基于图像处理的喷嘴雾化角测试方法

钱 晨，高新妮，胡保林，彭中伟，颜 华，杨 斌

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；2.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

0 引言

液体火箭发动机工作过程中，燃料和氧化剂经过喷嘴雾化成细小液滴，在推力室进行蒸发、混合和燃烧产生高温燃气，高温燃气通过喷管产生推力。喷嘴雾化过程对发动机燃烧具有重要影响，关系发动机燃烧稳定与效率。其中，雾化角是评价雾化性能的重要指标之一。如果燃料喷嘴雾化角过大，喷出的燃料将会穿出氧化剂区域而造成燃料和氧化剂混合不良，降低燃烧效率，此外还会因为燃料喷射到推力室壁面上造成结焦或积碳现象，影响传热效果，导致发动机推力不足，甚至造成超温事故；如果燃料喷嘴雾化角过小，燃料和氧化剂雾滴不能有效地弥散在推力室，造成燃料和氧化剂混合不均匀，导致燃烧效率较低，影响发动机性能。因此，准确测量喷嘴出口雾化角对验证喷嘴结构设计具有重要意义。

基于图像处理的雾化角测量方法广泛应用于评估喷嘴性能及检测喷嘴结构设计缺陷。刘祺等采用阴影法和纹影法进行光学测量，基于高速摄像机拍摄喷雾图像，标定喷嘴头部端面直径和图像中断面直径像素点个数计算比例关系，通过比例关系和喷雾边缘像素点个数得到雾化角所需计算的边界长度，从而得到雾化角数值，发现雾化角大小随着背压的增大呈现出单调递减的关系。施智雄等基于背光阴影成像技术获得了扇形喷嘴出口的喷雾图像，基于图像二值化和边缘提取得到雾化角的边缘直线，从而得到喷嘴雾化角数值，并研究了相同压力下不同孔径扇型喷嘴出口雾化角以及不同压力下扇形喷嘴出口雾化角的变化。杨国华等基于高速阴影技术和图像处理方法研究了两种不同螺旋升角的螺旋形实心锥喷嘴的雾化角变化规律。雒晨辉等利用自行设计搭建的喷雾性能测试平台，采用高速摄影获得喷雾图像，通过专业图像处理分析软件Image-Pro Plus 6.0获得喷嘴雾化角。周进华利用数码相机获得喷雾图像，并通过AutoCAD软件选取喷雾炬外包络线处理得到雾化角。基于图像处理的喷嘴雾化角测量广泛应用在喷嘴雾化性能评估中，但图像处理算法及测量精度评估并未开展系统研究工作。

因此本文设计搭建采用远心透镜光学成像实时雾化角测量系统，研究了基于图像灰度阈值分割、边缘识别和角度分析的图像处理算法，据此开展标准角度块角度测量实验验证，并将该系统应用于典型雾化喷嘴雾化角测量，基于雾化图像处理实现喷嘴雾化角与偏斜角测试。

1 雾化角图像测量原理

1.1 成像系统及其原理

雾化角测量系统主要有背光照亮模式和底光照亮模式两种成像模式。背光照亮模式采用背光光源，通过均匀亮度的平行光照射，背景为白色，目标因为遮挡亮光呈现黑色，优点是背景为均匀的白色，不用考虑复杂的背景；底光照亮模式采用底光光源，从被测物体的下方照亮，对于透明的被测物体，可以更好地使被测物体被照亮，可以使得后面的图像阈值分割将被测物体和背景分离。

成像系统由远心镜头、工业相机、光源和计算机组成。工业相机主要功能是图像采集，将光信号转变成电信号，具有稳定、高传输能力、抗干扰、高帧率、结构紧凑等优点。远心镜头的孔径光阑被放在镜头像方的焦平面上，在成像时只有平行于主光轴的光线被接收用于成像，其他的光线都会被光栅遮挡，所有的光线可看作来自无穷远处。因此，不同于一般的传统镜头，采用远心镜头能够抑制镜头的畸变，具有较高的分辨率，纠正了由于视差产生的问题，也具有较宽的景深，即在一定的物距范围内移动被测物体，在成像时得到的放大倍率不变，不会出现物体近大远小的问题。

1.2 图像处理算法

为实现喷嘴雾化图像的雾化角与偏斜角自动处理，本文研究了“图像二值化—边缘识别—直接拟合与处理”喷嘴雾化图像雾化角自动处理算法，如图1所示为雾化角图像处理典型实例。

