王長健,張克旺,孫 美,楊燕京,許 毅

(1.西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)院,陜西 西安 710049；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065)

基于圖像傳感器的推進(jìn)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(xué)電子與信息學(xué)院,陜西 西安 710049；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065)

提出了一種基于圖像傳感器的推進(jìn)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(shè)計(jì)了一種表面有鏤空條紋的遮光罩對光源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,采取圖像數(shù)據(jù)處理方法消除環(huán)境噪聲對測試結(jié)果的影響。測量了SQ2推進(jìn)劑、Al-CMDB推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑燃燒煙霧的發(fā)煙量。結(jié)果表明，SQ2推進(jìn)劑和Al-CMDB推進(jìn)劑的煙霧透過率曲線在點(diǎn)火后50s左右基本穩(wěn)定；NEPE推進(jìn)劑燃燒的煙霧光透過率曲線在點(diǎn)火50s后穩(wěn)定，但有緩慢上升趨勢；3種推進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)羽流特征信號(hào)的組成之一，對武器系統(tǒng)的制導(dǎo)能力和隱身性能有重要影響[1]。其影響主要體現(xiàn)在：(1)對武器系統(tǒng)中制導(dǎo)信號(hào)的干擾。目前武器系統(tǒng)的制導(dǎo)方式可分為主動(dòng)制導(dǎo)(紅外圖像制導(dǎo)、紅外點(diǎn)源制導(dǎo)等)、半主動(dòng)制導(dǎo)(激光架束、TV可視跟蹤、雷達(dá)制導(dǎo)等)、光纖制導(dǎo)和GPS制導(dǎo)。其中羽流煙霧對半主動(dòng)制導(dǎo)方式的制導(dǎo)信號(hào)影響最大；(2)對武器系統(tǒng)隱身性能的影響。飛行的導(dǎo)彈在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間會(huì)形成數(shù)千米長的羽煙尾跡，大大降低導(dǎo)彈的隱身性能。

目前,國內(nèi)傳統(tǒng)的測試發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑裝藥在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的工作環(huán)境,將測試樣品在密閉燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃，通過測試光信號(hào)通過燃燒室煙霧的衰減，計(jì)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(jìn)劑發(fā)煙量方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，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(jié)合圖像處理技術(shù)在煙霧測試技術(shù)中的應(yīng)用[2-6]，建立了一種基于圖像傳感器的推進(jìn)劑發(fā)煙量測試方法[7]。選擇雙基(SQ2推進(jìn)劑)、改性雙基(Al-CMDB推進(jìn)劑)及復(fù)合推進(jìn)劑(NEPE推進(jìn)劑)3種典型固體推進(jìn)劑[8-10]進(jìn)行了發(fā)煙量測試，并與傳統(tǒng)測試方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該測試方法的可靠性。

1 測試方法

1.1 測試原理

推進(jìn)劑發(fā)煙量的表征參數(shù)是煙霧光透過率，即光透過煙霧后的光強(qiáng)與透過前光強(qiáng)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(qiáng),W/sr；I為介質(zhì)透射光強(qiáng),W/sr；A為介質(zhì)衰減系數(shù)；D為介質(zhì)的平均密度；l為介質(zhì)內(nèi)的光程長,m。

圖1為基于圖像傳感器的推進(jìn)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(cè)。平行光管作為面光源，發(fā)出光信號(hào)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(diǎn)的灰度與感應(yīng)光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)成正比。在傳感器線性響應(yīng)范圍內(nèi)，將無煙霧時(shí)的圖像灰度作為基值，有煙霧時(shí)的圖像灰度與基值的比值作為該點(diǎn)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(diǎn)光源穿過煙霧前后的光強(qiáng),W/sr；G0(x,y)、G(x,y)分別為該點(diǎn)穿過煙霧前后的成像灰度。

圖1 基于圖像傳感器的推進(jìn)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(xué)背景板圖像灰度計(jì)算圖像區(qū)域內(nèi)的煙霧光透過率分布。推進(jìn)劑在密閉燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃后，產(chǎn)生的煙霧受到氣流擾動(dòng)的影響，在密閉燃燒室內(nèi)有一個(gè)產(chǎn)生、擴(kuò)散、懸浮、沉降的過程，最終煙霧分布達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在煙霧達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)后，可近似認(rèn)為煙霧在平行光管范圍內(nèi)均勻分布，該范圍內(nèi)各點(diǎn)的煙霧光透過率相同，通過計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)透過率的均值，來表征該時(shí)刻煙霧光透過率。

