基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法

王長健,張克旺,孫 美,楊燕京,許 毅

(1.西安交通大學電子與信息學院,陜西 西安 710049；2.西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安710065)

基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法

王長健1,2,張克旺1,孫 美2,楊燕京2,許 毅2

(1.西安交通大學電子與信息學院,陜西 西安 710049；2.西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安710065)

提出了一種基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法。用平行光管代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試裝置中的鹵素鎢燈，用圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試裝置中的光電二極管或光敏電阻,設計了一種表面有鏤空條紋的遮光罩對光源信號進行調制,采取圖像數據處理方法消除環(huán)境噪聲對測試結果的影響。測量了SQ2推進劑、Al-CMDB推進劑和NEPE推進劑燃燒煙霧的發(fā)煙量。結果表明，SQ2推進劑和Al-CMDB推進劑的煙霧透過率曲線在點火后50s左右基本穩(wěn)定；NEPE推進劑燃燒的煙霧光透過率曲線在點火50s后穩(wěn)定，但有緩慢上升趨勢；3種推進劑煙霧光透過率分別為84.1%、65.9%、22.3%，與傳統(tǒng)測試方法一致。

推進劑；發(fā)煙量；羽流煙霧；圖像傳感器；平行光管；煙霧光透過率

引 言

羽流煙霧是固體火箭發(fā)動機羽流特征信號的組成之一，對武器系統(tǒng)的制導能力和隱身性能有重要影響[1]。其影響主要體現在：(1)對武器系統(tǒng)中制導信號的干擾。目前武器系統(tǒng)的制導方式可分為主動制導(紅外圖像制導、紅外點源制導等)、半主動制導(激光架束、TV可視跟蹤、雷達制導等)、光纖制導和GPS制導。其中羽流煙霧對半主動制導方式的制導信號影響最大；(2)對武器系統(tǒng)隱身性能的影響。飛行的導彈在發(fā)動機工作期間會形成數千米長的羽煙尾跡，大大降低導彈的隱身性能。

目前,國內傳統(tǒng)的測試發(fā)動機羽流煙霧方法是密閉燃燒室法(WJ20187-2016)，該方法采用密閉燃燒室模擬推進劑裝藥在發(fā)動機燃燒室內的工作環(huán)境,將測試樣品在密閉燃燒室內點燃，通過測試光信號通過燃燒室煙霧的衰減，計算測試樣品燃燒生成煙霧的光透過率,用煙霧的光透過率表征發(fā)煙量的大小。煙霧光透過率越高，則發(fā)煙量越小。

本研究在傳統(tǒng)的推進劑發(fā)煙量方法基礎上進行改進，用平行光管取代傳統(tǒng)測試裝置中的鹵素鎢燈，用圖像傳感器取代傳統(tǒng)測試裝置中的光電二極管，結合圖像處理技術在煙霧測試技術中的應用[2-6]，建立了一種基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法[7]。選擇雙基(SQ2推進劑)、改性雙基(Al-CMDB推進劑)及復合推進劑(NEPE推進劑)3種典型固體推進劑[8-10]進行了發(fā)煙量測試，并與傳統(tǒng)測試方法進行對比，驗證了該測試方法的可靠性。

1 測試方法

1.1 測試原理

推進劑發(fā)煙量的表征參數是煙霧光透過率，即光透過煙霧后的光強與透過前光強的比值。煙霧光透過率測量的基本原理是朗伯-貝爾定律[11]，即

(1)

式中：τ為相對透過率,%；I0為入射光強,W/sr；I為介質透射光強,W/sr；A為介質衰減系數；D為介質的平均密度；l為介質內的光程長,m。

圖1為基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試裝置原理圖，平行光管與圖像傳感器分別位于燃燒室兩端視窗的兩側。平行光管作為面光源，發(fā)出光信號穿過燃燒室，由圖像傳感器采集成像。圖像傳感器獲得的圖像中像素點的灰度與感應光強在一定范圍內成正比。在傳感器線性響應范圍內，將無煙霧時的圖像灰度作為基值，有煙霧時的圖像灰度與基值的比值作為該點的煙霧光透過率，可表示為

(2)

式中：τ(x,y)為圖像中(x,y)處的煙霧光透過率；I0(x,y)和I(x,y)分別為該點光源穿過煙霧前后的光強,W/sr；G0(x,y)、G(x,y)分別為該點穿過煙霧前后的成像灰度。

圖1 基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試裝置原理圖Fig.1 Principle of propellant smoke density test device based on image sensor

