基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法.pdf

第 44卷 第 4期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法李泉良1，王肖霞1，杨风暴1，王凯2，3（1.中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051；2.内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261000；3.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261000）Construction Method of Multi-Scale Thermal Field Patterns for Inner Walls Based on Fan-Ring InterpolationLI Quanliang1，WANG Xiaoxia1，YANG Fengbao1，WANG Kai2，3（1.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.State Key Laboratory of Engine Reliability，Weifang 261000，China；3.Weichai Power Company Limited，Weifang 261000，China）Abstract：In order to achieve focused monitoring of thermal fatigue damage in the internal combustion engine cylinder head nose region and obtain highly discriminative reconstructed images，a multi-scale thermal field pattern construction method based on fan ring interpolation was proposed.Combined with the thermal field distribution law of the cylinder head inner wall of the internal combustion engine，the cylinder head fire surface was divided into multi-scale thermal field regions，and the probability of thermal fatigue damage in each area of the inner wall was dissected to determine its resolution.Then，based on the idea of arc interpolation，the divided multi-scale thermal field region was discretized into a fan ring region composed of multiple arc point groups.The fan ring thermal field pattern was obtained by interpolating each arc in the fan ring region separately，and then the fan ring thermal field pattern was combined into a multi-scale thermal field pattern.Finally，the constructed multi-scale thermal field pattern was correlated with the thermal energy of the outer wall of the cylinder head to reconstruct the image of the inner wall of the cylinder head.In order to verify the rationality of the method in this paper，the reconstructed inner wall image was compared with the reconstructed image based on the bilinear interpolation