CN102494635A - 风洞模型冰形测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞模型冰形测量方法及装置，其特征在于：所述方法包括将激光片光投射到模型冰层的横截面上形成冰形轮廓造影激光条带、用图像记录采集器采集冰形轮廓造影激光条带数据、将采集到的数据传送到图像处理系统、经数据处理获得所需的冰形测量数据和数据处理分析，获取冰形轮廓尺寸等步骤，并可以进行图像显示。所述测量装置由摄像机箱、激光器箱、片光高度调整装置、图像采集和数据处理系统组成。具有对冰形测量精度高，使用方便、测量速度快，测量人员的劳动强度低等优点。

Description

风洞模型冰形测量方法及装置

技术领域

本发明涉及风洞模型测量技术，具体地讲是一种风洞模型冰形在线测量方法及装置。 

背景技术

目前，已开展的传统冰形测量方法有以下几种：一种是冰形拍照技术，这种方法一般只能获得对于冰形和结构的定性认识，不能精确测量冰形轮廓形状数据；二是石膏浇注技术用于冰形测量，通过从模型上取下冰块进行石膏浇模来获得冰形，但是这种方法的劳动强度高，直接破坏冰形，并且测量不精确；三是手工描绘，这是比较常用到的冰形测量方法，但也存在中断试验、破坏冰形、测量随机误差大等缺点。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术问题，提供一种可精确在线测量冰形而不破坏冰形的风洞模型冰形测量方法及装置。 

实现本发明的技术方案是：一种风洞模型冰形测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： 

（1）将激光片光投射到模型冰层的横截面上，在该截面形成冰形轮廓造影激光条带；

（2）用图像记录采集器采集冰形轮廓造影激光条带数据；

（3）将采集到的数据传送到图像处理系统；

（4）经数据处理获得所需的冰形测量数据；

（5）数据处理分析，获取冰形轮廓尺寸。

步骤（1）所述激光片光可以为两条以上，从不同角度投射到模型冰层同一横截面上，形成的各冰形轮廓造影激光条带连接成一整体。 

该方法还可以包括步骤（6），所述激光片光沿模型冰层纵向扫描，获得连续的模型冰层表面轮廓数据。 

该方法也可以包括步骤（6），所述激光片光在模型冰层同一位置不动，分时段采集数据，获得模型冰层生长轮廓数据。 

上述方法还包括对摄像机进行标定的步骤，选取棋盘格平面标定靶，提供场景与图像之间的多个坐标对，场景上的坐标点从标定靶上获得，图像上的点从影像上获取； 

一种使用上述方法的风洞模型冰形测量装置，该测量装置包括： 

（1）安装在试验段顶部的摄像机箱，包括摄像机、俯仰调节机构、偏转调节机构；摄像机对结冰体上的激光条带进行记录并传送到图像采集系统进行处理；俯仰调节机构在30度范围内任意调节摄像机的俯仰角度；偏转调节机构在360度范围内任意调节摄像机的偏转角度，同俯仰调节机构配合保证摄像机对准被测目标；

（2）安装在风洞试验段侧面的激光器箱，包括片光激光器、二维调节机构、偏转调节机构；片光激光器产生激光片光，投射到模型上在被测位置形成激光条带；二维调节机构对激光器的俯仰角和滚转角进行精密调节，以确保多个角度出射的激光片光在一个测量平面上；偏转调节机构在30度范围内任意调节摄像机的偏转角度，同二维调节机构配合保证激光片光准确照射到结冰体的被测截面上；

（3）片光高度调节装置，由安装在结冰风洞驻室中的精密直线导轨实现；采用闭环控制保证各方向激光片光的升降同步、定位精确；

（4）图像采集系统，完成摄像机图像采集，测量系统以多个摄像机图像为基础，构造冰形轮廓，保证各摄像机获取图像以及图像的采集的一致性；在硬件上，采用一块多通道的图像采集卡，使摄像机过来的图像在硬件处理上具有一致性；在软件上，从硬件捕获的图像合成一幅图像进行处理，保证所有软件处理过程的一致性；

（5）图像处理系统，准确提取物体激光特征线，主要包括特征区域设定、复合增强、阈值分割、平滑去噪、直方图均衡、边界算法；

（6）数据处理分析显示系统，从计算机像素坐标系中的某一像素点，反向映射成世界坐标系中的空间点，获取物体轮廓尺寸，并进行图像显示。

该测量装置还包括对摄像机进行标定的装置，为了避免非对称投影带来的标识点变形影响，采用棋盘格平面靶标作为标定靶，提取格点进行标定。 

该测量装置还包括设备的低温防冻保护装置，装置中采用保温套对测量设备进行低温防冻保护，该保温套采用耐低温保温材料；由内衬、中间保温层、外保护层三层组成，根据设备的具体形状设计，具有一定的表面强度，不易损坏；仪器箱内部采用加热板进行内部加热，温度控制仪控制加热板的加热；并将内部温度加热状况在控制箱面板上进行同步显示。 