由公式(2)可知，通過光學背景板圖像灰度計算圖像區(qū)域內的煙霧光透過率分布。推進劑在密閉燃燒室內點燃后，產生的煙霧受到氣流擾動的影響，在密閉燃燒室內有一個產生、擴散、懸浮、沉降的過程，最終煙霧分布達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在煙霧達到相對穩(wěn)定狀態(tài)后，可近似認為煙霧在平行光管范圍內均勻分布，該范圍內各點的煙霧光透過率相同，通過計算區(qū)域內各點透過率的均值，來表征該時刻煙霧光透過率。

測試環(huán)境中的日光、燈光等雜散光會不可避免地進入圖像傳感器。雜散光所形成的噪聲會導致測量結果誤差偏大。為抑制雜散光對測試結果的影響，設計了一種平行光管遮光罩，遮光罩表面結構如圖2所示，遮光罩表面為不透光的暗色材質，表面有間隔鏤空的條紋。遮光罩安裝于平行光管出光鏡頭前，使得平行光管出射的光信號為亮暗相間的條紋。在數據處理中，利用光源圖像中灰白區(qū)域不同的基值消除衍生物形成的噪聲[4]。具體過程為：分別取白色區(qū)域、灰色區(qū)域的灰度均值，計算兩個區(qū)域灰度差值在有無煙霧的比值，即

(3)

式中：τ′為實測煙霧光透過率；Ic1和Ic2分別為有煙霧時圖像中白色區(qū)域和灰色區(qū)域光強,W/sr；Is1和Is2分別為無煙霧時圖像中白色區(qū)域和灰色區(qū)域光強,W/sr；τ為實際煙霧光透過率；Iy為雜散光光強,W/sr。

由公式(3)可知，當灰、白區(qū)域的透過率越接近，公式(3)的降噪效果越好，計算結果越接近真實值。測試樣品燃燒時間越長，燃燒室內煙霧越均勻，計算結果越接近真實值。

圖2 平行光管遮光罩示意圖Fig.2 Schematic diagram of lens hood for collimator

1.2 測試樣品、裝置及方法

1.2.1 測試樣品

SQ2推進劑配方(質量分數)為： NC 59%、NG 8%、二硝基甲苯8%、中定劑3%、燃燒催化劑3%、其他2%；Al-CMDB推進劑配方(質量分數)為：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃燒催化劑4%、其他6%；NEPE推進劑配方(質量分數)為：NG 8.6%、AP 39%、HMX 27%、PEG 6.1%、BTTN 8.6%、Al 5%、催化劑 3.5%、其他2.2%。

1.2.2 測試裝置

基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試裝置示意圖見圖3。裝置中的密閉燃燒室耐壓強度為15MPa，可通過壓力調節(jié)裝置調節(jié)燃燒室內的壓力。裝置所用平行光管為可見光平行光管，出光口徑為Φ30mm。圖像傳感器采用USB2.0接口的CMOS相機，相機灰度深度為8位，鏡頭上加置窄帶濾波片，將相機的響應光頻譜范圍限制為0.4～0.7μm，點火電源為直流電源，輸出電流范圍0～5A。數據采集及處理裝置為工控機。

圖3 推進劑發(fā)煙量測試裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test device of propellant smoke density

1.2.3 測試方法

基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試步驟如下：

(1)將測試樣品置于密閉燃燒室中，調節(jié)密閉燃燒室初始壓強至7MPa，調節(jié)圖像傳感器，使得平行光管成像清晰、灰度適中。

(2)將圖像傳感器的采樣率設置為15幀/s，圖像傳感器開始采集圖像10s后測試樣品點火，140s后停止采集，將采集到的圖像序列存儲到工控機。

通過上述步驟可獲得測試樣品點火前后平行光管成像的圖片序列。圖4是某推進劑發(fā)煙量測試序列的部分圖像。

圖4 測試圖像序列的部分圖像Fig.4 Parts of test image sequence

由圖4可知，圖像中燃燒室觀察窗邊緣與相鄰平行光管區(qū)域較模糊。這是由于觀察窗邊緣與平行光管的景深不同，導致該區(qū)域光信號相互影響。這部分圖像在數據處理中應予以剔除。

1.3 測試圖像的數據處理

測試圖像的數據處理基本可分為6步：

(1)圖像預處理。在圖像中觀察窗圓環(huán)內取內切矩形，裁剪觀察窗邊緣及附近成像模糊區(qū)域，然后將圖像序列圖像格式轉換為灰度圖像格式；

(2)取圖像序列前100幀圖像，通過像素灰度求均值的方式合成基準圖像；

(3)對基準圖像的灰白區(qū)域分離[12]，提取白色區(qū)域以及灰色區(qū)域的坐標；

(4)利用步驟(3)的計算結果對基準圖像、圖像序列每幀圖像的灰色區(qū)域和白色區(qū)域進行提取，并分別計算其灰度均值；

(5)將基準圖像灰度均值作為基值，利用公式(3)計算每幀圖像的煙霧光透過率；

(6)繪制煙霧光透過率—時間曲線，取曲線平衡段計算測試樣品的平均煙霧光透過率。

2 結果與討論

2.1 推進劑樣品的煙霧光透過率曲線

3種推進劑的煙霧光透過率-時間(τ-t)曲線如圖5所示。

圖5 3種推進劑煙霧透過率隨時間變化的曲線Fig.5 Curves of change in smoke transmittance of the three propellants with time

