本發(fā)明屬于航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

隨著我國民航運輸業(yè)的迅速發(fā)展，飛機航行安全問題受到越來越多的關(guān)注。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，作為飛機的核心部件，航空發(fā)動機故障在飛機飛行故障中占有相當大的比例，在我國近十年的飛行事故中，由航空發(fā)動機導致的故障占機械和機務故障的60％以上。因此，加強對航空發(fā)動機運行狀態(tài)的監(jiān)控，尤其是在飛行時的在線監(jiān)測對飛機的飛行運輸安全有著至關(guān)重要的作用，并且可以提前預知航空發(fā)動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，降低航空發(fā)動機的維護成本。

航空發(fā)動機尾氣粒子一般由完全燃燒的碳顆粒以及內(nèi)部零配件因碰撞、摩擦、燒蝕、材料丟失等故障產(chǎn)生的粒子組成。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測常采用離線采樣法，這種方法需要將航空發(fā)動機固定在一個穩(wěn)定的運行條件下，對其尾氣進行離線采樣，其缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)難度高、測量時間長、分析儀器功能單一、測試費用昂貴，因此一般只適用于試驗階段。隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列先進的非接觸、可視化、高精度的無損檢測技術(shù)相繼出現(xiàn)。例如被動式傅里葉變換紅外光譜(ftir)遙感技術(shù)，可對輻射源的絕對光譜能量分布和氣體濃度進行遙感測量，但無法對尾氣實現(xiàn)實時監(jiān)測；發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測技術(shù)可用于監(jiān)測外來物和尾氣中的帶電顆粒，氣路中帶電顆粒產(chǎn)生的原因通常包括磨損、燒蝕、材料剝落以及燃油噴嘴堵塞，因此能夠提供故障早期信息，以用于判斷氣路性能異常或故障，但該方法需要將靜電感應探針置于發(fā)動機氣路中，而氣路管道的直徑很大，探針采集到的只是管道中一個個離散點的信息，而無法對管道的截面信息進行監(jiān)測，因此測量參數(shù)不全面；近年來興起的電容層析成像(ect)技術(shù)，通過測量物場邊界電容信息重建測量截面上的物質(zhì)分布情況，由于氣路中顆粒與空氣的相對介電常數(shù)有差異，理論上可通過ect技術(shù)對內(nèi)部物質(zhì)分布進行成像，并提取特征參數(shù)，但是仍無法直觀地獲取發(fā)動機尾氣中顆粒物的分布情況與顆粒大??；視覺測量方法也常被應用于發(fā)動機尾氣粒子流場檢測中，目前常見的立體視覺系統(tǒng)多由兩臺及以上數(shù)量的相機組成，測量時需要根據(jù)兩臺相機的相對方位及主光軸夾角要求對相機進行合理擺放，不僅需要對兩相機的內(nèi)參分別校準，在對高速運動目標進行圖像采集時，還需要特定裝置來確保兩相機嚴格同步觸發(fā)，使得系統(tǒng)占用了較大的空間，為航空發(fā)動機尾氣流場的在線測量帶來難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法包括按順序進行的下列步驟：

1)建立虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)；

2)利用上述虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)獲得航空發(fā)動機尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值；

3)利用上述尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型；

4)建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發(fā)動機運行狀態(tài)間的對應關(guān)系，從而獲得包括航空發(fā)動機燃料的燃燒程度、發(fā)動機老化、零部件故障在內(nèi)的相關(guān)信息。

在步驟1)中，所述的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)包括：高能脈沖激光發(fā)射器、傳輸光纖、調(diào)焦系統(tǒng)、消光裝置、虛擬立體視覺系統(tǒng)、圖像處理裝置、觸發(fā)控制裝置；其中消光裝置設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)的一端外部，調(diào)焦系統(tǒng)設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)的另一端外部，通過傳輸光纖與高能脈沖激光發(fā)射器相連，并且高能脈沖激光發(fā)射器、調(diào)焦系統(tǒng)和消光裝置沿同一條直線設置；虛擬立體視覺系統(tǒng)設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)外側(cè)，且處于使三維熾化散斑區(qū)位于虛擬立體視覺系統(tǒng)成像范圍內(nèi)的位置；觸發(fā)控制裝置同時與高能脈沖激光發(fā)射器和虛擬立體視覺系統(tǒng)相連接，用于控制高能脈沖激光發(fā)射器和虛擬立體視覺系統(tǒng)上的高速相機相繼觸發(fā)；圖像處理裝置與虛擬立體視覺系統(tǒng)相連接，用于存儲和處理虛擬立體視覺系統(tǒng)所采集的圖像。