图1 雾化角图像处理典型实例Fig.1 Typical example of atomization angle image processing

其中，对于图像二值化处理，采用大津法(OTSU阈值法)进行处理。大津法又被称为最大类间方差法，是按图像的灰度特性，将图像分成背景和目标两部分。类间方差值是评价灰度分布均匀性的一种指标，背景和目标之间的类间方差越大，说明构成图像的两部分的差别越大，当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致两部分差别变小。采用遍历的方法得到使类间方差最大的阈值，即

=arc max{g()}

(1)

此外，对于直线拟合方法，喷嘴雾化角处理采用常用的最小二乘法。假设和之间的函数关系为一次函数关系，即

=+

(2)

式中：表示直线截距；表示直线斜率。对于经过图片处理后所识别出的个点的坐标为(,)，=1,2,…,，被认为是准确的，所有的误差只与有关。下面利用最小二乘法把识别出的点拟合为直线。用最小二乘法估计参数时，要求观测值的偏差的加权平方和为最小，即

(3)

由此，得到拟合直线的截距和斜率。

经过最小二乘法将识别出的像素点拟合成直线后，计算得出雾化角和偏斜角分别为

=arctan-arctan

(4)

=-=arctan+arctan-180°

(5)

2 标准角度图像测试验证

2.1 标准角度块图像测试验证系统

标准角度块图像测试验证系统由远心镜头、工业相机、背光光源、标准角度块和计算机组成，如图2所示。远心镜头放大倍率为0.1倍，焦距300～500 mm；工业相机帧率90帧/s，拍摄图片2×10像素。背光光源采用平行均匀亮度的面光源，从背后照亮标准角度块，从而由成像系统拍摄图像，传输至计算机，由图像处理算法得到角度，验证其精度。

图2 基于背光照亮模式的标准角度块标定系统Fig.2 Calibration system of standard angle block based on backlight illumination mode

标准角度块选用哈尔滨量具刃具集团有限责任公司的角度量块，分别有15.17°、30.33°、45.50°、50.00°、60.67°和75.83°，精度如表1所示。

表1 标准角度块精度规格Tab.1 Accuracy specification of standard angle block

2.2 标准角度块测试结果与分析

6种标准角度块图像处理结果如图3所示。

图3 标准角度块图像处理结果Fig.3 Image processing results of standard angle block

对于6种不同角度的标准角度块，每个标准角度块测量5次，计算平均值、方差、不确定度以及相对误差，验证角度测试系统的精确性以及重复性。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

标准角度块测量结果如表2所示。由表2标准角度块测量结果可以看出，测量结果的不确定度均小于0.10°，相对误差均在±2%以内，表明测量结果的重复性和精确性良好，所以认为基于图像处理的角度测试系统的可行性良好，可以应用于喷嘴雾化角的实际测试。

表2 标准角度块测量结果Tab.2 Test results of standard angle block

3 喷嘴雾化角图像测量与结果分析

3.1 基于底光照亮模式的雾化角测试系统

基于底光照亮模式的喷嘴雾化角测试系统主要有底光光源、喷嘴、工业相机、远心镜头、计算机和顶杆、固定板等器件，如图4所示。测试喷嘴为A、B和C型离心喷嘴，喷嘴结构尺寸不同，采用水作为工质，喷注压强相同。底光光源位于喷嘴正下方，照亮喷嘴出口处的喷雾场。通过设置合适的曝光时间，由远心镜头和工业相机共同组成的成像系统获得喷嘴出口处清晰的雾场图像，通过USB传输线将拍摄的图片传输到计算机图像处理程序中，最后获得喷嘴出口雾化角数值。

图4 基于底光照亮模式的喷嘴雾化角测试系统Fig.4 Measurement system of nozzle atomization angle based on bottom light illumination mode

3.2 测试结果与分析

3.2.1 典型图像处理

对于A、B、C这3种不同型号的喷嘴，典型处理图像处理结果如图5所示。

图5 3种不同型号喷嘴测试图像处理结果Fig.5 Test image processing results of three different types of nozzles

通过观察A、B、C这3种不同型号的喷嘴可知，A、C型喷嘴的雾场整体呈现锥形，从上而下雾场边缘较平直，没有明显的缩小或扩张的趋势；B型喷嘴的雾场整体呈现钟形，喷嘴出口处的雾场先扩张后收缩，测量时距不同喷嘴出口距离的雾化角大小不同，因此根据实际要求，选取不同喷嘴出口距离测试雾化角。测量A、C型喷嘴的雾化角和偏斜角时选取距离喷嘴出口处大约15～20 mm范围；测量B型喷嘴时选取距离喷嘴出口处大约5～10 mm范围。