測試環(huán)境中的日光、燈光等雜散光會(huì)不可避免地進(jìn)入圖像傳感器。雜散光所形成的噪聲會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果誤差偏大。為抑制雜散光對測試結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一種平行光管遮光罩，遮光罩表面結(jié)構(gòu)如圖2所示，遮光罩表面為不透光的暗色材質(zhì)，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(hào)為亮暗相間的條紋。在數(shù)據(jù)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(jì)算兩個(gè)區(qū)域灰度差值在有無煙霧的比值，即

(3)

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

由公式(3)可知，當(dāng)灰、白區(qū)域的透過率越接近，公式(3)的降噪效果越好，計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)值。測試樣品燃燒時(shí)間越長，燃燒室內(nèi)煙霧越均勻，計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)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(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃燒催化劑4%、其他6%；NEPE推進(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jìn)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(qiáng)度為15MPa，可通過壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)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(jī)，相機(jī)灰度深度為8位，鏡頭上加置窄帶濾波片，將相機(jī)的響應(yīng)光頻譜范圍限制為0.4～0.7μm，點(diǎn)火電源為直流電源，輸出電流范圍0～5A。數(shù)據(jù)采集及處理裝置為工控機(jī)。

圖3 推進(jìn)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(jìn)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(diào)節(jié)密閉燃燒室初始壓強(qiáng)至7MPa，調(diào)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(shè)置為15幀/s，圖像傳感器開始采集圖像10s后測試樣品點(diǎn)火，140s后停止采集，將采集到的圖像序列存儲(chǔ)到工控機(jī)。

通過上述步驟可獲得測試樣品點(diǎn)火前后平行光管成像的圖片序列。圖4是某推進(jìn)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(dǎo)致該區(qū)域光信號(hào)相互影響。這部分圖像在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)予以剔除。

1.3 測試圖像的數(shù)據(jù)處理

測試圖像的數(shù)據(jù)處理基本可分為6步：

(1)圖像預(yù)處理。在圖像中觀察窗圓環(huán)內(nèi)取內(nèi)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(zhuǎn)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(zhǔn)圖像；

(3)對基準(zhǔn)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(biāo)；

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

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 推進(jìn)劑樣品的煙霧光透過率曲線

3種推進(jìn)劑的煙霧光透過率-時(shí)間(τ-t)曲線如圖5所示。

圖5 3種推進(jìn)劑煙霧透過率隨時(shí)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(jìn)劑中，NEPE推進(jìn)劑的發(fā)煙量最大，煙霧光透過率最低；SQ2推進(jìn)劑的發(fā)煙量最小，煙霧光透過率最高；Al-CMDB推進(jìn)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(jìn)劑中含有鋁粉，燃燒后會(huì)生成一次煙的主要成分Al2O3；而NEPE推進(jìn)劑配方中除鋁粉外，還含有AP，其燃燒除生成Al2O3外，還會(huì)生成氯化氫(HCl)這一主要的二次煙成分。

3種典型推進(jìn)劑均在點(diǎn)火后50s左右煙霧光透過率達(dá)到最低值。其中SQ2推進(jìn)劑與Al-CMDB推進(jìn)劑的煙霧光透過率達(dá)到最低點(diǎn)后基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，而NEPE推進(jìn)劑的煙霧光透過率達(dá)到最低點(diǎn)后緩慢升高。這表明NEPE推進(jìn)劑燃燒煙霧在平衡后存在一個(gè)較為緩慢的沉降過程。由煙霧的動(dòng)力學(xué)特性可知，空氣動(dòng)力學(xué)直徑為亞微米數(shù)量級的粒子沉降主導(dǎo)機(jī)制是布朗擴(kuò)散，直徑在10μm以上的粒子沉降主導(dǎo)機(jī)制是重力沉降。測試結(jié)果表明，NEPE推進(jìn)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(jìn)劑。

