基于透过率场分布的推进剂羽流烟雾面积测试方法

王长健，赵凤起，孙 美，杨燕京，古城辉

(西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安710065)

引 言

低特征信号推进剂以及洁净发射药是火药发展的重要方向之一。火药装药在工作过程中产生的流场烟雾，会显著降低武器系统的制导和隐身性能[1-4]。一方面，火药燃烧产生的烟雾会暴露武器系统的位置及运动轨迹；另一方面，流场烟雾对于穿过其中的制导信号有衰减、散射、吸收等多种作用，导致制导信号强度降低，严重时甚至失效。此外，身管武器中发射药燃烧产生的烟雾还会对操作人员或视频制导系统的二次瞄准造成干扰。

火药装药燃烧流场烟雾对武器系统制导信号的干扰程度，不仅与烟雾浓度有关，还和烟雾面积、厚度以及制导信号穿过烟雾的路径有关。目前，国内对火药装药流场烟雾的测试方法多是对流场烟雾透过率的测量，很少涉及到对于流场烟雾场形态的分布、烟雾区域大小等物理参数的研究[5-8]。在火灾预防、发烟剂烟雾特性测试等领域中，通常依据烟雾的形态特征以及灰度阈值对视频或图像中的烟雾区域进行提取并计算烟雾区域面积[9-11]。在这些方法所得到的结果中，烟雾区域内的烟雾透过率范围及分布是不明确的，也无法确定区域内烟雾场对制导信号的影响程度。

本研究提出一种基于透过率场分布的烟雾面积测试方法，将火药装药燃烧流场烟雾的光学特性(即透过率)与烟雾的物理特性(面积参数)同步进行测量，进而分析基于透过率的羽流烟雾分布区域的空间及时域特性。

1 实 验

1.1 基本原理

为完成基于透过率的烟雾面积测试，测试装置主要由光学背景板、图像传感器、工控机组成[8]。其中光学背景板提供灰白相间条纹的光学背景，图像传感器对光学背景前方的流场烟雾图像进行采集[12-13]。在测试过程中，测试系统与测试对象(推进剂装药或发射药装药)的现场布置俯视图如图1所示。光学背景板位于烟雾区域的一侧，图像传感器位于烟雾区域另一侧。

烟雾透过率的计算基于朗伯贝尔定律。本方法利用图像传感器对火药装药燃烧流场烟雾进行图像采集。假定羽流烟雾自身为非光源，无光信号辐射的情况下，图像中烟雾区域某点的成像灰度是该区域烟雾透射的光信号和烟雾反射环境光信号这两者在图像传感器的叠加，可表示为：

I0=Ia0·τ+Ib0

(1)

式中：I0为图像传感器接收的信号光强；Ia0为光学背景的信号光强；τ为烟雾的光透过率；Ib0为烟雾反射、折射其他光源的信号光强。

为消除烟雾反射折射其他光源引入的光噪声，背景板设计为灰白相间条纹[9]，对于不同灰度的光学背景，传感器接收到的光信号强度可表示为：

(2)

一般情况下，烟雾场分布是不均匀的，且随时间发生变化。在特定时刻，当所表征的烟雾场区域足够小时，可以近似认为相邻两个最小单元内，烟雾透过率相同，并且其反射、折射其他光源信号的强度相同，即τ0=τ1，且Ib0=Ib1。在传感器的线性响应区间内，图像像素灰度与该点光信号强度成正比，因此该点的光透过率可表示为：

(3)

通过公式(3)可获得烟雾图像中烟雾场内任意一点(x,y)处的烟雾透过率。在实际应用中，还可以对最小处理单元的烟雾透过率变化建立一些更为复杂的模型。在此基础上，进行图像中烟雾透过率分布场的几何特征研究，可以获得现实烟雾的透过率分布场对应的空间特性。假设图像烟雾场内任意两点的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)，则现实烟雾场对应两点在成像平面投影长度的函数关系可表示为：

(4)

式中：L为物理空间内两点的距离；k为图像比例尺。

将烟雾图像所对应的透过率矩阵，以U(τa≤τ≤τb)为阈值进行二值化处理(其中τa,τb为常数)，即可实现对烟雾图像中特定透过率烟雾区域的识别。该过程可表示为：

(5)

式中：B(i,j)为图像二值化操作后的数值；τ(i,j)为图像中(i,j)像素点对应的烟雾透过率。

通过统计二值图像中数值为1的像素点数量，利用图像的比例尺即可计算烟雾图像中烟雾区域的面积。该过程可表示为：

S=k2·N

(6)

式中：S为图像中特定透过率阈值的烟雾区域面积；k为比例尺；N为满足阈值条件的像素点数量。

1.2 实验设计

测试样品为Al-CMDB推进剂(含铝粉的复合改性双基推进剂)，单孔管状药，装药方式为自由装填。发动机为Φ50mm标准试验缩比发动机，工作压力设计为(7±0.5)MPa，工作时间为0.72s。

