一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种火箭发动机高空模拟试验系统及方法，具体涉及一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统及方法，解决传统的偏移量测量方法，难以对发动机进行全方位位移量的数据采集和分析的技术问题。该发动机尾喷管位移视觉图像测量系统包括光源、靶标、图像采集单元、数据分析与处理单元；光源用于对待测量尾喷管进行照明；靶标设置于待测量尾喷管上；图像采集单元包括两个高速相机，两个高速相机内均设有图像采集卡，图像采集卡与数据分析与处理单元连接；本发明专利技术系统可以远离发动机工作的恶劣环境，能够采集发动机全方位位移量的数据。能够采集发动机全方位位移量的数据。能够采集发动机全方位位移量的数据。

【技术实现步骤摘要】
一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种火箭发动机高空模拟试验系统及方法，具体涉及一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统及方法。

技术介绍

[0002]某型大推力液氧煤油发动机是在原开式发动机基础上加大尾喷管面积比，适应低入口压力起动，用于火箭的二级发动机。由于二级发动机为高空发动机，常规地面试车状态难以模拟该型发动机的真实工作状态，导致发动机地面试车不能准确反映发动机真实性能，故需开展大推力发动机高空模拟试验，从而考核发动机的性能参数，满足发动机研制要求。火箭发动机高空模拟试验是指在地面试验设备中创造一个近似高空的环境，使发动机在这个环境里工作，进行其性能、可靠性及工作寿命等各种试验。
[0003]为了获得火箭发动机高空模拟试验的高比冲，在高空工作的发动机尾喷管通常采用大扩张比。这种发动机如果在地面试车台上试车，其燃气在尾喷管出口内一段距离上发生分离，尾喷管达不到满流，因此试车中测量的性能参数值不仅不能代表发动机在高空或空间工作的性能，而且燃气分离产生的振荡力可能破坏尾喷管，使发动机不能正常工作。因此,目前发动机高空模拟试验，首先是模拟环境压力(真空度)试验。
[0004]现有发动机
‑
扩压器系统是在发动机的尾喷管上套接一个超音速扩压器，扩压器的一端与尾喷管相接,另一端与大气相通。发动机点火工作后,在扩压器入口处，尾喷管的高速燃气具有引射作用，使试验中尾喷管出口处产生并维持低于大气压的低压(真空)环境。该系统是利用发动机排气自身的能量对发动机尾部尾喷管局部抽真空，以达到发动机高空模拟试车的目的，且能保证发动机排出的燃气在尾喷管内达到满流。
[0005]发动机高空模拟试验的布置如图1、图2所示，包括扩压器01、扩压器固定装置02、发动机03、发动机固定装置04和试车架05；扩压器01采用圆筒状空气泄入式扩压器作为发动机03发动机高空模拟试验主要装置，工作时，在扩压器01内部产生普朗特
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迈耶尔膨胀流。发动机03的尾喷管06外径约为Ф2200mm(含加强筋、不含泄液管嘴)，考虑到扩压器01制造偏差，吊装时便于安装和间隙调节,以及试验过程中产生的振动等,取扩压器01直径为Ф2400mm，便于尾喷管06与扩压器01的插入对接。对于选定的扩压器01直径，尾喷管06与扩压器01内壁的间隙是一定的。空气泄入间隙的大小直接影响空气进入扩压器01中的流量，因而影响尾喷管06出口的环境压力。为了保证尾喷管06出口环境压力，必须有合适的空气泄入间隙。为解决此问题，在扩压器01进口设计间隙可调装置，以减小空气泄入量，保证尾喷管06内满流。
[0006]某试验区中试车台采用45
°
试验工位，其发动机03采用机架与试车台推力架安装固定后，由于发动机03自身的重力作用，存在尾喷管06轴线与安装轴线偏差，在发动机03点火起动瞬间，尾喷管06会存在上翘的现象。并且由于在起动过程中燃烧不稳定，尾喷管06还存在摆动的现象。如果处理不当，在发动机高空模拟试验时将会导致尾喷管06由于上翘或摆动挤压扩压器01内壁，造成尾喷管06损坏或破裂。因此在发动机高空模拟试验前必须进
行短时间发动机03地面试验，监测起动过程中尾喷管06的各方向的偏移量。
[0007]现有的偏移量测量方法有拉线式位移传感器和激光位移传感器两种，但以往的试车中均存在问题，无法准确获得偏移量参数。拉线式位移传感器为滑线变阻器模式，且只能安装在尾喷管06边缘部位，在起动过程中，由于高温和振动，导致拉线式位移传感器内部电阻阻值变化产生零漂。采用激光传感器同样受制于试车环境，在起动瞬间，尾喷管06产生的红外光与激光传感器的测量光谱相叠加，导致数据异常。而且在上述传感器安装部位以外，无法对发动机03其余部位进行全方位的位移量的数据采集和分析。
[0008]综上所述，目前传统的偏移量测量方法，难以对发动机03进行全方位位移量的数据采集和分析。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是针对传统的偏移量测量方法，难以对发动机进行全方位位移量的数据采集和分析的技术问题，而提供一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统及方法。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：
[0011]一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统，其特殊之处在于：包括光源、靶标、图像采集单元、与图像采集单元连接的数据分析与处理单元；