所述的調(diào)焦系統(tǒng)采用透鏡調(diào)焦望遠鏡。

所述的虛擬立體視覺系統(tǒng)由一臺高速相機和兩組光路反射裝置組成。

在步驟2)中，所述的利用上述虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)獲得航空發(fā)動機尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值的具體方法如下：

在觸發(fā)控制裝置的控制下，高能脈沖激光發(fā)射器和虛擬立體視覺系統(tǒng)中的高速相機相繼被觸發(fā)，高能脈沖激光發(fā)射器發(fā)出脈沖激光束，然后由傳輸光纖傳輸給調(diào)焦系統(tǒng)，之后由調(diào)焦系統(tǒng)對上述脈沖激光束進行聚焦增強，增強后的脈沖激光束穿過航空發(fā)動機尾氣區(qū)后被消光裝置吸收；在此過程中，位于激光束聚焦區(qū)內(nèi)的尾氣粒子受激后溫度會急劇升高至2500k以上，在高能激光束照射結(jié)束后，受激尾氣粒子的溫度會迅速降至環(huán)境溫度，在降溫過程中其將發(fā)出白熾光，由此形成三維熾化散斑區(qū)；與此同時，虛擬立體視覺系統(tǒng)將連續(xù)采集三維熾化散斑區(qū)的多幅熾化散斑立體圖像，并將上述立體圖像傳送給圖像處理裝置；圖像處理裝置首先將采集的立體圖像分割為左右兩張圖像，然后利用外極線約束外極角三維散斑網(wǎng)格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑立體圖像中尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值。

所述的利用外極線約束外極角三維散斑網(wǎng)格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑立體圖像中尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值的具體方法如下：

首先由圖像處理裝置將虛擬立體視覺系統(tǒng)采集的每一幅熾化散斑立體圖像分割為左右兩張圖像，并根據(jù)虛擬立體視覺系統(tǒng)7已標定參數(shù)及光路分析得到分割后圖像所對應兩虛擬基站的相對方位，然后利用外極線約束法確定出兩成像虛擬基站中左圖像中散斑特征點即尾氣粒子的像點及右圖像對應的約束外極線；然后對左右圖像進行適當大小的網(wǎng)格劃分，利用基于灰度匹配算法對左圖像中散斑特征點所在網(wǎng)格與右圖像中外極線附近的網(wǎng)格進行搜索匹配計算，在右圖像中匹配出相似性最高的網(wǎng)格，從而確定出散斑特征塊即尾氣粒子的三維空間位置；重復上述匹配過程，即能夠確定出當前時刻各熾化散斑特征點即尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標。

在步驟3)中，所述的利用上述尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型的具體方法如下：

利用步驟2)獲得的兩個任意時刻t1、t2的尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值，通過空間相關(guān)算法建立對應于這兩個任意時刻t1、t2的兩幅熾化散斑立體圖像內(nèi)相同尾氣粒子的匹配關(guān)系，從而得到尾氣粒子的速度矢量，進而解算出尾氣粒子的三維流場分布模型。

在步驟4)中，所述的建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發(fā)動機運行狀態(tài)間的對應關(guān)系，從而獲得包括航空發(fā)動機燃料的燃燒程度、發(fā)動機老化、零部件故障在內(nèi)的相關(guān)信息的具體方法如下：

按照步驟2)—步驟3)的方法對不同運行狀態(tài)的航空發(fā)動機尾氣粒子進行監(jiān)測，包括正常運行的航空發(fā)動機以及由于長時間使用而老化的航空發(fā)動機或由于內(nèi)部故障而導致報廢的航空發(fā)動機，由此建立起尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發(fā)動機運行狀態(tài)間的對應關(guān)系，從而獲得包括航空發(fā)動機燃料的燃燒程度、發(fā)動機老化、零部件故障在內(nèi)的相關(guān)信息。

