一种高超声速流场三维密度场测量方法

技术领域

本发明涉及高超声速流场气动研究领域，具体而言，涉及一种高超声速流场三维密度场测量方法。

背景技术

高超声速流场测量技术对深入研究各种飞行器绕流流场机理有着重要意义。目前，用于流场密度测量的技术主要包括纹影技术、干涉技术、阴影技术等，多用于流场定性显示，且测量区域受限于光学透镜尺寸限制，光路调节复杂，环境光或流场自发光对测量存在干扰。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高超声速流场三维密度场测量方法，其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场投影数据获取、反投影滤波重构技术，提升高超声速流场复杂流动的流场显示及测量能力，满足日益增长的大尺寸精细化流场测试需求。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高超声速流场三维密度场测量方法，包括如下步骤：

S1：在停风状态下，利用测量装置对流场进行图像采集，得到静态背景斑点图像；

S2：在吹风状态下，再次利用测量装置对流场进行图像采集，得到动态背景斑点图像；

S3：采用粒子图像互相关算法解算出同一方向的静态背景斑点图像和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量；

S4：根据费马原理和格拉斯通-戴尔定律，通过计算可获得待测流场的每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；

S5：根据投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场的三维密度场分布。

进一步地，测量装置包括脉冲激光光源、导光构件和相机，导光构件和相机对应设置在流场两侧，导光构件传导的光线同相机的光轴重合。

进一步地，多个导光构件和多个相机沿流场周向对应分布，脉冲激光光源发射的多条广光线对应穿过多个导光构件后进入流场，并通过多个相机对应拍摄背景斑点图像，以获得多个静态背景斑点图像和动态背景斑点图像。

进一步地，导光构件包括扩束匀光组件和背景板，相机的光轴垂直于背景板，且背景板具有随机分布的斑点，斑点在相机上成像尺寸为3～5个像素，斑点与背景板互为黑白色；

脉冲激光光源发射的光线经扩束匀光组件后调整为多束均匀的光线照射在背景板上，均匀照明背景板。

进一步地，在S1步骤中，需先调整相邻导光构件的导光方向之间的间隔为18-36°，流场位于相机与背景板之间。

进一步地，在S1步骤中，预先根据流场的尺寸和相机的位置，确定背景板的尺寸；

根据确定的背景板尺寸，选择相机的焦距镜头，并设定斑点成像尺寸像素，确定背景板上的斑点物理尺寸，然后制作背景板。

进一步地，脉冲激光光源对背景板正面照明或背面照明。

进一步地，脉冲激光光源的脉冲宽度为5-100ns；且相机的有效曝光时间与脉冲宽度时间相同，以获取流场的瞬态流场图像。

进一步地，脉冲激光光源通过多个分光构件将光线分别均匀地分散至每个导光构件。

本发明实施例的有益效果是：

能够在停风状态下，首先利用相机对流场进行图像采集，从而获得背景板透过流场后的静态背景斑点图像，此时背景斑点图像无畸变；然后再吹风状态下，利用相机再次对背景板进行图像采集，从而获得在吹风状态下背景板透过流场后的动态背景斑点图像，此时由于存在高超声速激波流场，存在密度变化，背景斑点图像存在畸变。首先通过粒子图像互相关算法解算出同一方向的静态和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量，接着根据费马原理和格拉斯通-戴尔定律，通过计算可获得待测流场的每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；然后密度场投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场的三维密度场分布。

通过上述设计，基于背景斑点成像和互相关算法解算密度梯度的测量方法，具有大视场、可定量、装置简单、成本低的特点，并且能够在简化结构的前提下，能够准确的进行三维密度场的测量，具有更大的适用范围，又可实现高超声速流场瞬态测量。

总体而言，本发明实施例提供的高超声速流场三维密度场测量方法，其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场投影数据获取、反投影滤波重构技术，提升高超声速流场复杂流动的流场显示及测量能力，满足日益增长的大尺寸精细化流场测试需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的测量装置的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的导光构件的结构示意图。

图标：1-脉冲激光光源、2-激光器、3-导光构件、31-扩束匀光组件、311-平凹透镜、312-凸透镜、313-透明漫射屏、32-背景板、4-相机、5-流场、6-分光构件、7-脉冲信号发生器、8-图像采集计算机、9-密封罐。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例

请参照图1、图2，本实施例提供一种高超声速流场5三维密度场测量方法，包括如下步骤：

S1：在停风状态下，利用测量装置对流场5进行图像采集，得到静态背景斑点图像；

S2：在吹风状态下，再次利用测量装置对流场5进行图像采集，得到动态背景斑点图像；

S3：采用粒子图像互相关算法解算出同一方向的静态背景斑点图像和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量；