of the constructed thermal field pattern.The results show that the contrast between the reconstructed images with and without cracks are 74.77%and 75.09%respectively higher than that of the reconstructed images with the bilinear interpolation-based thermal field pattern，and the structural similarity and peak signal-to-noise ratio are also slightly improved.It is also more conducive to the detection of cracks and other defects caused by thermal fatigue damage and the quality improvement of reconstructed images of non-focused inspection areas.摘要：为了实现对内燃机气缸盖鼻梁区热疲劳损伤的重点监测，获得高辨识度重构影像，提出了一种基于扇环插值的多尺度热场图案构造方法。首先，结合内燃机气缸盖内壁的热场分布规律，将气缸盖火力面划分成多尺度的热场区域，剖析内壁各区域易出现热疲劳损伤的机率，确定其分辨率。其次，基于圆弧插补的思想，把划分好的多尺度热场区域离散成由多条圆文章编号：1000-0925（2023）04-0068-09440049收稿日期：2022-10-18修回日期：2023-01-04基金项目：内燃机可靠性国家重点实验室开放课题项目（skler202011）；山西省回国留学人员科研资助项目（2021）Foundation Item：Open Project of State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability（skler202011）；Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China（2021）作者简介：李泉良（1998），男，硕士生，主要研究方向为关联成像，E-mail：；王肖霞（通信作者），E-mail：。内燃机工程2023年第 4期弧点群组成的扇环区域。然后，对扇环区域内的每条圆弧分别进行插值得到扇环热场图案，再将各个扇环热场图案组合成多尺度热场图案。最后，将构造出的多尺度热场图案和缸盖外壁的热能进行关联运算，重构出气缸盖内壁影像。为了验证本文方法的合理性，将重构出的内壁影像与基于双线性插值构造热场图案下的重构影像进行对比分析。分析结果表明，本文采用的方法重构出的有裂纹和无裂纹气缸盖内壁影像对比度较基于双线性插值方式构造热场图案的重构影像提升了 74.77%和 75.09%，结构相似度和峰值信噪比也略有提升，且本文中采用的方法更利于热疲劳损伤所导致的裂纹等缺陷的检测和非重点检测区域重构影像的质量提升。关键词：内燃机；热场图案；多尺度；关联成像；圆弧插补；图像处理Key words：internal combustion engine；thermal field pattern；multiscale；correlation imaging；circular interpolation；image processingDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.04.009中图分类号：TK4220概述内燃机作为目前最重要的动力机械之一，对其进行定时检测是提高效率和延长使用寿命的重要手段。由于内燃机气缸盖内壁长期处于极端工作环境，气缸盖内壁易出现磨损、裂纹和凹陷等热疲劳损伤13，甚至造成不必要的财产损失和人员伤亡。目前，对气缸盖内壁进行检测的主流方法分为两类：对气缸盖进行拆解并通过目测、水压密封试验等方式4确定故障区域；使用相应的软件如有限元等软件5对内壁进行模拟，分析出易出现热疲劳损伤的区域。然而传统的仿真计算软件在进行热疲劳检测时，难以直接体现出热疲劳损伤区域的信息，同时建立气缸盖模型时缺乏确实可靠的边界条件，使得模拟结果与实际结果存在一定的误差。由于有限元软件模拟出的结果只是传统的热图像，并不能直接通过热图像准确判断高温部分是否由热疲劳损伤引起，还需结合其他条件因素推测判定，增加了热疲劳检测的时间和精力。基于关联成像的内燃机气缸盖内壁检测方法6可以快速地将内壁通过影像的方式直观展示出来，节省了大量的物力和财力。