基于数字图像处理的甲烷喷射特性的研究

张雄星, 李炜龙, 王可宁

(西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021)

基于数字图像处理的甲烷喷射特性的研究

张雄星, 李炜龙, 王可宁

(西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021)

为了研究内燃机内部甲烷气体的喷射特性，采用黑白纹影摄影技术、数字图像处理及刀口自动寻焦方法，对甲烷气体在不同喷射压力下的喷射贯穿距离、喷射角度进行了研究。通过与实际测量和实际喷射情况作对比，证明了图像处理方法的可靠性。研究结果表明：甲烷气体在不同压力下的喷射过程主要分为上升阶段和平缓阶段。在上升阶段，不同压力下的喷射距离与喷射角度均快速增加；而在平缓阶段，不同压力下喷射距离近似呈线性变化，而喷射角度随着压力的增大而减小，喷射角度最终趋于一个稳定度数。

图像处理； 光源； 模型； 测量； 试验

0 引言

随着汽车行业的高速发展，汽车尾气带来的污染问题逐渐加重，环境形势日益严峻。天然气内燃机的研究逐渐受到国内外各大汽车制造公司和高校的青睐，对甲烷气体喷射特性进行分析是设计内燃机的重要因素。气体喷射特性的观测受测量仪质量影响较大，故采用具有自动寻焦功能的纹影系统进行观测。纹影技术是流场观测的主要方法，其刀口部件是纹影光路系统的重要组成部分。刀口寻焦通常采用手动调整，导致试验的重复性较差、精度较低，故市场对刀口自动寻焦的需求日益增加。刀口自动寻焦为纹影系统观测气体流场提供了强有力的保障，且能有效改善观测影像的质量，进而有利于分析内燃机的内部结构，优化气体燃烧过程，达到建设生态文明型产业、节约资源的效果。

刀口自动寻焦和数字图像处理技术是本文的关键技术。文献[1]主要设计了一种对流场密度及温度的定量测量方法。文献[2]利用显微纹影技术，对可燃气体泄漏进行了有效检测。文献[3]利用高速纹影技术，在不同压力和背压下对天然气喷射特性进行了分析。文献[4]基于三种理论模型，通过内燃机燃烧试验，讨论了内燃机燃烧存在的问题。文献[5]提出了一种改进中值滤波的算法。文献[6]对传统的纹影技术作出了理论推导。文献[7]通过分析生物柴油的喷射特性，提出了改善生物柴油的方法。文献[8]通过介绍背景纹影技术，分析背景技术的优缺点，提出了重建火焰温度场的模型。

为了获得气体喷射特性参数，本文采用了纹影摄影技术[9-10]，并使用纹影刀口寻焦方法和数字图像处理技术，解决了手动寻焦不准确的问题，实现了对内燃机内部甲烷气体喷射状况的实时捕获。在上位机中，将收集到的气体喷射的实时影像数据，通过数字图像处理技术中的图像滤波、形态变换及轮廓提取等相关算法，进行了宏观分析。

1 试验装置及试验方法

本试验装置系统分为三个部分：①喷射系统，包括加压设备、甲烷气体及控制装置；②纹影系统，包括光源、Z型光路、CCD相机；③图像处理系统。

喷射试验系统框图如图1所示。

图1 喷射试验系统框图

本试验由甲烷储气瓶、氮气瓶、单孔喷嘴组成喷射结构，通过氮气加压使得在试验过程中获得喷射持续稳定的压力。纹影系统采用反射式光路，避免了透射式光路存在的像差和大视场下加工较为困难的问题，并且在刀口部分加入电控精密平移台，通过自动寻焦方法，使刀口移动到第二反射镜焦点处。试验Z型光路如图2所示。

图2 试验Z型光路图

由光源发出的非平行光通过反射镜1转换为平行光后，经过喷射试验扰动区抵达反射镜2，然后汇聚在刀口处；经刀口自动寻焦后半切光线，由CCD相机将图像上传到上位机。图像处理系统由刀口寻焦算法、图像分析、图像滤波、图像形态变化和距离角度计算四个部分组成。

