基于激光诱导及散斑图像处理的航空发动机尾气粒子流场监测关键技术研究

The aircraft navigation safety problems have been more and more attention, and the fault caused by aero engine is one of the important reasons for airplane mechanical problems. There is a close relationship between the soot particle in aero engine exhaust and fuel-burning , engine aging and parts failure. Therefore, this project intends to monitor the working state of engine through measuring the soot particle flow field of aero engine exhaust, and improve flight safety and reduce engine maintenance cost. To solve this problem, the project put forward by Laser-Induced Incandescence(LII) technology through launching high power pulse laser to the exhaust area. Then the laser focusing area of the exhaust particles will be heated to high temperature and form light speckles. At last, the soot particle flow field will be measured and monitored through 3D speckle vision measurement technology combined with binocular vision measurement principle. Therefore, the relationship between the operating state of aero engine and engine exhaust particles three-dimensional flow field distribution can be built, and the engine breakdown can be early warning.

当前飞机航行安全问题受到越来越多的关注，由航空发动机导致的故障是飞机机械和机务故障的重要原因之一。航空发动机尾气中的颗粒物与燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障有着密切的关系，因此，本项目拟通过对航空发动机尾气粒子流场分布模型作实时监测，以监控发动机工作状态，对故障提前预警，提高飞行安全，降低发动机维护成本。针对这一问题，本项目提出了采用激光诱导白炽光的方法向尾气区域发射高功率激光，激光聚焦区的尾气粒子将高温炽化形成炽光散斑，再结合三维散斑图像视觉测量技术，采用双目视觉测量系统对炽化区域粒子流场分布进行测量与监控，建立发动机尾气颗粒物三维流场分布模型与发动机运行状态之间的关系，实现对发动机故障的提前预警。

航空发动机故障严重影响着飞机航行的安全性，而航空发动机尾气中的颗粒物与其内部的燃料燃烧程度、老化程度、零部件故障有着非常高的相关性，因此本项目通过建立航空发动机尾气流场模型监控发动机工作状态，对发动机故障提前预警，提高飞行安全，降低发动机维护成本。本项目使用高能脉冲激光照射尾气区域，从而将其中的粒子高温炽化为高亮散斑，然后通过虚拟立体成像系统对散斑图像进行采集，并针对图像噪声、畸变构建特定的图像处理算法，进而采用散斑立体匹配方法对流场进行重建。主要研究内容为：.1．虚拟立体视觉系统的搭建及参数标定，通过反射棱镜系统将单目相机成像映射为双目，精简成像系统，并对其模型参数进行了标定；.2．尾气监测图像混合成像噪声滤波方法研究，提出一种自适应中值梯度倒数加权去噪算法，有效滤除成像中的混合噪声；.3．非均匀温度梯度成像畸变校正方法研究，针对尾气区域的高温成像畸变，提出了基于光线追迹法的畸变校正方法；.4．高速粒子成像拖尾畸变校正方法研究，针对高速粒子成像所产生的拖尾现象，提出了基于流速逆向重构成像的方法，有效地去除了成像拖尾；.5．尾气流场散斑测量立体匹配方法研究，引入了视频帧间追踪的KLT算法，实现了散斑点的快速匹配，为流场的重构提供了算法基础；.6．航空发动机尾气流场散斑测量的实现，在上述基础上通过仿真测试的方法进行了流场散斑测量，验证了方法的有效性。.综上，本项目基本完成了预期任务，实现了对航空发动机尾气流场的重建，为航空发动机的状态监控提供了新的思路。本项目已发表论文24篇，其中SCI、EI期刊检索论文7篇，申请发明专利8项，已授权2项，培养硕士研究生7名。