该方法通过对内壁的热场图案和外壁的总热能进行关联运算，得到内壁的重构影像。鉴于探测空间的限制，无法对气缸盖内壁进行全范围探测并收集数据，所以测量少数特殊点，通过图像插值的方式来获得热场图案。然而采用传统经典的插值方式如最邻近插值法和双线性插值法79来构造热场图案时会出现以下问题：最邻近插值法依赖周围点的数据值，通过该方法重构出来的内壁影像会带有明显的块效应；双线性插值法虽然可以根据提供的数据构造出热场图案，但该方法无法将热场区域填充完整，存在边缘空缺区域，需结合最邻近插值方法来构造出完整的热场图案，而且该方法不符合缸盖内壁的热场传递规律，通过该方法重构出来的影像重点监测区域的辨识度低。综合分析双线性插值法和最邻近插值法的不足，在对图 案 的 构 造 方 面，双 线 性 插 值 法 优 于 最 邻 近 插值法10。鉴于上述分析，本文中从内燃机气缸盖内壁热场传递规律和区域填充的完整度等角度出发，提出了一种基于扇环插值构造多尺度热场图案的关联成像方法。该方法通过对离散的圆弧点群进行插值构造出多尺度热场图案，并将其与外壁的总热能进行关联重构出内壁影像。该方法可突显出重点监测区域，使裂纹等热疲劳区域更容易识别，并提高了非重点监测区域的影像辨识度。1气缸盖不同区域分辨率的确定现有研究表明1114，缸盖火力面的热场分布规律是以喷油口为中心，具有沿径向四周递减的变化特性，且受进气口与排气口位置、冷却水腔等因素的影响，缸盖内火力面的不同区域的温度变化是不同的，呈现环形的变化趋势。气缸盖火力面划分区域如图 1 所示，由于四气门气缸盖左右对称，本文中以缸盖右半部分为例进行分析。鼻梁区处于排气门和喷油口之间，温度变化比较剧烈，容易出现故障，需结合排气门和进气门的影响将其划分成四部分：排气门和进气门之间的位置划分为区域 4、区域 5、区域 6；排气门和排气门之间的位置划分为区域 1、区域 2；进气门与进气门之间的位置划分为区域 8；外围边缘的位置则划分成区域 3、区域 7、区域 9。本文中根据气缸盖内壁各区域出现热疲劳损伤的机率来确定不同区域的像素尺寸。经相关研究表 692023年第 4期内燃机工程明15，区域 1 和区域 4 的温度变化最剧烈，最容易出现热疲劳损伤现象；区域 5、区域 8、区域 2 和区域 6次之；而区域 3、区域 7 和区域 8 出现热疲劳损伤现象的机率最低。其中区域 5 和区域 8 出现热疲劳损伤的机率高于区域 2 和区域 6。由此确定内壁区域的分辨率尺寸：区域 1 和区域 4 为 256 像素256像素；区域 5 和区域 8 为 128 像素128 像素；区域2 和区域 6 为 64 像素64 像素；区域 3、区域 7 和区域 9 则为 32 像素32 像素。由于区域形状和其对应区域像素尺寸的影响，某区域的部分边缘位置不能被该区域的像素尺寸完全划分，这时就需将该分辨率进行层层扩大，直至能够将区域划分完整。2扇环热场图案的构造2.1圆弧点群的确定圆弧插补16是通过给出两端点间的位置信息，计算出逼近实际圆弧的点群，得到圆弧曲线。本文中采用这种方式将气缸盖内壁各区域离散成由多条散点圆弧组成的扇环区域，再通过对这些离散的圆弧点群进行插值，构造出扇环热场图案。设扇环的起点为（xs，ys），终点为（xe，ye），所求目标扇环的圆心为（xo，yo），圆弧散点的坐标公式见式（1）和式（2）。L=cos-sin sin cos xTyT（1）=arctanxT-xoyT-yo（2）式中，xT、yT为迭代坐标，初始值为xs、ys；矩阵计算的结果L为下一插补点坐标，将之带入式（1）迭代计算即可得到圆弧点群；为起点向量与 x 轴夹角。2.2构造扇环热场图案受限于目前的工艺手段，难以使用热点偶或者其他探测手段对内燃机气缸盖火力面进行全方位的探测并确定各区域中各点的温度值。只能通过测量少数特殊点，采用插值的方法对缸盖内壁各区域构造热场图案。缸盖内壁火力面的温度变化趋势为温度以环状向外逐渐递减，本文中采用扇环插值的方式对缸内各区域构建热场图案。这里以图 2 所示的区域来具体说明热场图案的构造。首先对区域 4 进行热场构造，图 3 所示为火力面区域 4 示意图。因为划分该区域的分辨率像素尺寸为 256 像素256 像素，所以就可以确定该区域的像素点尺寸，通过 2.1 节所提方式先将区域 4 离散成由一条条圆弧点群组合成的扇环区域。之后通过确定两条扇环边的温度变化函数，再对扇环区域进行插值处理，就可以构造出区域 4 的热场图案。先将区域 4 离散成由对应分辨率尺寸的圆弧点群组成的扇环区域，建立如图 4 所示坐标系，以圆心O 为原点，垂直于 AC 中点的直线为 x 轴，垂直 x 轴交于原点的直线为 y 轴，建立直角坐标系。