之一。如果燃料噴嘴霧化角過大，噴出的燃料將會穿出氧化劑區(qū)域而造成燃料和氧化劑混合不良，降低燃燒效率，此外還會因為燃料噴射到推力室壁面上造成結(jié)焦或積碳現(xiàn)象，影響傳熱效果，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力不足，甚至造成超溫事故；如果燃料噴嘴霧化角過小，燃料和氧化劑霧滴不能有效地彌散在推力室，造成燃料和氧化劑混合不均勻，導(dǎo)致燃燒效率較低，影響發(fā)動機(jī)性能。因此，準(zhǔn)確測量噴嘴出口霧化角對驗證噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

基于圖像處理的霧化角測量方法廣泛應(yīng)用于評估噴嘴性能及檢測噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷。劉祺等采用陰影法和紋影法進(jìn)行光學(xué)測量，基于高速攝像機(jī)拍攝噴霧圖像，標(biāo)定噴嘴頭部端面直徑和圖像中斷面直徑像素點個數(shù)計算比例關(guān)系，通過比例關(guān)系和噴霧邊緣像素點個數(shù)得到霧化角所需計算的邊界長度，從而得到霧化角數(shù)值，發(fā)現(xiàn)霧化角大小隨著背壓的增大呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的關(guān)系。施智雄等基于背光陰影成像技術(shù)獲得了扇形噴嘴出口的噴霧圖像，基于圖像二值化和邊緣提取得到霧化角的邊緣直線，從而得到噴嘴霧化角數(shù)值，并研究了相同壓力下不同孔徑扇型噴嘴出口霧化角以及不同壓力下扇形噴嘴出口霧化角的變化。楊國華等基于高速陰影技術(shù)和圖像處理方法研究了兩種不同螺旋升角的螺旋形實心錐噴嘴的霧化角變化規(guī)律。雒晨輝等利用自行設(shè)計搭建的噴霧性能測試平臺，采用高速攝影獲得噴霧圖像，通過專業(yè)圖像處理分析軟件Image-Pro Plus 6.0獲得噴嘴霧化角。周進(jìn)華利用數(shù)碼相機(jī)獲得噴霧圖像，并通過AutoCAD軟件選取噴霧炬外包絡(luò)線處理得到霧化角。基于圖像處理的噴嘴霧化角測量廣泛應(yīng)用在噴嘴霧化性能評估中，但圖像處理算法及測量精度評估并未開展系統(tǒng)研究工作。

因此本文設(shè)計搭建采用遠(yuǎn)心透鏡光學(xué)成像實時霧化角測量系統(tǒng)，研究了基于圖像灰度閾值分割、邊緣識別和角度分析的圖像處理算法，據(jù)此開展標(biāo)準(zhǔn)角度塊角度測量實驗驗證，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于典型霧化噴嘴霧化角測量，基于霧化圖像處理實現(xiàn)噴嘴霧化角與偏斜角測試。

1 霧化角圖像測量原理

1.1 成像系統(tǒng)及其原理

霧化角測量系統(tǒng)主要有背光照亮模式和底光照亮模式兩種成像模式。背光照亮模式采用背光光源，通過均勻亮度的平行光照射，背景為白色，目標(biāo)因為遮擋亮光呈現(xiàn)黑色，優(yōu)點是背景為均勻的白色，不用考慮復(fù)雜的背景；底光照亮模式采用底光光源，從被測物體的下方照亮，對于透明的被測物體，可以更好地使被測物體被照亮，可以使得后面的圖像閾值分割將被測物體和背景分離。