本发明的有益效果是： 

1、用于冰形和结构的定量认识，精度高；

2、使用方便、测量速度快，测量人员的劳动强度低；

3、不会中断试验，可以实现在线测量；

4、不会破坏冰形，测量随机误差小，能够应用于冰生长试验测量。

5、不需要在模型或结冰体上做任何标记，而且通过多方向投影记录，结冰体的外形轮廓盲区率低。 

附图说明

图1为本发明的系统构成示意图； 

图2为本发明的摄像机箱示意图；

图3为本发明的激光器箱示意图；

图中标号：1—被测冰形，2—片光激光器，3—激光片光，4—摄像机，5—图像采集系统，6—图像处理系统，7—图像显示器，8—激光条带，9—偏转调节机构，10—二维调节机构，11—精密直线导轨，12—俯仰调节机构。

具体实施方式

下面将结合各附图详细描述本发明的最佳实施方案： 

光学测量方法是目前三维几何形状测量中最广泛使用的，同时也是相对测量速度最快的非接触式精确获取外形轮廓尺寸的方法。采用这种方法可以逐点、逐线扫描测量，也可以进行全场测量，这些都取决于投射到被侧物体上的光信号的形状，如光点、光线或光栅。在结冰体外形轮廓尺寸测量中，要求能够快速地反映被测结冰体截面特征，因此选择了基于激光片光与机器视觉的光切法。该方法的测量速度比点扫描法快，测量精度比投影光栅或双目测量方法全场测量高，同时不需要在模型或结冰体上做任何标记，而且通过多方向投影记录，结冰体的外形轮廓盲区率低。

对摄像机进行标定，一般必须提供场景与图像之间的多个坐标对。场景上的坐标点就从标定靶上获得，而图像上的点则从影像上获取。为了便于提取标识点，必须选取合适的标定靶。本发明为了避免非对称投影带来的标识点变形影响，采用棋盘格平面靶标作为标定靶，提取格点进行标定。装置中棋盘格靶标方便适用，精度高，并且有利于恶劣风洞环境中的标定。 

将已标定好的摄像机内外参数及待测激光平面参数作为约束条件直接求解出被测物体的三维坐标。利用机器视觉技术将光切法进行了优化，强化了装置在结冰风洞中应用的适用性，综合两种技术的优势提高了系统的测量精度。激光光源发射出的激光片光在空间截切被测物体，在被测截面上形成一条激光亮带，摄像机成像后，经过数据处理得到单像素的边缘线条，这种边缘线条包含了被测截面的外形轮廓信息，通过一定的算法可以将这些信息分离重构，从而获得被测截面轮廓的特性和精确尺寸数据。 

如图1、图2、图3所示，测量装置由CCD摄像机箱、激光器箱、片光高度调整装置、图像采集系统5和数据处理系统6组成。 

CCD摄像机箱安装在风洞试验段顶部，正对顶部观察窗，包括CCD摄像机4、俯仰调节机构12、偏转调节机构9。CCD摄像机4可以对被测冰形1上的激光条带8进行记录并传送到图像采集系统5进行处理；俯仰调节机构12可以在30度范围内任意调节CCD摄像机4的俯仰角度；偏转调节机构9可以在360度范围内任意调节CCD摄像机4的偏转角度，同俯仰调节机构12配合保证摄像机4对准被测目标。 

激光器箱安装在风洞试验段侧面顶部，正对侧面观察窗，包括片光激光器2、二维调节机构10、偏转调节机构9。片光激光器2波长为635nm，可以在4m的工作距离上产生厚度为1mm的激光片光3，投射到模型上在被测位置形成激光条带8；二维调节机构10可以对激光器2的俯仰角和滚转角进行精密调节，以确保多个角度出射的激光片光3在一个测量平面上；偏转调节机构9可以在30度范围内任意调节CCD摄像机4的偏转角度，同二维调节机构10配合保证激光片光3准确照射到结冰体的被测截面上。 

片光高度调节是由安装在结冰风洞驻室中的精密直线导轨11实现。多角度测量时，采用闭环控制保证各方向激光片光3的升降同步、定位精确。 

图像采集系统5和数据处理系统6完成CCD摄像机4图像采集和冰形数据处理和显示的功能。测量系统以多个摄像机图像为基础，构造冰形轮廓，因而需要保证各摄像机获取图像以及图像的采集、处理的一致性。在硬件上，采用一块多通道的图像采集卡，使CCD摄像机4过来的图像在硬件处理上具有一致性；在软件上，从硬件捕获的图像合成一幅图像进行处理，保证所有软件处理过程的一致性。 

图像处理系统6准确提取物体激光特征线，主要包括特征区域设定、复合增强、阈值分割、平滑去噪、直方图均衡、边界算法；是测量系统的重要组成部分；数据处理分析是成像的逆过程，从计算机像素坐标系中的某一像素点，反向映射成世界坐标系中的空间点，获取物体轮廓尺寸，并进行图像显示。 