此时可得到 AB 和 CD 这两条扇环边的起点和终点位置，AB 起点 A 为（8，8），终点 B 为（17，17），CD 起点 C为（8，-8），终点 D 为（17，-17）。这里将点离散成分辨率尺寸为 256 像素256 像素点的大小。将 A和 C 两点的坐标代入式（1）和式（2）中不断迭代，就可得到由弧点群组成的AC。再以 AB 上的点为起点，并以对应 CD 上的点为终点，代入式（1）和式（2），就可得到由 10 条离散的圆弧点群组成的扇环区域。利用扇环插值的方式对扇环区域插值。先利用热电偶对区域 4 进行测量，测点的位置放置如图 5 所示，其中 R1、R2分别对应扇环两边数据的测量方向。在扇环边 AB 和 CD 上取等间隔的 6 个探测点，图 3火力面区域 4示意图图 1气缸盖火力面划分图 2火力面部分区域示意图 70内燃机工程2023年第 4期并且测得在标定工况下的某一时刻的温度数值，其中AB 上 的 温 度 依 次 为 195.92 、206.87 、214.15、225.61、236.83 和 259.6，CD 上的温 度 依 次 为 184.15 、189.67 、186.33 、176.7、162.65 和 156.24。又因 AB 是由 10个离散的点组成，将 AB 上测到的数值等间隔放入这些 离 散 的 点 中，最 后 得 到 点 和 数 值 关 系，即（0，195.92）、（2，206.87）、（4，214.15）、（6，225.61）、（8，236.83）和（10，259.6）。再将得到的这些点拟合成一条连续的曲线，这条曲线就是温度在这个方向上的变 化 曲 线，最 终 得 到 的 点 和 温 度 数 值 关 系 曲 线见式（3）。f(x)=a e-bx+c，x(0，1，10)（3）式中，a、b、c 为拟合参数，将 AB 上测得的点代入MATLAB 软件的拟合函数模块中，可得 a=24.31，b=-0.125 1，c=173.5；x为 AB 上离散点且取值范围为（0，1，10）；f(x)为该点上的温度。同样方式可以求得 CD 上点和温度数值关系见式（4）。g(y)=a0+a1cos(xy)+b1sin(wy)（4）式中，a0、a1、b1、w为拟合参数。将 CD 上测得的点代入 MATLAB 软 件 中 拟 合 函 数 模 块 中，可 得a0=172.8，a1=11.21，b1=13.13，w=0.76；y 为 CD 上离散点且取值范围为（0，1，10）；g(y)就为该点的温度数值。在确定这两个函数后就可对一条条离散的圆弧点群进行插值，具体见式（5）。T=N-mNf(n)+mNg(n)（5）式中，T为圆弧上目标点的温度；N为所求圆弧的点群数量；n为所求点所在圆弧的序号（以 0 起始）；f(n)为该圆弧在 AB 上的点温度值；g(n)为该圆弧在 CD 上的点温度值；m为所求点和该点所在圆弧在 AB 上的点之间的间隔。以AC为例进行说明，如图 6 所示为AC点群插值示意图，A、K、C 分别为AC上的第 1、2 和 16 位置上的散点。温度f(0)=195.92，g(0)=184.15，并且点的总数为 16 即N=16，则AC上各点温度如式（6）所示。T=16-m16195.92+m16184.15（6）式中，当m=0时，即温度值为 A 点温度，T=TA=195.92；当m=1时，即 温 度 值 为 K 点 温 度，T=TK=195.184；直到m=16时 T 为 C 点温度，T=TC=184.15，这样就将AC点群插值完成。以此方式将该区域的各条离散的弧点群插值，完成上述操作后就可得到该区域的热场图案。然后构造区域 5 热场图案，构造基本思想和上述内容类似。考虑区域 5 属于非规则扇环，区域 5坐标系建立如图 7 所示，其中 E、F 为区域 5 上下两条边的终点。根据内燃机气缸盖的尺寸可以得到排气 门 和 进 气 门 的 圆 心 在 该 坐 标 系 下 的 位 置，即OP(36，36)，OJ(40，-40)。将BE和DF离散成 128 像素128 像素的圆弧点群。其中起点 B 为（17，17），终点 E 为（27，7），将点 B、E 和OP代入式（1）和式（2），就可将BE离图 7区域 5坐标系建立示意图图 4区域 4扇环区域坐标系图 5探测点位置确定图 6AC点群插值示意图 712023年第 4期内燃机工程散成点群，以同样的方式将DF离散成点群。以BE上的点为起点，DF上的点为终点，将区域 5 离散成由多条散点圆弧组成的扇环区域。再求得BE和DF上的点和点的温度值函数，将温度数值插入到圆弧点群上，就可得到区域 5 的热场图案。最后构造剩余区域热场图案，区域 6 和区域 5 类似，同属于不规则扇环，构造过程类似。