成像系統(tǒng)由遠(yuǎn)心鏡頭、工業(yè)相機(jī)、光源和計算機(jī)組成。工業(yè)相機(jī)主要功能是圖像采集，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，具有穩(wěn)定、高傳輸能力、抗干擾、高幀率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。遠(yuǎn)心鏡頭的孔徑光闌被放在鏡頭像方的焦平面上，在成像時只有平行于主光軸的光線被接收用于成像，其他的光線都會被光柵遮擋，所有的光線可看作來自無窮遠(yuǎn)處。因此，不同于一般的傳統(tǒng)鏡頭，采用遠(yuǎn)心鏡頭能夠抑制鏡頭的畸變，具有較高的分辨率，糾正了由于視差產(chǎn)生的問題，也具有較寬的景深，即在一定的物距范圍內(nèi)移動被測物體，在成像時得到的放大倍率不變，不會出現(xiàn)物體近大遠(yuǎn)小的問題。

1.2 圖像處理算法

為實現(xiàn)噴嘴霧化圖像的霧化角與偏斜角自動處理，本文研究了“圖像二值化—邊緣識別—直接擬合與處理”噴嘴霧化圖像霧化角自動處理算法，如圖1所示為霧化角圖像處理典型實例。

圖1 霧化角圖像處理典型實例Fig.1 Typical example of atomization angle image processing

其中，對于圖像二值化處理，采用大津法(OTSU閾值法)進(jìn)行處理。大津法又被稱為最大類間方差法，是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和目標(biāo)兩部分。類間方差值是評價灰度分布均勻性的一種指標(biāo)，背景和目標(biāo)之間的類間方差越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分的差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)錯分為背景或部分背景錯分為目標(biāo)都會導(dǎo)致兩部分差別變小。采用遍歷的方法得到使類間方差最大的閾值，即

=arc max{g()}

(1)

此外，對于直線擬合方法，噴嘴霧化角處理采用常用的最小二乘法。假設(shè)和之間的函數(shù)關(guān)系為一次函數(shù)關(guān)系，即

=+

(2)

式中：表示直線截距；表示直線斜率。對于經(jīng)過圖片處理后所識別出的個點的坐標(biāo)為(,)，=1,2,…,，被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，所有的誤差只與有關(guān)。下面利用最小二乘法把識別出的點擬合為直線。用最小二乘法估計參數(shù)時，要求觀測值的偏差的加權(quán)平方和為最小，即

(3)

由此，得到擬合直線的截距和斜率。

經(jīng)過最小二乘法將識別出的像素點擬合成直線后，計算得出霧化角和偏斜角分別為

=arctan-arctan

(4)

=-=arctan+arctan-180°

(5)

2 標(biāo)準(zhǔn)角度圖像測試驗證

2.1 標(biāo)準(zhǔn)角度塊圖像測試驗證系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)角度塊圖像測試驗證系統(tǒng)由遠(yuǎn)心鏡頭、工業(yè)相機(jī)、背光光源、標(biāo)準(zhǔn)角度塊和計算機(jī)組成，如圖2所示。遠(yuǎn)心鏡頭放大倍率為0.1倍，焦距300～500 mm；工業(yè)相機(jī)幀率90幀/s，拍攝圖片2×10像素。背光光源采用平行均勻亮度的面光源，從背后照亮標(biāo)準(zhǔn)角度塊，從而由成像系統(tǒng)拍攝圖像，傳輸至計算機(jī)，由圖像處理算法得到角度，驗證其精度。

圖2 基于背光照亮模式的標(biāo)準(zhǔn)角度塊標(biāo)定系統(tǒng)Fig.2 Calibration system of standard angle block based on backlight illumination mode

標(biāo)準(zhǔn)角度塊選用哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司的角度量塊，分別有15.17°、30.33°、45.50°、50.00°、60.67°和75.83°，精度如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)角度塊精度規(guī)格Tab.1 Accuracy specification of standard angle block

2.2 標(biāo)準(zhǔn)角度塊測試結(jié)果與分析

6種標(biāo)準(zhǔn)角度塊圖像處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)角度塊圖像處理結(jié)果Fig.3 Image processing results of standard angle block