所采用的光学背景板尺寸为2.4m×0.8m，条纹宽度为0.2m，光学背景板左侧距发动机喷口水平距离为2m，发动机轴线位于背景板高度0.4m处。图像传感器为加可见光滤波片的日本Photron FASTCAM高速摄像机(响应光谱为0.4～0.7μm，帧速60f/s)。外场环境，环境温度(30±10)C°，风力小于3级，少云。

2 结果与讨论

2.1 特定时刻烟雾空间分布的特征分析

通过对测试获得图像序列中的单帧图像进行处理，可获得该时刻的烟雾透过率空间分布数据。图2(a)为Al-CMDB推进剂装药开始工作第0.62s时的烟雾可见光透过率分布伪彩图，图2(b)为该时刻烟雾可见光透过率的直方分布图，图2(c)为透过率在[0,30%]区间内的烟雾区域分布图，图2(d)为透过率在[40%,70%]区间内的烟雾区域分布图。

由图2(a)可知，在该时刻，羽流烟雾分布并不均匀，浓度高的烟雾主要分布在测试区域的上半部分，该区域透过率偏低；由图2(c)可知，透过率小于30%的区域基本集中在测试区域的右上角。

由图2(b)可知，在该时刻，测试区域的烟雾透过率大部分分布在[40%,80%]区间内；通过对图2(d)分析可知，透过率区间在[40%,70%]的区域主要分布在测试区域的中部和下部。

2.2 烟雾空间分布的时域特征

发动机开始工作后的测试区域内基于透过率区间、水平区域以及垂直区域上划分的烟雾面积-时间曲线如图3所示。其中对透过率在[0,30%]、[30%,70%]、[70%,100%]区间的烟雾面积分别统计，结果如图3(a)所示；将测试区域在垂直方向上等分为上部、中部、下部3块区域，统计透过率在[0,30%]区间内的烟雾区域面积，结果如图3(b)所示；将测试区域在水平方向上等分为左、中、右3块区域，统计透过率在[0,30%]区间内的烟雾区域，结果如图3(c)所示。

结合试验烟雾图像进行分析可以发现，在发动机工作过程中羽流火焰辐射强度大，背景板及烟雾本身均反射明显的火焰光信号，部分区域在图像传感器中成像灰度饱和，对测试结果中烟雾透过率准确度的影响较大。如需克服羽流火焰对测试结果的影响,一方面需要增大图像传感器对光强的响应范围；另一方面也可调整背景板的位置,使其远离羽流火焰,减少火焰辐射对测试装置的影响。在图3数据中，t=0.6s之前的数据可信度较差，不纳入讨论范围。

由图3(a)可以看出，在0.6～0.76s时，透过率在[30%，70%]内的烟雾区域面积大于其他两个区间内的烟雾面积；当t>0.76s时，透过率在[70%，100%]区间的烟雾面积大于其他两个区间内的烟雾面积；当t=1.6s后，透过率在70%以上的烟雾区域基本占据整个测试区域。相当于在发动机工作结束0.88s后，测试区域内的羽流烟雾基本完全消散。

由图3(b)可以看出，在发动机工作后的0.6～0.93s时间内，透过率在[0,30%]区间的烟雾面积整体随时间增加而逐步减小，其中在测试区域上部的烟雾面积始终大于其他两个区域，透过率在[0,30%]区间烟雾面积在测试区域中部及下部基本相同，且在0.72s之后基本都降为0。这是由于发动机工作结束后羽流流速减弱，羽流烟雾受热空气影响，有明显的上漂现象，这一点在烟雾图像中也有明显体现。

由图3(c)可以看出，在发动机工作后的0.6～0.93s时间内，透过率在[0,30%]区间的烟雾面积整体随时间增加而逐步减小，其中测试区域中部的烟雾面积相对最大，烟雾区域左端的烟雾面积相对最小。这说明羽流烟雾在向前运动的过程中有一个扩散并且稀释的过程，在中部区域(距喷口2.8～3.6m范围)，烟雾扩散起主要作用，透过率在[0,30%]区间的烟雾面积有一定程度增大；在右部区域(距喷口3.6～4.4m范围)，烟雾稀释起主要作用，烟雾面积较中部区域烟雾面积有一定程度的减小。

3 结 论

(1)Al-CMDB推进剂装药羽流烟雾分布并不均匀。从水平方向来看，透过率区间在[0，30%]的烟雾区域在测试区域中部的分布面积明显大于左、右两个区域；在垂直方向来看，透过率区间在[0，30%]的烟雾区域在上部的分布面积明显大于中、下两个区域。

(2)Al-CMDB推进剂装药羽流烟雾在时域分布上具有明显特征。在0.6～0.76s内，透过率在[30%，70%]区间的烟雾区域面积明显大于其他两个透过率区间的面积；在0.76s之后，透过率在[70%，100%]区间的烟雾面积逐步增大；在1.6s后不存在透过率小于70%的烟雾区域。

(3)该方法能有效测定特定透过率区间的推进剂装药羽流烟雾面积及其空间分布特征，但是在靠近羽流火焰区域，测试结果的精度会受到较大影响。该方法也可用于发射药身管武器膛口烟雾面积特性分析。