而区域 7 前半部分为不规则扇环方式，和区域 5 类似，后半部分为规则扇环方式，和区域 4 类似。再将这些扇环热场图案组合，得到多尺度的热场图案，这样就可将图 2所示区域的热场图案构造完成。由于在进行内燃机气缸盖内壁关联影像重构时需要多组热场图案，所以依据上述方法对不同时刻的热场图案进行构造。3基于扇环插值热场图案的关联成像为了获得比较理想的内壁热场重构影像，本文中采用正负关联成像 17，该方法通过对外壁总能量值进行处理，增加数据的差异性，使影像的质量得到提升。相关文献 18 证明该方式重构影像的质量要远高于其他方式。基于扇环插值热场图案的关联成像示意图如图 8 所示。图 8 中Ia(x，y|t)为标定工况第 t 次采样的基于扇环插值的多尺度热场散斑图案，下标 a 表示数据对象为气缸盖内壁；Ib(t)为对应上述第 t 次采样的外壁的总热能，下标 b 表示数据对象为气缸盖外壁。首先通过第 2 小节中的方法构造出标定工况第t 次采样的基于扇环插值的多尺度热场散斑图案，并将之记为Ia(x，y|t)；然后利用 NTC 贴片式热敏电阻阵列式地覆盖在缸盖的外壁区域，测量对应上述第 t 次采样时外壁各区域温度，并将其求和得到外壁的总热能，记为Ib(t)；最后对缸盖内壁的热场图案和外壁的总热能进行正负关联成像即将内壁热场图案划分为两个部分，对两部分数据分别进行重构，获得气缸盖内壁的正像和负像。T+(x，y)=1Nt=1N(Ib(t)-Ib(t)Ia(x，y|t)，Ib(t)Ib(N)T-(x，y)=1Nt=1N(Ib(t)-Ib(t)Ia(x，y|t)，Ib(t)Ib(N)（7）式中，Ib(t)为外壁总能量值的平均值；T+(x，y)为重构出来的气缸盖内壁正像；T-(x，y)为重构出来的气缸盖内壁负像，N 为采样次数；t 为第 t 次采样。将内燃机气缸盖内壁的正像和负像做差，获得最终重构的内壁影像T(x，y)。T(x，y)=T+(x，y)-T-(x，y)（8）4实例验证与分析4.1定量指标的选取为了能够客观地评估重构影像的质量而引入 3个定量指标，分别为峰值信噪比（peak signal to noise ratio，PSNR）、结构相似性（structural similarity index，SSIM）和对比度，其计算公式见式（9）式（14）。IPSNR=10 log10()M2IMSE（9）ISSIM=(2II+c1)(2II+c2)(I2+I2+c1)(I2+I2+c2)（10）C=(i，j)2P(i，j)（11）IMSE=1xyi=1xj=1yG(i，j)-G(i，j)2（12）c1=(K1H)2（13）c2=(K2H)2（14）式中，IPSNR为峰值信噪比；IMSE为均方误差；x和y为内壁重构图像的尺寸，采用图像分辨率为 256 像素256 像素，即x为 256，y为 256；M2为内壁重构图像的最大灰度值；G(i，j)、G(i，j)分别为原影像和重构影像中的像素点，其中 i、j 为该像素点所在的行数和列数；ISSIM为结构相似度；I为原图像信息即气缸盖实际的热能透过率；I为重构影像即内壁重构获得的影像；c1、c2为用来维持稳定的常数；K1、K2为固定参数系数，K1=0.01，K2=0.03；H 为图像的最大灰度值，H=255；I和I分别为I和I的平均值；I和I分别为I和I的方差；II为I和I的协方差；C为对比度；(i，j)=|i-j即内壁重构影像相邻像素间的灰度差；P(i，j)为内壁重构影像相邻像素间的图 8关联成像示意图 72内燃机工程2023年第 4期灰度差为的像素概率分布。上述定量指标中峰值信噪比表示重构影像中信号与噪声的比值，比值越大，说明有用信号越大，噪声越小，重构影像的质量越高。结构相似性表示缸盖内壁重构影像与缸盖原物体影像的相似程度，SSIM 值越高说明重构影像与原物体影像越相似，重构影像的质量就越好。对比度表示重点监测区域与背景区域的比值，比值越大，说明监测区域的亮度越高，热疲劳监测能力越强。4.2试验结果分析为了验证本文中提出方法的有效性，分别获取500 组在低负荷工况和标定工况间隔为 0.5 s 时有无裂纹的气缸盖内壁热场图案和其对应时刻下的外壁总能量值，进行关联重构。分别将关联重构影像与传统的有限元计算仿真影像进行对比分析，同时利用评价指标对有裂纹内壁重构影像和无裂纹内壁重构影像进行分析，并基于双线性插值和最邻近插值构造热场图案重构的内壁影像进行对比。表 1 为某型号单缸四气门发动机性能参数。气缸盖所处的环境十分复杂，无法给出气缸盖的确切边界条件，所以文中根据经验和参考文献 19 进行人工赋值。