试验所采用的具体器件参数如表1所示。

表1 器件参数

在试验中，首先通过氮气加压达到所需的试验压力要求，分别为3 MPa、6 MPa、9 MPa；然后打开CCD相机视频采集软件，进入待捕获阶段，通过控制装置打开喷嘴进行甲烷喷射试验；最后将采集到的图像通过图像处理软件进行处理。

2 图像处理

2.1 刀口寻焦图像处理

在喷射试验开始前，对刀口位置的调整是整个试验的关键。其原因在于纹影法使用过程中要求将刀口置于反射镜2的焦点位置，在其焦平面进行空间滤波，去除一半高频分量，以提高图像对比度，便于后续图像处理。

本次采用的刀口寻焦算法过程如下：利用精密平移台承载刀口装置，以0.5 mm的步进量,从反射镜2的焦平面前向焦平面后移动，每完成0.5 mm步进量即捕获一张图片；整个行驶距离为10 mm，捕获20张图片后，回归起始位置。在整个刀口寻焦过程中，图像特点由下亮上暗逐渐变得均匀，最后图像特点为下暗上亮。通过对比每张图片的灰度方差大小，可知其方差最小的图片对应的位置即反射镜2的焦点位置，因此再将回归到起始位置的刀口移动到方差最小的图片对应的位置。图像灰度方差的求取公式如下：

(1)

2.2 喷射图像处理

在喷射试验中，分别记录了3 MPa、6 MPa、9 MPa状态的实时影像数据。从影像数据中各截取200张，一共600幅图片。喷射压力在6 MPa时甲烷单孔喷射过程如图3所示。

图3 甲烷单孔喷射过程示意图

利用数字图像处理技术，按照图4所示的图像处理流程依次对这600张图片进行处理。在甲烷喷射前，将下一张背景图片记为B(x,y),然后依次对正在喷射中的影像取图，分别记为A1(x1,y1)、A2(x2,y2)、A3(x3,y3),…,An(xn,yn)；利用差影法S(xS,yS)=Ai(xi,yi)-B(x,y),得到试验所需的初步喷射轮廓图。考虑到所取的背景图与甲烷喷射图的背景在实际过程中不可能完全一致，利用差影法会出现许多无用的噪声点；为了能更加准确地提取喷射轮廓，反复利用中值滤波对图片进行去噪。经过多次滤波后，原图片噪声点明显减少，说明中值滤波法能有效地减少噪声点，并能突显实际喷射轮廓；然后对已经去噪的图片进行一系列的形态学运算，经轮廓提取达到计算喷射特性的图片要求；最后使用轮廓提取到的实际喷射轮廓图进行测量计算。此外，在去除背景图片时，为了便于观察，采用了阈值变换及图像反色处理。

图4 图像处理流程图

为了便于计算机对本次甲烷气体的喷射贯穿距离、喷射角度进行精确计算，利用两点间的距离公式及余弦定理，对随机抽取的72幅图片进行计算，并将其与实际手工测绘结果进行对比。

不同压力下喷射特性与时间关系如图5所示。

图5 喷射特性与时间关系图

3 喷射特性

3.1 喷射贯穿距离

在喷射试验中，通常将喷射贯穿距离定义为喷嘴出口至喷射流顶端的距离。在图像算法上，先依次按照从上到下、从左到右的方式遍历每个像素点，取Y轴上所有最大的像素点；然后，依次计算这些Y轴上所有最大像素点与顶点之间的距离；最后，求取平均值。

其计算公式为：

(2)

式中：xi为y方向上最大点的横坐标，i为这类点的个数；(x0,y0)为喷射口坐标。

由于式(2)是以图像的像素点坐标直接进行计算的，因此由计算所得到的是像素距离，而非实际距离，要进一步将像素距按照实际比例1∶48(具体数值因环境和器材而定)进行转换。图6所示为6 MPa压力下激光多普勒位移干涉仪的实际测量结果与图像算法结果的对比图。从图6可以明显看出：计算机所得结果基本与实际测量结果吻合，且大多数误差是由人为测量所选取的标准不同而造成的，但是误差均在可接受范围内，因此可以认定这种算法是可靠的。