對于6種不同角度的標(biāo)準(zhǔn)角度塊，每個標(biāo)準(zhǔn)角度塊測量5次，計算平均值、方差、不確定度以及相對誤差，驗證角度測試系統(tǒng)的精確性以及重復(fù)性。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

標(biāo)準(zhǔn)角度塊測量結(jié)果如表2所示。由表2標(biāo)準(zhǔn)角度塊測量結(jié)果可以看出，測量結(jié)果的不確定度均小于0.10°，相對誤差均在±2%以內(nèi)，表明測量結(jié)果的重復(fù)性和精確性良好，所以認(rèn)為基于圖像處理的角度測試系統(tǒng)的可行性良好，可以應(yīng)用于噴嘴霧化角的實際測試。

表2 標(biāo)準(zhǔn)角度塊測量結(jié)果Tab.2 Test results of standard angle block

3 噴嘴霧化角圖像測量與結(jié)果分析

3.1 基于底光照亮模式的霧化角測試系統(tǒng)

基于底光照亮模式的噴嘴霧化角測試系統(tǒng)主要有底光光源、噴嘴、工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、計算機(jī)和頂桿、固定板等器件，如圖4所示。測試噴嘴為A、B和C型離心噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸不同，采用水作為工質(zhì)，噴注壓強(qiáng)相同。底光光源位于噴嘴正下方，照亮噴嘴出口處的噴霧場。通過設(shè)置合適的曝光時間，由遠(yuǎn)心鏡頭和工業(yè)相機(jī)共同組成的成像系統(tǒng)獲得噴嘴出口處清晰的霧場圖像，通過USB傳輸線將拍攝的圖片傳輸?shù)接嬎銠C(jī)圖像處理程序中，最后獲得噴嘴出口霧化角數(shù)值。

圖4 基于底光照亮模式的噴嘴霧化角測試系統(tǒng)Fig.4 Measurement system of nozzle atomization angle based on bottom light illumination mode

3.2 測試結(jié)果與分析

3.2.1 典型圖像處理

對于A、B、C這3種不同型號的噴嘴，典型處理圖像處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種不同型號噴嘴測試圖像處理結(jié)果Fig.5 Test image processing results of three different types of nozzles

通過觀察A、B、C這3種不同型號的噴嘴可知，A、C型噴嘴的霧場整體呈現(xiàn)錐形，從上而下霧場邊緣較平直，沒有明顯的縮小或擴(kuò)張的趨勢；B型噴嘴的霧場整體呈現(xiàn)鐘形，噴嘴出口處的霧場先擴(kuò)張后收縮，測量時距不同噴嘴出口距離的霧化角大小不同，因此根據(jù)實際要求，選取不同噴嘴出口距離測試霧化角。測量A、C型噴嘴的霧化角和偏斜角時選取距離噴嘴出口處大約15～20 mm范圍；測量B型噴嘴時選取距離噴嘴出口處大約5～10 mm范圍。

3種不同型號噴嘴霧化角和偏斜角數(shù)值大小如表3所示。

表3 3種不同型號噴嘴霧化角和偏斜角數(shù)值Tab.3 Atomization angle and deflection angle of three different types of nozzles 單位：(°)

由結(jié)果顯示，該方法能夠有效獲得清晰的圖像，利用基于閾值分割和直線擬合等圖像處理算法能夠獲得霧化角與偏斜角，為評判噴嘴霧化性能提供直觀依據(jù)。

3.2.2 A、B、C型典型噴嘴測量結(jié)果與分析

從A、B、C型3種不同噴嘴中各選取一個典型噴嘴，采用測試系統(tǒng)重復(fù)測量3次，測量結(jié)果分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 A型典型噴嘴測試圖像處理結(jié)果Fig.6 Image processing results of typical nozzle test of type A

圖7 B型典型噴嘴測試圖像處理結(jié)果Fig.7 Image processing results of typical nozzle test of type B

圖8 C型典型噴嘴測試圖像處理結(jié)果Fig.8 Image processing results of typical nozzle test of type C