本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對尾氣粒子的三維流場測量，對尾氣中碳煙粒子的形態(tài)、空間分布、顆粒速度進行實時監(jiān)測，建立其與航空發(fā)動機故障類型的對應關(guān)系，提前預知航空發(fā)動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，保障飛行安全，降低發(fā)動機維護成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法流程圖。

圖3為虛擬立體視覺成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4為散斑特征點的外極線約束示意圖。

圖5(a)、(b)分別為圖3中左右圖像的網(wǎng)格匹配示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法進行詳細說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明提供的虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測方法包括按順序進行的下列步驟：

1)建立虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)；

所述的系統(tǒng)包括：高能脈沖激光發(fā)射器1、傳輸光纖2、調(diào)焦系統(tǒng)3、消光裝置6、虛擬立體視覺系統(tǒng)7、圖像處理裝置8、觸發(fā)控制裝置9；其中消光裝置6設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)5的一端外部，調(diào)焦系統(tǒng)3設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)5的另一端外部，通過傳輸光纖2與高能脈沖激光發(fā)射器1相連，并且高能脈沖激光發(fā)射器1、調(diào)焦系統(tǒng)3和消光裝置6沿同一條直線設置；虛擬立體視覺系統(tǒng)7設置在航空發(fā)動機尾氣區(qū)5外側(cè)，且處于使三維熾化散斑區(qū)4位于虛擬立體視覺系統(tǒng)7成像范圍內(nèi)的位置；觸發(fā)控制裝置9同時與高能脈沖激光發(fā)射器1和虛擬立體視覺系統(tǒng)7相連接，用于控制高能脈沖激光發(fā)射器1和虛擬立體視覺系統(tǒng)7上的高速相機相繼觸發(fā)；圖像處理裝置8與虛擬立體視覺系統(tǒng)7相連接，用于存儲和處理虛擬立體視覺系統(tǒng)7所采集的圖像。

所述的調(diào)焦系統(tǒng)3采用透鏡調(diào)焦望遠鏡。虛擬立體視覺系統(tǒng)7由一臺高速相機和兩組光路反射裝置組成。

2)利用上述虛擬立體視覺航空發(fā)動機尾氣粒子流場監(jiān)測系統(tǒng)獲得航空發(fā)動機尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值；

在觸發(fā)控制裝置9的控制下，高能脈沖激光發(fā)射器1和虛擬立體視覺系統(tǒng)7中的高速相機相繼被觸發(fā)，其中高能脈沖激光發(fā)射器1發(fā)出波長為1062nm、頻率為100khz、脈沖能量大于1.0mj的脈沖激光束，然后由傳輸光纖2傳輸給調(diào)焦系統(tǒng)3，之后由調(diào)焦系統(tǒng)3對上述脈沖激光束進行聚焦增強，增強后的脈沖激光束穿過航空發(fā)動機尾氣區(qū)5后被消光裝置6吸收；在此過程中，位于激光束聚焦區(qū)內(nèi)的尾氣粒子受激后溫度會急劇升高至2500k以上，在高能激光束照射結(jié)束后，受激尾氣粒子的溫度會迅速降至環(huán)境溫度，在降溫過程中其將發(fā)出白熾光，由此形成三維熾化散斑區(qū)4。與此同時，虛擬立體視覺系統(tǒng)7將連續(xù)采集三維熾化散斑區(qū)4的多幅熾化散斑立體圖像，并將上述立體圖像傳送給圖像處理裝置8；圖像處理裝置8首先將采集的立體圖像分割為左右兩張圖像，然后利用外極線約束外極角三維散斑網(wǎng)格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑立體圖像中尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值。

所述的虛擬立體視覺系統(tǒng)7采集三維熾化散斑區(qū)4的多幅熾化散斑立體圖像的具體方法如下：如圖3所示，其中l(wèi)為尾氣粒子；m1、p1與m2、p2為兩組光路反射裝置，這兩組光路反射裝置起“雙目”作用，可將傳統(tǒng)的雙目立體視覺系統(tǒng)中的兩臺相機簡化為一臺相機。通過對光路反射裝置的光路分析，可以將單目成像基站cc還原為相對方位確定的兩個虛擬基站cl與cr，單目成像基站cc采集的圖像相當于兩個虛擬基站cl，cr所采集圖像的拼接合成。