其中气缸盖上表面和周围自由部分传热系数为 30 W/(m2K)，环境温度为 23；进气道表面传热系数 150 W/(m2K)，环境温度为 50；排气道表面传热系数为 520 W/(m2K)，环境温度为 600；冷却水表面传热系数 3 800 W/(m2K)，环境温度为 75；火力面传热系数 1 458 W/(m2K)，温度为 732；气缸盖外表面传热系数 60 W/(m2K)，环境温度为 40。图 9 所示为气缸盖无裂纹时在低负荷工况和标定工况下，两种方法重构出的影像。在相同的工况下基于双线性插值构造热场图案的重构图像，内壁影像的边缘区域较暗，难以体现相应的细节。而基于扇环插值构造热场图案边缘亮度较高，容易分辨内壁的形状和尺寸，而且在缸盖鼻梁区等重点探测区域重构的影像更容易突出细节信息。在不同工况下，同一插值方式重构出来的影像没有明显的差异。传统有限元软件仿真热图像虽然可以判断出重点探测区域的位置，但是随着运行时间的增加及运行环境不同，仿真得出的热图像也会有变化，如图 9（e）和图9（f）所示，极大地增加了判断的时间及精力。为了更直观体现本文中方法的优越性，计算这两种重构图像在不同工况下的峰值信噪比、对比度和结构相似度，采用无裂纹缸盖重构图像的评价指标，如表 2 所示。由表 2 可知，在相同的工况下基于扇环插值构造热场图案重构下的影像，各项指标均优于基于双线性插值构造热场图案下重构的影像，尤其在对比度上，分别提高了 75.09%和 75.23%。在不同的工况下同一插值方法重构的内壁影像差异并不大。由此可见，基于扇环式热场图案的重构图像更利于体现缸盖内壁重点监测区域细节信息，提高影像质量。图 10 为气缸盖有裂纹时 3 种方法在低负荷工况和标定工况下的重构影像。在相同工况下前两种表 1某型号单缸四气门发动机性能参数项目缸径/mm行程/mm总排量/L标定功率/kW最大转矩/（N m）参数12015010.45162（2 200 r/min）844表 2无裂纹缸盖重构图像的评价指标项目峰值信噪比结构相似度对比度参数低负荷工况双线性式54.1100.2010.152低负荷工况扇环式54.8680.2170.267标定工况双线性式54.1120.2010.152标定工况扇环式54.8890.2160.269 图 9气缸盖无裂纹时低负荷和标定工况下，双线性插值、扇环插值及有限元仿真的重构影像 732023年第 4期内燃机工程检测方法都可以判断出裂纹的具体位置，而传统的有限元仿真模拟出的缸盖内壁热图像，并不能直观地判断出高温部分是由热疲劳损伤引起的，还是该区域本身属于高温环境区域，需结合其他条件因素推测判定是否存在热疲劳损伤。基于扇环插值式与基于双线性插值式热场图案重构影像虽然都可以检测出裂纹信息，但基于扇环插值式的重构影像可以更加明显地分辨出裂纹及裂纹所在位置。基于双线性插值式热场图案重构影像位于位置 1 处的裂纹，由于周围的亮度同样也较大，难以分辨出裂纹所在的位置；位置 2 处的裂纹左上部分区域的透过率低而右下部分的透过率较高，相较于位置 1 处的裂纹比较容易检测。相比之下，基于扇环插值式方法可以明显地辨认出两处裂纹所在的位置，这说明基于扇环插值式热场图案下重构影像效果优于传统插值式热场图案重构影像，并且稳定性也好，不会因为内燃机运行的工况和时间影响内壁热疲劳损伤的检测。采用有裂纹缸盖重构图像的评价指标峰值信噪比、结构相似度和对比度，如表 3 所示。由表 3可知，在相同工况下对比对比度和结构相似度数据，扇环插值式热场图案重构下的影像优于传统插值式散斑热场图案重构影像，两者分别提高了 74.77%、74.87%和 8.56%、8.56%。可见，扇环插值构造热场图案的重构图像更利于缸盖内壁缺陷的检测。为了验证扇环插值方法的普适性，文中另取一台单缸四气门内燃机进行验证。图 11 为该内燃机气缸盖有裂纹时暖机工况和全负荷工况下，双线性插值、扇环插值及有限元仿真的重构影像。表 4 为有裂纹缸盖影像对应的评价指标。从表4 和图 11 中可以看出，位置 3 和位置 4 的裂纹在基于扇环插值方法的重构影像中极容易识别，而在基于双线性插值式的重构影像中难以识别，在有限元仿真影像上则更加难以判断，这证明基于扇环插值方法的优越性。由表 4 可知，在相同工况下扇环插值式热场图案重构影像在对比度和结构相似度上要优于传统插值式散斑热场图案重构影像，两者分别提高了表 3有裂纹缸盖重构图像的评价指标项目峰值信噪比结构相似度对比度参数低负荷工况双线性式54.055 70.198 60.153 0低负荷工况扇环式54.840 70.215 40.267 4标定工况双线性式54.056 00.198 60.153 2标定工况扇环式54.841 10.215 60.267 9 图 10气缸盖有裂纹时低负荷和标定工况下，双线性插值、扇环插值及有限元仿真的重构影像图 11气缸盖有裂纹时暖机工况和全负荷工况下，双线性插值、扇环插值及有限元仿真的重构影像 74内燃机工程2023年第 4期72.25%、65.89%和 7.65%、9.82%。