专利名称：一种液体横向射流振荡边界的获取方法
技术领域：
本发明涉及光学测量技术和图像处理领域，特别是涉及一种基于高速摄影的不稳 定流场中液体横向射流最剧烈振荡边界的获取方法。
背景技术：
在以液体燃料为推进剂的发动机中，液体横向射流的喷注和雾化是一个非常重要 的过程。在研究横向射流的喷注和雾化特性时，射流的边界信息是一个很重要的测量参数， 它影响了液体横向射流的雾化程度以及射流与气流的掺混程度，并决定了液体横向射流主 流的扩展范围。对于液体横向射流边界的研究，以往通常采用的方法有roPA法、片光法、 高速摄影法、阴影法、纹影法等并结合相应的图像处理技术，以获取各方法所对应的射流边 界信息。
PDPA法采用定点测量的方式，能够获得射流破碎形成的液滴的当地体积流率， 并根据不同的射流边界的定义获得射流的外围边界。文献“Lin K C, Kennedy P J， Jackson TA. Structures of water jets in a Mach1.94supersonic crossflow. 2004, AIAA-2004-971，，和 “Wu P K, Kirkendall K A, Fuller R P, et al. Spray structure of liquid j ets atomized in subsonic crossflow[J]· Journal of Propulsion and Power, 1998，14 (2) ; 173-182 ”对气流中射流外围边界点的定义为射流的体积流率为0. 01cc/ (s · cm2)或0. 02cc/ (s · cm2)的点,两者对于液雾外围的定义不太相同；同时F1DPA方法米 取的是对流场中的单点进行测量，其效率较低、难以一次性获得整个流场的射流边界信息。
对于片光法以及相应的图像处理技术，文献“Chaouki Ghenai, Hayri Sapmaz, Cheng-Xian Lin. Penetration height correlation for non—aerated and aerated transverse liquid jets in supersonic cross flow,Exp Fluids,2009,49 :121-129，，结 合Canny方法对采用片光法得到的数字图像进行处理，得到了射流的边界。但是其得到的 边界只是图像处理意义上的边界，无明确的物理意义；同时其在Canny方法中灰度梯度阈 值的选取对结果影响较大，不同的阈值所得射流边界相差较大，数字图像处理过程中人为 因素较大，所得结果并不唯一。
高速摄影法、阴影法和纹影法都能获得射流主流的大致轮廓，文献“赖林.带空腔 超燃发动机燃烧室内流场试验和仿真研究[D].长沙国防科学技术大学.2003”指出采用 相同的测量方法运用不同的数字图像处理技术，得到的结果不尽相同。以往对基于高速摄 影所得结果的图像处理技术而得到的射流边界信息，都是图像处理上的边界，物理意义不 明确，且处理过程中人为因素较大，不能得到唯一定量化的结果。
文献“J. Beloki Perurena, C. 0. Asma, R. Theunissen, 0. Chazot. Experimental investigation of liquid jet injection into Mach 6 hypersonic crossflow. Exp Fluids, 2009,46 :4. 3-417”提出了一种基于高速摄影所得图像的灰度概率的确定射流边界 大致位置的方法，但是其未得到定量化的结果，只是描述了射流边界的大致位置。
总的来看，目前对于超声速气流中液体射流穿透深度的定义及获取方法较多，但是有些方法相对应的数字图像处理方法主要测量射流最外围边界，有的结果的物理意义不太明确，图像处理过程中人为因素较大，不能唯一的得到定量化的结果。对于超声速气流中液体射流边界急需一种能唯一确定的、快速的、定量化的、物理意义明确的边界获取方法。发明内容
针对上述现状，本发明的目的是提供一种液体横向射流振荡边界的获取方法，基于高速摄影法、图像处理技术以及数理统计方法，通过测量气流中液液体射流最剧烈振荡边界，获取液体射流的边界。测量方法不涉及人为因素，测量结果客观、定量、唯一。
本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤
(一 )、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；
(二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；
以射流喷注点为原点，以气流速度方向为X轴正方向，以射流喷注方向为y轴正方向，以原点为起点、X轴的正方向、以k像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取该线上所有像素点所对应的灰度值；
(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；
统计N幅图像中各灰度出现的次数n_p并获取概率f_p = n_p/N,其中p表示某灰度值，比较并获取该点所有灰度值对应的概率最大值即fmax = max(f_p)；
(四)、获取振荡最剧烈的边界点；
获取采集线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，得到采集线上对应的fmax_y 关系图像，其最低点为振荡最剧烈的边界点。
(五)、查找所有采集线上的液体横向射流振荡最剧烈的边界点；
(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。
由于本发明采用高速摄影对整个流场进行观测，故本发明比roPA的单点测量法更加简单、快捷；同时由于本发明中图像处理方法无人为选取阈值的步骤，故相对于高速摄影法、阴影法、纹影法所得到的结果人为因素影响较小，能获得唯一、客观、定量的结果 ’另外本发明结合了射流的振荡特性，较其他高速摄影法、阴影法、纹影法和片光法中的图像处理方法物理意义更加明确。
构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1 :本发明流 程图
图2 :本发明高速摄影系统结构图
图3 图像分析坐标系、观测线及观测点
图4 观测点灰度-概率图
图5 :观测线位置-灰度最大概率图
图6:图像处理结果具体实施方式