3种不同型号喷嘴雾化角和偏斜角数值大小如表3所示。

表3 3种不同型号喷嘴雾化角和偏斜角数值Tab.3 Atomization angle and deflection angle of three different types of nozzles 单位：(°)

由结果显示，该方法能够有效获得清晰的图像，利用基于阈值分割和直线拟合等图像处理算法能够获得雾化角与偏斜角，为评判喷嘴雾化性能提供直观依据。

3.2.2 A、B、C型典型喷嘴测量结果与分析

从A、B、C型3种不同喷嘴中各选取一个典型喷嘴，采用测试系统重复测量3次，测量结果分别如图6、图7、图8所示。

图6 A型典型喷嘴测试图像处理结果Fig.6 Image processing results of typical nozzle test of type A

图7 B型典型喷嘴测试图像处理结果Fig.7 Image processing results of typical nozzle test of type B

图8 C型典型喷嘴测试图像处理结果Fig.8 Image processing results of typical nozzle test of type C

经过喷嘴雾化图像雾化角处理算法自动处理，可以得到A、B、C型典型喷嘴的雾化角和偏斜角大小分别如表4、表5、表6所示，雾化角、偏斜角平均值和不确定度如表7所示。由A、B、C典型喷嘴测试图像处理结果可见测试系统具有较好的重复性，可以满足测试若干个喷嘴的雾化角和偏斜角。

表4 A型典型喷嘴雾化角和偏斜角测试结果Tab.4 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type A nozzle 单位：(°)

表5 B型典型喷嘴雾化角和偏斜角测试结果Tab.5 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type B nozzle 单位：(°)

表6 C型典型喷嘴雾化角和偏斜角测试结果Tab.6 Test results of atomization angle and deflection angle for typical type C nozzle 单位：(°)

表7 3种单个典型喷嘴雾化角、偏斜角的平均值和不确定度Tab.7 Average values and uncertainties of atomization angle and deflection angle for three single typical nozzles 单位：(°)

3.2.3 A、B、C型不同喷嘴测量结果与分析

A、B、C型3种型号喷嘴，同种型号喷嘴的不同编号只是代表了喷嘴产品的批次，喷嘴之间的个体差异主要是由加工时的细微工艺差异引起。因此对于A、B、C不同型号喷嘴选取6个编号，每个喷嘴分别测试3次，每次测量值雾化角和偏斜角大小分别如表8、表9、表10所示，两者的平均值和不确定度如表11所示。

表8 A型喷嘴测试结果Tab.8 Test results of type A nozzle 单位：(°)

表9 B型喷嘴测试结果Tab.9 Test results of type B nozzle 单位：(°)

表10 C型喷嘴测试结果Tab.10 Test results of type C nozzle 单位：(°)

表11 3种喷嘴雾化角、偏斜角的平均值和不确定度平均值Tab.11 Average values of atomization angle and deflection angle and the average values of uncertainty for three types of nozzles 单位：(°)

由上述表结果显示，A、B、C型3种不同喷嘴的雾化角不确定度平均值为0.659°、0.427°和1.291°，偏斜角不确定度平均值为0.389°、0.231°和0.487°，可见A、B型喷嘴雾化角和偏斜角重复性较好，C型喷嘴雾化角和偏斜角重复性较差；B型喷嘴雾化角和偏斜角每次测量结果波动性较小，A、C型喷嘴雾化角和偏斜角每次测量结果波动性较大，可能是喷嘴出口压力波动或喷嘴设计结构缺陷导致。

4 结论

1)利用远心镜头、工业相机、背光光源等组成基于图像处理的角度测试系统，研究了“图像二值化—边缘识别—直接拟合与处理”喷嘴雾化图像雾化角自动处理算法，对6个标准角度块进行标定测试，角度测试结果的不确定度均小于0.10°，相对误差均在±2%以内，表明标准角度块测试结果的重复性和精确性良好，基于图像处理的角度测试系统的可行性良好。

2)利用基于底光照亮模式的角度测试系统对A、B、C这3种典型单个喷嘴进行测量，雾化角和偏斜角的不确定度均小于1°，表明该测试系统对于喷嘴雾化角与偏斜角的测试重复性好；利用基于底光照亮模式的角度测试系统对A、B、C这3种典型多个喷嘴进行测量，雾化角不确定度平均值为0.659°、0.427°和1.291°，偏斜角不确定度平均值为0.389°、0.231°和0.487°，测量结果为喷嘴性能评估提供重要参考。