經(jīng)過噴嘴霧化圖像霧化角處理算法自動處理，可以得到A、B、C型典型噴嘴的霧化角和偏斜角大小分別如表4、表5、表6所示，霧化角、偏斜角平均值和不確定度如表7所示。由A、B、C典型噴嘴測試圖像處理結(jié)果可見測試系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性，可以滿足測試若干個噴嘴的霧化角和偏斜角。

表4 A型典型噴嘴霧化角和偏斜角測試結(jié)果Tab.4 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type A nozzle 單位：(°)

表5 B型典型噴嘴霧化角和偏斜角測試結(jié)果Tab.5 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type B nozzle 單位：(°)

表6 C型典型噴嘴霧化角和偏斜角測試結(jié)果Tab.6 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type C nozzle 單位：(°)

表7 3種單個典型噴嘴霧化角、偏斜角的平均值和不確定度Tab.7 Average values and uncertainties of atomization angle and deflection angle for three single typical nozzles 單位：(°)

3.2.3 A、B、C型不同噴嘴測量結(jié)果與分析

A、B、C型3種型號噴嘴，同種型號噴嘴的不同編號只是代表了噴嘴產(chǎn)品的批次，噴嘴之間的個體差異主要是由加工時的細(xì)微工藝差異引起。因此對于A、B、C不同型號噴嘴選取6個編號，每個噴嘴分別測試3次，每次測量值霧化角和偏斜角大小分別如表8、表9、表10所示，兩者的平均值和不確定度如表11所示。

表8 A型噴嘴測試結(jié)果Tab.8 Test results of type A nozzle 單位：(°)

表9 B型噴嘴測試結(jié)果Tab.9 Test results of type B nozzle 單位：(°)

表10 C型噴嘴測試結(jié)果Tab.10 Test results of type C nozzle 單位：(°)

表11 3種噴嘴霧化角、偏斜角的平均值和不確定度平均值Tab.11 Average values of atomization angle and deflection angle and the average values of uncertainty for three types of nozzles 單位：(°)

由上述表結(jié)果顯示，A、B、C型3種不同噴嘴的霧化角不確定度平均值為0.659°、0.427°和1.291°，偏斜角不確定度平均值為0.389°、0.231°和0.487°，可見A、B型噴嘴霧化角和偏斜角重復(fù)性較好，C型噴嘴霧化角和偏斜角重復(fù)性較差；B型噴嘴霧化角和偏斜角每次測量結(jié)果波動性較小，A、C型噴嘴霧化角和偏斜角每次測量結(jié)果波動性較大，可能是噴嘴出口壓力波動或噴嘴設(shè)計結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致。

4 結(jié)論

1)利用遠(yuǎn)心鏡頭、工業(yè)相機(jī)、背光光源等組成基于圖像處理的角度測試系統(tǒng)，研究了“圖像二值化—邊緣識別—直接擬合與處理”噴嘴霧化圖像霧化角自動處理算法，對6個標(biāo)準(zhǔn)角度塊進(jìn)行標(biāo)定測試，角度測試結(jié)果的不確定度均小于0.10°，相對誤差均在±2%以內(nèi)，表明標(biāo)準(zhǔn)角度塊測試結(jié)果的重復(fù)性和精確性良好，基于圖像處理的角度測試系統(tǒng)的可行性良好。

2)利用基于底光照亮模式的角度測試系統(tǒng)對A、B、C這3種典型單個噴嘴進(jìn)行測量，霧化角和偏斜角的不確定度均小于1°，表明該測試系統(tǒng)對于噴嘴霧化角與偏斜角的測試重復(fù)性好；利用基于底光照亮模式的角度測試系統(tǒng)對A、B、C這3種典型多個噴嘴進(jìn)行測量，霧化角不確定度平均值為0.659°、0.427°和1.291°，偏斜角不確定度平均值為0.389°、0.231°和0.487°，測量結(jié)果為噴嘴性能評估提供重要參考。