本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，参照图1，具体包括以下步骤
(一 )、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；
参见附图2，将稳定的光源I布置在试验段射流7的一侧，另一侧布置高速摄影仪 5，光源I中心位置、射流4中心位置、高速摄影相机5的镜头中心位置位于同一垂直高度上。接着进行高速摄影相机5的对焦，使相机5的焦平面2与气流3方向以及液体射流4 方向平行，相机5的焦平面2位于射流喷孔中心并与光源I平面平行。调节光源I强度，减小高速摄影相机5的曝光时间、提高拍摄帧速并放大拍摄区域2，保证得到清晰的图像并满足拍摄帧速的要求。然后，在相机焦平面2内放置标尺，拍摄并保存标尺信息。相机和光源调节完成后，保持相机和光源强度不变，在流场中通入气体3和液体横向射流4，射流4通过气流3的作用发生弯曲、破碎并雾化形成小液滴，利用高速摄影仪对射流4及液滴进行高速摄影拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果。( 二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；
如图3所示，本实施例以射流喷注点为原点，以气流速度方向为X轴正方向，以射流喷注方向为I轴正方向，以原点为起点、沿X轴的正方向、以每10个像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取该线上所有像素点所对应的灰度值。图3中的采集线为第30个步长的采集线。N为射流喷注时高速摄影拍摄图像的张数，N越大越好,但N会影响高速摄影拍摄的清晰度。
(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；
参见图3所示,例如取X = 300的直线上点(300,100)作为分析点，由于射流的振荡和流场的振荡，在N幅图像中像素点(300，100)对应的灰度值会不断变化，统计各灰度出现的次数n_p (其中P表示某灰度值)并获取此灰度对应的概率f_p = n_p/N,例如像素点 (300，100)对应灰度值为30的概率f_30 = n_30/N ;参见图4，获取该点所有灰度值(p = O 255)对应的概率，并求取所有灰度对应概率中的最大值即fmax = max(f_p)。
(四)、获取振荡最剧烈的边界点；
按照步骤三中的方法，参见图5，获取X = 300直线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，即可得到X = 300直线上对应的fmax-y关系图像，确定fmax_y图像中的最低点，即 fmax最小的点；由于射流振荡最剧烈的边界点处对应像素点灰度值离散度最大，各灰度值出现的概率都较小，故fmax值最小的点即为射流在X = 300位置处振荡最剧烈的边界点。
(五)、查找所有采集线上的振荡最剧烈的边界点；
按照步骤三和四的方法查找图像中所有X = 10m(m = 1,2,3……)直线上射流振荡最剧烈的边界点，所得结果即获取的射流的振荡边界。
(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。
参见图6，将步骤(五)中获得的离散边界点相连，结合(一)中所得的标尺，将像素距离转换为实际物理空间距离，从而获取射流的边界线。
各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后 可以对以前所述的具体实施方式
作修改或变形，不背离发明的实质和范围。
权利要求
1. 一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤(一)、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；(二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；以射流喷注点为原点，以气流速度方向为X轴正方向，以射流喷注方向为I轴正方向， 以原点为起点、沿X轴的正方向、以每k个像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取N 幅图像中该线上所有像素点所对应的灰度值；(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；统计N幅图像中各灰度出现的次数n_p并获取概f_p = n_p/N,其中p表示某个灰度值，比较并获取该点所有灰度值对应的概率最大值即fmax = max(f_p)；(四)、获取振荡最剧烈的边界点；获取采集线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，得到采集线上对应的fmax_y关系图像，其最低点为振荡最剧烈的边界点；(五)、查找所有采集线上的振荡最剧烈的边界点；(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。
全文摘要
本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤(一)利用高速摄影方法获得观测平面内的标尺，对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；(二)统计N幅图像中各采集线上像素点灰度值；(三)获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；(四)获取采集线上振荡最剧烈的边界点；(五)查找所有采集线上振荡最剧烈的边界点；(六)将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线；根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。本发明通过测量气流中液液体射流最剧烈振荡边界，获取液体射流的边界。测量方法不涉及人为因素，测量结果客观、定量、唯一。
文档编号G01B11/00GK103033133SQ20121059566
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者仝毅恒, 李清廉, 李春, 吴里银, 吴海燕 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学