另外，虛擬立體視覺系統(tǒng)7需進行標定，首先利用該系統(tǒng)中的高速相機和兩組光路反射裝置采集已知靶標多幅不同位姿的原始圖像，然后將采集的原始圖像分割為左右兩張圖像，根據(jù)雙目立體視覺標定方法，建立虛擬立體視覺系統(tǒng)的相機標定模型，標定出系統(tǒng)的相機內(nèi)參及虛擬外參。

利用外極線約束外極角三維散斑網(wǎng)格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑立體圖像中尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值的具體方法如下：

首先由圖像處理裝置8對虛擬立體視覺系統(tǒng)7采集的每一幅熾化散斑立體圖像分割為左右兩張圖像，并根據(jù)光路分析確定出分割后圖像所對應兩虛擬基站cl，cr的相對方位；然后利用外極線約束法對分割后兩幅圖像中散斑特征點進行外極線約束，如圖4所示，其中ol、or為左右兩虛擬基站cl，cr的光心點，ⅰ、ⅱ分別為左右圖像，m為散斑特征點(即尾氣粒子)，p為干涉點，右圖像ⅱ上的直線m’m”為左圖像ⅰ上點m的外極線，左圖像ⅰ上m點的匹配點約束在右圖像ⅱ的直線m’m”上。然后按照適當尺寸對左右圖像ⅰ、ⅱ進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格匹配搜索，如圖5所示，左圖像ⅰ上網(wǎng)格m的匹配區(qū)域一定約束在右圖像ⅱ的直線m’m”的網(wǎng)格上，根據(jù)灰度區(qū)域相關(guān)算法(如ncc算法等)將左圖像ⅰ的散斑網(wǎng)格m與右圖像ⅱ上直線m’m”附近的網(wǎng)格進行搜索匹配計算，剔除干涉網(wǎng)格p’，找出相似性最高的m’網(wǎng)格，從而確定出散斑特征塊m(即尾氣粒子)的三維空間位置。重復上述匹配過程，即能夠確定出當前時刻空間各散斑特征點(即尾氣粒子)的靜態(tài)三維空間坐標。

為了能夠準確采集熾化散斑立體圖像，需合理設定虛擬立體視覺系統(tǒng)7中高速相機的曝光時間：黑體輻射現(xiàn)象產(chǎn)生的白熾光信號時長與微粒粒徑大小有關(guān)，通常航空發(fā)動機正常工作狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生的碳顆粒粒徑在5-7nm和20-30nm兩個區(qū)間之間，因碰撞、摩擦、燒蝕、材料丟失等故障原因而產(chǎn)生的顆粒粒徑不小于40μm，因此白熾光信號持續(xù)期為十納秒到一微秒之間，因而高速攝像機的曝光時間可設定為10ns。

另外，為使脈沖激光束發(fā)射和熾化散斑立體圖像采集能夠恰當有序地完成，本系統(tǒng)采用觸發(fā)控制裝置9來保證高能脈沖激光發(fā)射器1與虛擬立體視覺系統(tǒng)7中高速相機間隔合適時間先后觸發(fā)。

3)利用上述尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型；

利用步驟2)獲得的兩個任意時刻t1、t2的尾氣粒子的靜態(tài)三維空間坐標值，通過空間相關(guān)算法建立對應于這兩個任意時刻t1、t2的兩幅熾化散斑立體圖像內(nèi)相同尾氣粒子的匹配關(guān)系，從而得到尾氣粒子的速度矢量，進而解算出尾氣粒子的三維流場分布模型。

4)建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發(fā)動機運行狀態(tài)間的對應關(guān)系，從而獲得包括航空發(fā)動機燃料的燃燒程度、發(fā)動機老化、零部件故障在內(nèi)的相關(guān)信息；

按照步驟2)—步驟3)的方法對不同運行狀態(tài)的航空發(fā)動機尾氣粒子進行監(jiān)測，包括正常運行的航空發(fā)動機以及由于長時間使用而老化的航空發(fā)動機或由于內(nèi)部故障而導致報廢的航空發(fā)動機，由此建立起尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發(fā)動機運行狀態(tài)間的對應關(guān)系，從而獲得包括航空發(fā)動機燃料的燃燒程度、發(fā)動機老化、零部件故障在內(nèi)的相關(guān)信息，因此能夠達到通過監(jiān)測航空發(fā)動機尾氣區(qū)5來實時監(jiān)控航空發(fā)動機運行狀態(tài)的目的。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。