由于激光器2与工业摄像机4的工作温度一般在10℃以上，而安装在风洞试验段驻室的环境温度在-20℃左右，因此，设备的低温防冻保护措施尤为重要，装置中采用保温套对测量设备进行低温防冻保护，该保温套采用耐低温保温材料；由内衬、中间保温层、外保护层三层组成，根据设备的具体形状设计，具有一定的表面强度，不易损坏。另外仪器箱内部采用两块功率为250W的加热板进行内部加热，温度控制仪根据内部的Pt100热电阻测量得到的温度数据控制加热板的加热。当仪器箱内部温度低于设定值（一般为20℃）时，开始加热；当内部温度高于设定值时，停止加热。内部温度可加热状况可以在控制箱面板上进行同步显示，温度控制范围为-100℃～100℃。 

Claims (8)

1.一种风洞模型冰形测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）将激光片光投射到模型冰层的横截面上，在该截面形成冰形轮廓造影激光条带；

（2）用图像记录采集器采集冰形轮廓造影激光条带数据；

（3）将采集到的数据传送到图像处理系统；

（4）经数据处理获得所需的冰形测量数据；

（5）数据处理分析，获取冰形轮廓尺寸。

2.根据权利要求1所述风洞模型冰形测量方法，其特征在于：步骤（1）所述激光片光为两条以上，从不同角度投射到模型冰层同一横截面上，形成的各冰形轮廓造影激光条带连接成一整体。

3.根据权利要求1或2所述风洞模型冰形测量方法，其特征在于：该方法还包括步骤（6），所述激光片光沿模型冰层纵向扫描，获得连续的模型冰层表面轮廓数据。

4.根据权利要求1或2所述风洞模型冰形测量方法，其特征在于：该方法还包括步骤（6），所述激光片光在模型冰层同一位置不动，分时段采集数据，获得模型冰层生长轮廓数据。

5.根据权利要求1或2所述风洞模型冰形测量方法，其特征在于：还包括对摄像机进行标定的步骤，选取棋盘格平面标定靶，提供场景与图像之间的多个坐标对，场景上的坐标点从标定靶上获得，图像上的点从影像上获取。

6.一种使用权利要求1所述方法的风洞模型冰形测量装置，该测量装置包括： 

（1）安装在试验段顶部的摄像机箱，包括摄像机、俯仰调节机构、偏转调节机构；摄像机对结冰体上的激光条带进行记录并传送到图像采集系统进行处理；俯仰调节机构在30度范围内任意调节摄像机的俯仰角度；偏转调节机构在360度范围内任意调节摄像机的偏转角度，同俯仰调节机构配合保证摄像机对准被测目标；

（2）安装在风洞试验段侧面的激光器箱，包括片光激光器、二维调节机构、偏转调节机构；片光激光器产生激光片光，投射到模型上在被测位置形成激光条带；二维调节机构对激光器的俯仰角和滚转角进行精密调节，以确保多个角度出射的激光片光在一个测量平面上；偏转调节机构在30度范围内任意调节摄像机的偏转角度，同二维调节机构配合保证激光片光准确照射到结冰体的被测截面上；

（3）片光高度调节装置，由安装在结冰风洞驻室中的精密直线导轨实现；采用闭环控制保证各方向激光片光的升降同步，定位精确；

（4）图像采集系统，完成摄像机图像采集，测量系统以多个摄像机图像为基础，构造冰形轮廓，保证各摄像机获取图像以及图像的采集的一致性；在硬件上，采用一块多通道的图像采集卡，使摄像机过来的图像在硬件处理上具有一致性；在软件上，从硬件捕获的图像合成一幅图像进行处理，保证所有软件处理过程的一致性；

（5）图像处理系统，准确提取物体激光特征线，主要包括特征区域设定、复合增强、阈值分割、平滑去噪、直方图均衡、边界算法；

（6）数据处理分析显示系统，从计算机像素坐标系中的某一像素点，反向映射成世界坐标系中的空间点，获取物体轮廓尺寸，并进行图像显示。

7.根据权利要求6所述风洞模型冰形测量装置，其特征在于：还包括对摄像机进行标定的装置，为了避免非对称投影带来的标识点变形影响，采用棋盘格平面靶标作为标定靶，提取格点进行标定。

8.根据权利要求6所述风洞模型冰形测量装置，其特征在于：还包括设备的低温防冻保护装置，装置中采用保温套对测量设备进行低温防冻保护，该保温套采用耐低温保温材料；由内衬、中间保温层、外保护层三层组成，根据设备的具体形状设计，具有一定的表面强度，不易损坏；仪器箱内部采用加热板进行内部加热，温度控制仪控制加热板的加热；并将内部温度加热状况在控制箱面板上进行同步显示。

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