2.2 兩種測試方法的結(jié)果對比

利用傳統(tǒng)發(fā)煙量測試方法對3種推進(jìn)劑發(fā)煙量進(jìn)行測試,并與基于圖像傳感器的測試方法進(jìn)行對比，結(jié)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?qū)熿F光透過率進(jìn)行測試，而基于圖像傳感器的測試方法是在水平方向進(jìn)行測試。理論上，水平方向上的透過率測試結(jié)果更容易受煙霧沉降因素的影響。實(shí)際測試過程中，煙霧沉降是一個(gè)相對緩慢的過程。測試時(shí)間內(nèi)，煙霧沉降所引起的透過率升高無法體現(xiàn)在透過率均值中。表1為兩種發(fā)煙量測試方法的測試結(jié)果，由表1可知兩種測試方法的結(jié)果基本一致。

表1 兩種火煙量的測試方法的對比

3 結(jié) 論

(1)與傳統(tǒng)測試方法相比，基于圖像傳感器的推進(jìn)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(jié)構(gòu)簡單、成本低，但數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜。

(2)圖像傳感器測試區(qū)域遠(yuǎn)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(shè)計(jì)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(jìn)劑發(fā)煙量測試方法在水平方向上對煙霧光透過率進(jìn)行測試，透過率曲線在一定情況下會(huì)受煙霧沉降的影響。該方法對3種典型推進(jìn)劑測試結(jié)果與傳統(tǒng)測試方法測試結(jié)果一致。

[1] 李上文，趙鳳起，徐司雨．低特征信號(hào)固體推進(jìn)劑技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] Marbach G,Loepfe M,Brupbacher T.An image processing technique for fire detection in video images[J].Fire Safety Journal,2006,41(4):285-289.

[3] Gubbi J，Marusic S，Palaniswami M.Smoke detection in video using wavelets and support vector machines[J].Fire Safety Journal,2009,44(8):1110-1115.

[4] 羅中平．?dāng)?shù)字圖像技術(shù)在煙霧測試領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D]．西安：西安工業(yè)學(xué)院,2002.LUO Zhong-ping.Application research of digital-image technology on smoke testing [D].Xi′an : Xi′an Technological University,2002.

[5] 孫美,趙鳳起,儀建華，等．固體推進(jìn)劑煙霧光學(xué)透過率測量方法：CN,201410422748.0[P].2014-11-26.

[6] 王長健，劉克祥，趙鳳起，等．固體推進(jìn)劑羽流煙霧視頻圖像處理方法：CN,201510245317.6[P].2015-05-14.

[7] 王長健,孫美,孫志華，等.一種密閉空間內(nèi)火焰燃燒煙霧空間分布特性測試裝置及方法：CN,201610164483.8[P]．2016-03-22．

[8] 楊燕京，趙鳳起，孫美，等．基于TDLAS技術(shù)的雙基系推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2016，39(3)：70-74.YANG Yan-jing,ZHAO Feng-qi,SUN Mei,et al.Investigations on the exhaust plume velocity characteristics of double-base and CMDB propellants charge based on TDLAS technique[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2016,39(3):70-74.

[9] 李猛，羅陽，趙鳳起，等．改性雙基推進(jìn)劑主要組分對其煙霧特征信號(hào)影響研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2014，35(7)：996-1001.LI Meng,LUO Yang,ZHAO Feng-qi,et al.Effects of components on smoke signature of CMDB propellant[J].Journal of Propulsion Technology,2014,35(7):996-1001.

[10] 張曉宏，趙鳳起，譚惠民．Al粉含量對CMDB推進(jìn)劑特征信號(hào)的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(2)：21-24.ZHANG Xiao-hong,ZHAO Feng-qi,TAN Hui-ming.Effects of aluminum powder content on exhaust signature of CMDB propellant[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants( Huozhayao Xuebao),2008,31(2):21-24.

[11] 姚祿玖,高鈞麟,肖凱濤，等．煙幕理論與測試技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社,2004.

[12] 楊杰．視頻圖像中的煙霧檢測方法研究[D]．成都：西南交通大學(xué),2011.

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(xué)基金資助(201503163)

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

TJ55；O436.2

A

1007-7812(2017)01-0097-04