由圖5可看出，3種典型推進劑中，NEPE推進劑的發(fā)煙量最大，煙霧光透過率最低；SQ2推進劑的發(fā)煙量最小，煙霧光透過率最高；Al-CMDB推進劑的發(fā)煙量和煙霧光透過率處于二者之間。這是由于Al-CMDB推進劑中含有鋁粉，燃燒后會生成一次煙的主要成分Al2O3；而NEPE推進劑配方中除鋁粉外，還含有AP，其燃燒除生成Al2O3外，還會生成氯化氫(HCl)這一主要的二次煙成分。

3種典型推進劑均在點火后50s左右煙霧光透過率達到最低值。其中SQ2推進劑與Al-CMDB推進劑的煙霧光透過率達到最低點后基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，而NEPE推進劑的煙霧光透過率達到最低點后緩慢升高。這表明NEPE推進劑燃燒煙霧在平衡后存在一個較為緩慢的沉降過程。由煙霧的動力學特性可知，空氣動力學直徑為亞微米數量級的粒子沉降主導機制是布朗擴散，直徑在10μm以上的粒子沉降主導機制是重力沉降。測試結果表明，NEPE推進劑燃燒煙霧中粒徑在10μm以上的Al2O3顆粒所占比重明顯高于Al-CMDB推進劑。

2.2 兩種測試方法的結果對比

利用傳統(tǒng)發(fā)煙量測試方法對3種推進劑發(fā)煙量進行測試,并與基于圖像傳感器的測試方法進行對比，結果如表1所示。兩種方法除了在測試原理上存在差異，傳統(tǒng)發(fā)煙量測試方法在垂直方向對煙霧光透過率進行測試，而基于圖像傳感器的測試方法是在水平方向進行測試。理論上，水平方向上的透過率測試結果更容易受煙霧沉降因素的影響。實際測試過程中，煙霧沉降是一個相對緩慢的過程。測試時間內，煙霧沉降所引起的透過率升高無法體現在透過率均值中。表1為兩種發(fā)煙量測試方法的測試結果，由表1可知兩種測試方法的結果基本一致。

表1 兩種火煙量的測試方法的對比

3 結 論

(1)與傳統(tǒng)測試方法相比，基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法主要通過圖像處理方法降噪，其裝置結構簡單、成本低，但數據處理過程較復雜。

(2)圖像傳感器測試區(qū)域遠大于光電二極管(或光敏電阻)，可顯著提高裝置的穩(wěn)定性；平行光管遮光罩設計與圖像降噪方法可有效消除雜散光噪聲。

(3)基于圖像傳感器的推進劑發(fā)煙量測試方法在水平方向上對煙霧光透過率進行測試，透過率曲線在一定情況下會受煙霧沉降的影響。該方法對3種典型推進劑測試結果與傳統(tǒng)測試方法測試結果一致。

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Test Method of Propellant Smoke Density Based on Image Sensor

WANG Chang-jian1,2,ZHANG Ke-wang1,SUN Mei2,YANG Yan-jing2,XU Yi2

(1.Electronic and Information Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049,China; 2.Science and Technology on Explosion Laboratory,Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

A propellant smoke density test method based on image sensor was proposed.In this method,the halogen lamp was replaced by a collimator,the photoelectric diode or photosensitive resistance was replaced by an image sensor,and a lens hood with hollow stripes on surface was designed to modulate light source.The effect of environmental noise on test results was eliminated by image processing method.The combustion smoke densities of SQ2 propellant,Al-CMDB propellant and NEPE propellant were measured.The results show that the transmittance curves of SQ2 and Al-CMDB propellants are basically stable at about 50s after ignition.The transmittance curve of NEPE propellant is stable after 50s of ignition,but has a slow upward trend.The smoke transmittance of the above three propellants are 84.1%,65.9%,22.3%,respectively,which are consistent with those obtained using the traditional test method.

propellant; smoke density; plume smoke;image sensor; collimator;smoke transmittance

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.019

2016-10-08；

2016-11-13

國家自然科學基金資助(201503163)

王長健(1983-)，男，工程師，從事推進劑羽流特征信號評估工作。E-mail:18991898347@163.com

TJ55；O436.2

A

1007-7812(2017)01-0097-04