此外另取 30 台内燃机进行试验并在标定工况下对基于双线性插值式和基于扇环插值方法的评价指标进行比较，如图 12 所示。从图 12 中可以看出扇环插值式重构影像的峰值信噪比、结构相似性和对比度均高于基于双线性插值方法，可见基于扇环插值方法具有较好的普适性。5结论（1）提出了一种基于扇环插值方式构造多尺度热场图案的关联影像方法，该方法不仅可以提高重点观测区域的细节信息，还可增强非重点检测区域影像的辨识度。（2）扇环插值方法不仅符合缸内火力面的变化规律即以喷油口为中心，沿径向四周递减；而且合理地将扇环区域增补完整，可为气缸盖内壁影像重构提供更加精准的数据支撑。（3）通过峰值信噪比、结构相似度和对比度对重构的有裂纹影像和无裂纹影像进行定量分析，结果表明基于扇环插值构造热场图案的重构影像指标均高 于 基 于 双 线 性 插 值 构 造 热 场 图 案 的 重 构 影 像指标。（4）受到缸盖内壁热场数据冗余性的制约，构造出的热场散斑图案的差异性较小，导致重构时所需的数据量很大。参考文献：1 朱黄龙，胡必谦，陆荣荣，等.某柴油机缸盖开裂原因分析及优化措施 J.内燃机，2018（3）：13.ZHU H L，HU B Q，LU R R，et al.Analysis and optimization measures of cylinder head cracks of a diesel engine J.Internal Combustion Engines，2018（3）：13.2 ZHANG H B，CUI Y，LIANG G，et al.Fatigue life prediction analysis of high-intensity marine diesel engine cylinder head based on fast thermal fluid solid coupling methodJ/OL.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences 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台内燃机在标定工况下基于两种方法的评价指标折线图表 4有裂纹缸盖影像指标项目峰值信噪比结构相似度对比度参数暖机工况双线性式54.3150.2350.173暖机工况扇环式55.3560.2530.298全负荷工况双线性式54.3150.2340.173全负荷工况扇环式55.3560.2570.287 752023年第 4期内燃机工程2021，42（6）：3036.7 许富景，杜少成，荆蕊蕊.基于压缩感知与分段 Hermite插值的二维温度场重构方法 J.电子测量与仪器学报，2022，36（4）：4047.XU F J，DU S C，JING R R.Two-dimensional temperature field reconstruction method based on compressed sensing and piecewise Hermite interpolation J.Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2022，36（4）：4047.8 王兆旭，王浩全，张瑛.基于 TR 插值算法的光声断层图像重建方法 J.国外电子测量技术，2021，40（4）：15.WANG Z X，WANG H Q，ZHANG Y.Photoacoustic tomography reconstruction method based on TR interpolation algorithmJ.Foreign Electronic Measurement Technology，2021，40（4）：15.9 王安泉，李盈盈，李晨，等.阵列探头电容成像玻璃钢无损检测系统 J.电子测量技术，2021，44（4）：149154.WANG A Q，LI Y Y，LI C，et al.Capacitive imaging system with arrayed probe for the non-destructive evaluation（NDE）of glass fibre reinforced polymer（GFRP）J.Electronic Measurement Technology，2021，44（4）：149154.10黄元忠，廖小华，卢庆华.结合双线性插值与局部均值的红外图像插值算法 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