[0012]光源用于对待测量尾喷管进行照明；
[0013]靶标设置于待测量尾喷管上，且至少为5个；
[0014]图像采集单元包括两个高速相机两个高速相机内均设有图像采集卡，图像采集卡与数据分析与处理单元连接；高速相机与靶标相对设置，用于采集待测量尾喷管上靶标反射的光信号，并将光信号转换为模拟电信号；图像采集卡用于将模拟电信号转换为数字信号，并传递给数据分析与处理单元；
[0015]数据分析与处理单元用于对数字信号进行分析、处理，获得特征信息和测量结果。
[0016]进一步地，所述高速相机的拍摄速度为1000fps，快门速度为1/20000sec，图像分辨率为2560
×
2016，镜头焦距为50mm；
[0017]靶标采用玻璃微珠反光靶标，其目数为400；反光值为560；
[0018]光源的功率为100W，且无频闪。
[0019]进一步地，所述靶标为圆形，外直径为50mm，内直径为40mm，厚度为0.1mm，数量为9个。
[0020]同时，本专利技术还提供了一种发动机尾喷管位移视觉图像测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0021]1)搭建上述发动机尾喷管位移视觉图像测量系统；
[0022]2)标定高速相机的内参和外参；内参包括焦距、畸变系数与像元尺寸；外参包括两个高速相机之间的旋转矩阵、平移矩阵、基线距离；
[0023]3)在待测量尾喷管上粘贴多个靶标，并在基准点上设置基准靶标；多个靶标和基准靶标均用于测量待测量尾喷管的位移；
[0024]4)打开光源，利用两个高速相机同时采集点火过程中多个靶标和基准靶标的图像，获得多组尾喷管位移视觉图像；
[0025]5)对采集到的多组尾喷管位移视觉图像进行双目立体重建；
[0026]5.1、利用畸变系数对多组尾喷管位移视觉图像进行畸变校正；
[0027]5.2、利用旋转矩阵、平移矩阵对畸变校正后的所有尾喷管位移视觉图像进行立体校正；
[0028]5.3、将立体校正后的所有尾喷管位移视觉图像中两个高速相机每次拍摄的两张靶标图像进行立体匹配，获得视差图；
[0029]5.4、根据视差图、焦距、像元尺寸与基线距离，对视差图进行三维重建，获得多个靶标的三维坐标和基准靶标的三维坐标；
[0030]6)根据多个靶标的三维坐标和基准靶标的三维坐标，计算发动机尾喷管位移。
[0031]进一步地，步骤5.2)具体为：
[0032]利用旋转矩阵、平移矩阵使两个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统，其特征在于：包括光源(1)、靶标、图像采集单元、与图像采集单元连接的数据分析与处理单元(4)；所述光源(1)用于对待测量尾喷管(5)进行照明；所述靶标设置于待测量尾喷管(5)上，且至少为5个；所述图像采集单元包括两个高速相机(2)；两个高速相机(2)内均设有图像采集卡(3)，图像采集卡(3)与数据分析与处理单元(4)连接；高速相机(2)与靶标相对设置，用于采集待测量尾喷管(5)上靶标反射的光信号，并将光信号转换为模拟电信号；图像采集卡(3)用于将模拟电信号转换为数字信号，并传递给数据分析与处理单元(4)；所述数据分析与处理单元(4)用于对数字信号进行分析、处理，获得特征信息和测量结果。2.根据权利要求1所述的一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统，其特征在于：所述高速相机(2)的拍摄速度为1000fps，快门速度为1/20000sec，图像分辨率为2560
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2016，镜头焦距为50mm；所述靶标采用玻璃微珠反光靶标，其目数为400；反光值为560；所述光源(1)的功率为100W，且无频闪。3.根据权利要求2所述的一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统，其特征在于：所述靶标为圆形，外直径为50mm，内直径为40mm，厚度为0.1mm，数量为9个。4.一种发动机尾喷管位移视觉图像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)搭建权利要求1
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3任一所述的一种发动机尾喷管位移视觉图像测量系统；2)标定高速相机(2)的内参和外参；所述内参包括焦距、畸变系数与像元尺寸；所述外参包括两个高速相机(2)之间的旋转矩阵、平移矩阵、基线距离；3)在待测量尾喷管(5)上粘贴多个靶标，并在基准点上设置基准靶标；多个靶标和基准靶标均用于测量待测量尾喷管(5)的位移；4)打开光源(1)，利用两个高速相机(2)同时采集点火过程中多个靶标和基准靶标的图像，获得多组尾喷管位移视觉图像；5)对采集到的多组尾喷管位移视觉图像进行双目立体重建；5.1、利用畸变系数对多组尾喷管位移视觉图像进行畸变校正；5.2、利用旋转矩阵、平移矩阵对畸变校正后的所有尾喷管位移视觉图像进行立体校正；5.3、将立体校正后的所有尾喷管位移视觉图像中两个高速相机(2)每次拍摄的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英元，刘晓娜，宋世刚，陈海峰，丁佳伟，薛丽丽，朱成亮，刘晓，
申请(专利权)人：西安航天动力试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：