基于机器视觉的水下废气气泡测量系统设计研究

摘要

AIP动力系统的应用使得常规潜艇的长时间潜航成为可能，但随之而来的是潜艇废气浓度随时间的持续增高。潜艇废气管理系统将这些气体排入大海时会形成大量的气泡，这些气泡改变了周围海水的声光特性，使得潜艇的隐身性和安全性受到影响。因此，测量不同水深处气泡大小的变化对于研究气泡对潜艇隐身性能的影响具有现实意义。
　　 为了研究不同水深气泡大小的变化情况，本文先对水下废气气泡的运动模型和传质模型进行了耦合分析，得出了不同水深处不同大小气泡的可探测性结论，为后续的机器视觉测量系统设计提供了理论基础。
　　 本文随后针对潜艇废气气泡的特点设计了水下废气气泡的发生模拟装置，为机器视觉测量提供了目标。又按照机器视觉各硬件的选型要求，结合本项目的阶段性要求选择了照明设备、相机、镜头、图像采集卡、处理终端及其他硬件设备。根据水下气泡成像的具体特点，针对性的提出了改进照明方式和优化相机参数的意见，得到了满足测量要求的气泡图像。
　　 针对水中气泡图像边缘模糊、对比度低的特点，本文基于NI视觉软件对气泡图像进行了预处理，主要包括系统标定、噪声抑制、对比度增强等工作。在流程上，本文先对各项理论进行简单介绍，再在VBAI配置环境中进行方案设计，最后在搭载了NI Vision的LabVIEW环境中进行优化完善。
　　 完成上述处理后，本文在常用边缘检测算子的基础上设计了基于组合优化的边缘检测算法对气泡的边缘进行检测。由于需要测量气泡位于不同水深时的半径大小，本文针对气泡群的几何特征对相邻图片上的气泡进行了动态匹配。测量软件可以将结果实时的显示在软件界面上，也可以以图片覆盖层及表格的方式保存在本地和网络上。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 相关研究方法和现状

1．2．1 针对水下废气气泡的研究方法

1．2．2 针对水下废气气泡的研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 水下废气气泡可探测性分析

2．1 水下废气气泡运动分析方法

2．2 废气气泡上浮运动模型

2．2．1 理论分析的简化条件

2．2．2 废气气泡加速运动模型

2．3 废气气泡上浮传质模型

2．4 模型求解与可探测性分析

2．4．1 已知参数的赋值

2．4．2 模型的解算与分析

第3章 水下气泡测量系统的设计

3．1 废气气泡发生装置设计

3．2 图像采集系统的设计

3．2．1 照明设备

3．2．2 成像设备

3．2．3 图像采集卡

3．2．4 终端电脑

3．2．5 其它硬件设施

3．2．6 改善图像质量的处理措施

3．3 气泡测量系统软件设计

3．3．1 NI机器视觉软件

3．3．2 测量系统软件简介

第4章 基于NI视觉软件的图像预处理

4．1 相机标定

4．1．1 常见的相机标定方法

4．1．2 基于VBAI的标定系统

4．1．3 基于NI Vision的标定系统

4．1．4 标定程序验证试验

4．2 气泡图像的增强

4．2．1 气泡图像降噪技术

4．2．2 对比度增强技术

4．2．3 VBAI中的气泡图像增强

4．2．4 NI Vision中的气泡图像增强

第5章 气泡的边缘检测

5．1 边缘检测的基本概念

5．2 常用的边缘检测算子

5．3 常用边缘检测算子效果比对

5．4 基于组合优化的边缘检测算法

第6章 检测结果的表达与存储

6．1 不同水深气泡的动态匹配

6．2 测量结果的显示与存储

第7章 总结与展望

7．1 论文工作的总结

7．2 今后工作的展望

致谢

参考文献