[发明专利]一种基于空泡图像定位与声纹理分析的水翼空化特征提取方法

说明书

一种基于空泡图像定位与声纹理分析的水翼空化特征提取方法，包括：(1)采集水翼空化的视频数据和声信号数据；(2)将视频数据的图像逐帧进行二值化并针对空化气泡脱离水翼后的部分进行框选分析；(3)将框选部分的气泡进行分离聚类并计数，计算气泡面积；(4)通过灰度值计算气泡的厚度，估算气泡的质心并做逐帧标记，最后得到气泡的运动轨迹；(5)根据气泡位置与运动轨迹用于初步判断空泡的形态特征；(6)对声信号数据进行时域与频域分析；(7)建立气泡面积、气泡位置与声强度在时域上的联系，同时建立气泡主频与声信号主频在频域上的联系。本发明通过声信号特征与图像信号特征相互印证，实现利用声信号提取水翼空泡的目的。

技术领域

本发明属于水翼信号处理领域，尤其是涉及一种基于空泡图像定位与声纹理分析的水翼空化特征提取方法。

背景技术

在流体机械中，水翼研究是一项基础研究，能够为运行和工作环境更为复杂的包括螺旋桨在内的诸多水力机械的深入研究提供实验检验与理论研究基础。

在水翼机械中，对于空化现象的研究一直是一个很热门的研究方向。空化的产生会产生巨大的噪音，同时严重影响流体机械运行的性能，产生大量的能量损耗。也会对机械本身造成腐蚀、冲击破坏。水翼空化具有周期性强、运动方向单一稳定的特点。且对于实验阶段来说，展开水翼空化实验所需的实验成本相较螺旋桨、轴流泵等流体机械来说要低很多，也更容易实现。在图像处理方面，针对水翼空化的背景比较简单的特点，处理视频图像时甚至可以省去视频降噪部分。

在空化研究过程中，探究空化所处的发展状态至关重要。区分空化所处的状态能够为空化监测与故障预警技术的实现提供好的实践与理论基础。这就需要学者深入研究空化机理，总结空化特性。

但是，目前区分空化发展状态的手段有限，比如实验室阶段可以利用高速摄像机拍摄记录空化发生的时刻以及判断空化所处的状态，但是存在价格昂贵、难以得到实际应用的问题。同时在视频图像处理方面，处理复杂的空泡团的难度会增加许多，与声数据的结合也更加困难。

目前在对于单个气泡的产生、发展、溃灭的过程以及其动力学机理的研究比较深入，但对于更复杂的水翼空泡的研究则没有好的研究方法。传统的单一的声信号分析手段虽然取得了一定的成果，但是还是没有建立起得到广泛认可的理论体系。

发明内容

本发明提供了一种基于空泡图像定位与声纹理分析的水翼空化特征提取方法，通过声信号特征与图像信号特征相互印证，实现利用声信号提取水翼空泡的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于空泡图像定位与声纹理分析的水翼空化特征提取方法，包括：

(1)采集不同工况下水翼空化的视频数据以及声信号数据，在采集每个工况的数据时，视频数据和声信号数据同时开始记录，但可以视实验设备等具体情况不同时结束采集；

(2)将视频数据的视频图像逐帧进行二值化并针对空化气泡脱离水翼后的部分进行框选分析；

(3)利用图像处理方法将框选部分的气泡进行分离聚类并计数，根据像素值计算气泡面积；

(4)通过灰度值计算气泡的厚度，根据气泡的面积估算气泡的质心并做逐帧标记，最后连贯起来形成视频，得到气泡的运动轨迹；

(5)根据气泡位置与运动轨迹用于初步判断空泡的形态特征；

(6)对声信号数据进行时域与频域分析，提取噪声纹理特征；

(7)建立气泡面积、气泡位置与声强度在时域上的联系，同时建立气泡主频与声信号主频在频域上的联系，完成水翼空化特征的提取。