图6 实际测量结果与图像算法结果对比图

从图5(a)可以看出，喷射贯穿距离均随喷射压力和时间的增加而增加，9 MPa压力下的最大距离约为6 MPa压力下的1.3倍，6 MPa压力下的最大距离约为3 MPa压力下的2倍。因此，可以初步认定压力越大、最大喷射距离的变化越小。

此外，在整个喷射过程中明显地出现两个阶段：初始上升阶段与平缓阶段。在初始上升阶段中，喷射贯穿距离的持续时间随着喷射压力的增加而递增，而且在压力较小的情况下，初始上升阶段与平缓阶段不易区分，基本接近线性变化，因此可以认定喷射压力与初始上升阶段的明显程度和持续时间成正比。在平缓阶段中，无论喷射压力大小，喷射贯穿的距离变化十分缓慢，而且随着时间的推移，这个变化趋于一个稳定值，使得喷射贯穿距离呈线性变化。

3.2 喷射角度

通常将喷射角度定义为：在特定时刻下，沿喷射束轴线方向，最大轮廓处切点与喷射口连线之间的夹角。在图像算法上，先将图像上所有最左边和最右边的点分别提取出来；然后分别取中间点，以减少随机误差；再将这两个中间点与喷射口顶点相互连线构造三角形；最后，根据余弦定理计算出喷射角度。其计算公式如下：

(3)

从图5(b)可以看出，喷射角度的峰值与喷射压力成反比，并且喷射角度随时间变化明显有三个阶段。第一阶段大约在0～0.5 s之间，由于喷射试验开始时，角度迅速变化，由0°快速增长到最大值；第二阶段大约在0.5～3.5 s之间，在这一阶段中喷射角度由最大值开始逐渐下落到某一稳定角度附近；第三阶段从3.5 s到结束，喷射流基本维持在一个稳定角度，并且这个稳定角度与喷射压力成反比。

4 结束语

通过对甲烷气体喷射特性的研究，采用了自动寻焦算法和数字图像处理方法，喷射贯穿距离随时间变化分为初始上升期与平缓期。其中：初始上升期喷射贯穿距离随时间变化较快，在平缓期内喷射贯穿距离基本呈线性增长。喷射角度随时间变化分为增长期、回落期和稳定期。在增长期，喷射角度随时间呈爆发性上升，迅速达到最大值；回落期与增长期相比持续时间稍长，一般为3 s，下降的速度也稍慢；稳定期的持续时间最长，并且角度的波动范围基本在2°以内。此外，自动寻焦算法取得了精度小于0.5 mm的刀口寻焦的应用效果。

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Research on the Methane Injection Characteristics Based on Digital Image Processing

ZHANG Xiongxing, LI Weilong, WANG Kening

(School of Optoelectronics Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to study jet characteristics of methane gas inside internal combustion engine, by adopting black and white schlieren photography, digital image processing and knife-edge auto focus methods, the injection penetration distance and injection angle of methane gas under different injection pressure are studied.Through comparing the practical measurement and actual injection conditions, the reliability of the image processing method is proven.The research results indicate that under different pressure, the injection process of methane gas is mainly divided into rising stage and smooth stage; in rising stage, the injection distance and injection angle are increasing rapidly; while in smooth stage, the injection distance is changing linearly, and the injection angle is decreasing along with the increasing pressure; finally, the injection angle becomes a stable value.

Image processing； Light source； Model； Measurement； Test

陕西省教育厅科学研究计划资助项目(16JK1370)

张雄星(1979—)，男，硕士，讲师,主要从事光电检测和信号处理方向的研究。E-mail:605703946@qq.com。

TH71;TP752

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702019

修改稿收到日期:2016-06-29