S4：根据费马原理和格拉斯通-戴尔定律，通过计算可获得待测流场5的每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；

S5：根据投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场5的三维密度场分布。

本实施例中，为了保证测试过程中不会受到外界气流的影响，在进行测试时，可在密封的罐体中进行。

需要注意的是，S2步骤中，吹风状态下，是指在密封罐9的顶部设置进风口，气流从上而下流动，且气流的方向垂直于相机4的光轴方向。

能够在停风状态下，首先利用相机4对背景板32进行图像采集，从而获得背景板32透过流场5后的静态背景斑点图像，此时背景斑点图像无畸变；然后在吹风状态下，利用相机4再次对背景板32进行图像采集，从而获得背景板32在吹风状态下透过流场5后的动态背景斑点图像，此时由于存在高超声速激波流场5，存在密度变化，背景斑点图像存在畸变。首先通过粒子图像互相关算法解算出同一方向的静态和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量，接着根据费马原理和格拉斯通-戴尔定律，通过计算可获得待测流场5的每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；然后密度场投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场5的三维密度场分布。

通过上述设计，基于背景斑点成像和互相关算法解算密度梯度的测量方法，具有大视场、可定量、装置简单、成本低的特点，并且能够在简化结构的前提下，能够准确的进行三维密度场的测量，具有更大的适用范围，又可实现高超声速流场5瞬态测量。

总体而言，本发明实施例提供的高超声速流场5三维密度场测量方法，其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场5投影数据获取、反投影滤波重构技术，提升高超声速流场5复杂流动的流场5显示及测量能力，满足日益增长的大尺寸精细化流场5测试需求。

本实施例中，采用粒子图像互相关算法算出两幅图的位移矢量，一般可使用类似PIV图像处理软件中互相关模块来进行斑点偏移量的求取，其关键是基于图像的互相关性分析来求取斑点偏移量。

具体的，可在静态背景斑点图像中取点s(k,1)为求偏移量的诊断窗口，在动态背景斑点图像中取点t(k,1)为迭代窗口，且窗口尺寸为a*b，使用如下标准化互相关公式：

随着迭代窗口位置的变化，R(m,n)的值也发生变化，R(m,n)取最大值的t(k,1)迭代窗口位置即为诊断窗口s(k,1)在动态背景斑点图像中的位置；(m,n)即为诊断窗口s(k,1)的位移量。

本实施例中，在S4步骤中，根据费马原理，在非均匀介质中，两点之间，光线总是沿着最小光程路径进行传输，在数学上可表示为：

δ∫n(x，y，z)ds＝0

其中，n(x,y,z)表示折射率场分布，s表示光束传播路径。

当光线在非均匀介质中传输时，根据费马原理，如果光线偏移量远远小于流场5宽度，则：

其中，C为常数，与实验配置相关；Δx，Δy为测量获得的不同方向的斑点偏移量(即与(m,n)等同)。对整个位移矢量场的x和y方向求偏导，则可获得如下的泊松方程：

通过此方程能够利用有限差分或者有限元方法求解，进而获得测量区域的投影积分效果的定量折射率场分布，并通过格拉斯通-戴尔公式计算出定量密度场信息；正如经典纹影技术一样，背景纹影技术揭示了气体的折射率与密度之间的关系，当一束光线入射进入一种存在折射率梯度的介质中时，光线会想着折射率增大的方向偏折，由格拉斯通-戴尔定律可知，气体折射率与密度的关系可用下式表示：

K

式中，λ为光波长。

本实施例中，在S5步骤中，根据投影结果，采用滤波反投影算法，它的理论基础为中心切片定理：某一图像f(x,y)在视角Φ时的投影P

待建图像为α(x,y)，它的二维傅里叶变换为

具体的，

待建图像：

上式第二部分：

这一部分式投影数据ρ(x

它的实际物理意义是，将经过定点(r,θ)的在Φ＝0-π范围内的所有滤波后的投影函数进行反投影累加，就可以得出这一点的像素值，由此的得到待测流场5的三维密度场分布。

进一步地，测量装置包括脉冲激光光源1、导光构件3和相机4，导光构件3和相机4对应设置在流场5两侧，导光构件3传导的光线同相机4的光轴重合。其中导光构件3目的是为了能够使得脉冲激光光源1发射出的光线能够均匀的照明背景板32。

本实施例中，脉冲激光光源1通过激光器2而获得。

本实施例中，导光构件3包括扩束匀光组件31和背景板32，相机4的光轴垂直于背景板32，且背景板32具有随机分布的斑点，斑点在相机4上成像尺寸为3～5个像素，斑点与背景板32互为黑白色；

脉冲激光光源1发射的光线经扩束匀光组件31后调整为多束均匀的光线照射在背景板32上，并穿过背景板32进入流场5中。

本实施例中，扩束匀光组件31包括平行设置的平凹透镜311、凸透镜312和透明漫射屏313，其中凸透镜312位于平凹透镜311和透明漫射屏313之间。脉冲激光光源1发射的光线首先穿过平凹透镜311，被扩散为多条光线，多条光线穿过凸透镜312后，均匀发散，然后经透明漫射屏313分散。

通过此种设计，能够将脉冲激光光源1发射的单束光线，通过扩束光组件衍变为多束均匀的光线，并且多束均匀光线照射在背景板32上后，部分光穿过背景板32，部分光被背景板32上的斑点遮挡，从而可通过相机4拍摄背景斑点图像。

进一步地，为了能够进一步提高检测的准确性，本实施例中特意设置了多个导光构件3和多个相机4，多个导光构件3和多个相机4沿流场5周向对应分布，脉冲激光光源1发射的多束光线对应穿过多个导光构件3后照明背景板32，并通过多个相机4对应拍摄背景斑点图像，以获得多个静态背景斑点图像和动态背景斑点图像。

需要注意的是，多个导光构件3和多个相机4沿流场5周向对应分布，是指每个导光构件3在其光线方向均设置有一个相机4，并且导光构件3与其对应设置的相机4，分别设置在流场5的两侧，以保证背景板32透过待测流场5被相机4采集图像。

具体的，在本实施例中可设置大于10个的导光构件3和相机4，从而得到更加精准的数据。

此外，需要注意的是，相邻导光构件3的导光方向之间的间隔角度A为18-36°，流场5位于相机4与背景板32之间。由于相机4与导光构件3是一一对应的关系，从而得出相邻相机4光轴(光轴是指每一路测量方向中的相机4光轴，光轴与相机4光敏面中心、流场5中心、背景板32中心的连线同轴，表示该路测量的方向)之间的间隔与相邻导光构件3的导光方向的间隔相同。

另一个需要注意的是，在S1步骤中，在获取静态背景斑点图像前，需要预先调整好相邻导光构件3的导光方向的间隔以保证数据准确。

进一步地，为了能够确定背景板32的尺寸，本实施例中，在S1步骤中，预先根据流场5的尺寸和相机4的位置，确定背景板32的尺寸；

根据确定的背景板32尺寸，选择相机4的焦距镜头，并设定斑点成像尺寸像素，确定背景板32上的斑点物理尺寸，然后制作背景板32。

此种设计的目的在于，能够根据背景板32的尺寸选择合适的相机4的聚焦镜头，从而保证相机4在获取背景斑点图像时能够更加的清晰，从而在后续进行信息分析时能够保证数据更加的准确。

进一步地，为了能够保证相机4能够获得更加清晰的背景斑点图像，本实施例中，脉冲激光光源1对背景板32正面照明或背面照明。

此外，脉冲激光光源1的脉冲宽度为5-100ns；且相机4的有效曝光时间与脉冲宽度时间相同，以获取流场5的瞬态图像。

进一步地，为了能够通过一个脉冲激光光源1将一束光线发送至每个导光构件3上，本实施例中，通过增设多个分光构件6对单束光线进行分散，以使单束光线能够分散出多束光线，使得每束光线能够对应每个导光构件3。

本实施例中，分光构件6可采用多个反光镜、1：1分光片、1：2分光光楔和1：3分光光楔等，具体还需按照导光构件3的数量做出适应性的调整；利用分光构件6对单束光线进行分散传导为本领域常规现有技术，这里不做赘述。

此种设计，能够利用分光构件6对单束光线进行分散和传导，并且能够保证每路光线的强度都是相同的。

此外，需要注意的是，在S1步骤前，需要根据实际设置的导光构件3的数量，对每个检测路线进行布置，以保证检测的准确性。

本实施例中，为了方便控制还特意增设了脉冲信号发生器7，其中激光器2和多个相机4分别通脉冲信号发生器7通信连接。通过脉冲信号发生器7，同时向激光器2和多个相机4发出脉冲信号，控制脉冲激光光源1照明背景板32时多个相机4同时采集背景斑点图像。

此外，能够将多个相机4采集的背景斑点图像信息及时的反馈，本实施例中海特意增设了图像采集计算机8，多个相机4分别通图像采集计算机8通信连接，以将采集到的背景斑点图像及时发送至图像采集计算机8，并且通过计算机来进行静态背景斑点图像和动态背景斑点图像的分析，然后进行计算，重构出待测流场5的三维密度场分布。

综上所述，本发明其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场5投影数据获取、反投影滤波重构技术，提升高超声速流场5复杂流动的流场5显示及测量能力，满足日益增长的大尺寸精细化流场5测试需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。