CN102853990A - 超声速流场npls三维结构显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法。根据该显示系统，用于显示试验舱内的超声速流场，包括同步控制器、连接同步控制器并控制同步控制器发出控制信号的计算机及纳米粒子发生器，其中纳米粒子发生器向试验舱内撒播纳米粒子；连接于同步控制器的脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束通过透镜组形成曲面光源或圆锥体光源并照亮试验舱内携带纳米粒子的超声速流场；连接于同步控制器的多台CCD相机同时对超声速流场成像，从而同时获得不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并将图像传输至计算机；计算机分析不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构。

Description

超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法

技术领域

本发明涉及一种超声速流场NPLS三维结构技术领域，特别地，涉及一种基于纳米粒子示踪的高时空分辨率的超声速流场NPLS三维结构显示系统。此外，本发明还涉及一种包括上述超声速流场NPLS三维结构显示系统的显示方法。

背景技术

从光学的角度来看，流场结构的显示方法可以分为两大类：第一类是利用光在变折射率场中的变化规律分析流场的变化；第二类是利用示踪物跟随流体一起运动，并根据示踪物的光散射或激发特性分析流场的结构。

第一类方法中比较典型的有纹影、阴影和干涉等技术，属于传统的流动显示方法。在某些情况下，传统的流动显示方法可以得到具有一定时空分辨率的定量结果，但是却无法得到高时空分辨率的流场结构。

平面激光成像技术为上述第二类方法，因其结合现代激光技术、控制技术、成像技术和图像处理技术成为目前应用最为广泛的精细流动结构测试技术。然而，平面激光成像技术只显示超声速流场的二维结构，将其应用于超声速流动精细结构测试仍然面临的三大主要技术问题：一是无法分辨可压缩性与激波结构所导致的大梯度流动结构，这种大梯度结构对基于粒子示踪的光学非接触测试技术提出了很高的跟随性要求；二是难以分辨较高雷诺数条件下的流场空间结构，流场结构具有空间多尺度特征，它要求测试技术不仅具备较高的空间分辨率，而且能够同时分辨不同尺度上的流动结构，即具有较宽范围的波数空间分辨性能；三是无法分辨较高流动速度下的空间结构的时间演化特征，除高速平动外，超声速流动的高频流场脉动也需要分辨，因此测试技术同样需要具有较宽范围的谱分辨性能。另外，对于某些具有曲面外型的试验模型，其超声速流场具有强烈的三维性，因此对测试技术本身的三维测量能力提出了需求。

由以上可知，平面激光成像技术只能显示超声速流场的二维结构，无法显示超声速流场的精细三维结构。

纳米示踪平面激光散射即NPLS(Nano-tracer Planar Laser Scattering)技术，是一种利用纳米粒子作为示踪粒子的流动结构精细显示技术，解决了在超声速或者高超声速流场中的粒子跟随性问题，适用于测量高速复杂流场结构。其包括光源系统、成像系统、存储和控制系统等。其中，光源为双腔Nd:YAG脉冲激光器，可在设定的时序下由同步控制器的控制、发出两束脉宽为6ns的激光。激光经光臂和片光透镜组后形成了厚度小于的片光，并照射到感兴趣的流场区域。在超声速流场中撒播的名义粒径为10nm的TiO₂纳米示踪粒子，以其良好的跟随性及光散射特性，能够准确地跟随超声速流场复杂结构、同时有效地散射激光以提供高信噪比的实验图像。分辨率为2K×2K的行间传输的双曝光CCD负责图像的记录，其双曝光的时间间隔最短为0.2μs。同步控制器的时间精度为250ps，可根据计算机发出的指令对激光器与CCD进行同步控制，确保两束激光的出光时间与CCD两次曝光的时间相对应，从而获得超声速流场的瞬态图像。而计算机则负责设置同步器参数、存储并处理图像数据。

NPLS技术在测量流场平面结构时表现出极好的性能，但是对某些特定的模型，如旋成体模型的表面流场，则无法测量该类曲面的表面流场。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法，以解决现有技术无法显示旋成体或曲面物体表面的超声速流场NPLS的精细三维结构的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超声速流场NPLS三维结构显示系统，用于显示试验舱内的超声速流场，该系统包括：同步控制器、连接同步控制器并控制同步控制器发出控制信号的计算机及纳米粒子发生器，其中纳米粒子发生器向试验舱内撒播纳米粒子；连接于同步控制器的脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束通过透镜组形成曲面光源或圆锥体光源并照亮试验舱内携带纳米粒子的超声速流场；连接于同步控制器的多台CCD相机，多台CCD相机同时对超声速流场成像，从而同时获得不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并将不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至计算机；计算机分析不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构。

进一步地，脉冲激光器发射激光束与多台CCD相机的曝光是同步的。

进一步地，脉冲激光器的发射端设有光臂；脉冲激光器发射的激光束经由光臂导出并照亮超声速流场。

进一步地，光臂的出口处安装有透镜组，透镜组将脉冲激光器发射的激光束转换为曲面光源或圆锥体光源；曲面光源或圆锥体光源覆盖并照亮超声速流场。

进一步地，曲面光源的厚度不大于0.5mm，圆锥体光源的半锥角不大于20度。

进一步地，多台CCD相机置于不同的位置，且多台CCD相机的镜头对准超声速流场；多台CCD相机同时对试验舱内超声速流场成像，从而同时获得不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像。

本发明的另一方面，还提供了一种超声速流场NPLS三维结构显示方法，应用上述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，包括如下步骤：开启纳米粒子发生器，纳米粒子发生器连续地向试验舱撒播纳米粒子；计算机向同步控制器发出第一控制信号，同步控制器接收到第一控制信号后，同时向脉冲激光器以及多台CCD相机发出第二控制信号；脉冲激光器收到同步控制器发出的第二控制信号后立即发射激光束，激光束通过透镜组形成曲面光源或圆锥体光源照亮超声速流场；此时，多台CCD相机收到同步控制器发出的第二控制信号后立即同时曝光，从而获得流场不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像；不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至计算机存储；计算机分析不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并根据多视成像的原理，对多幅超声速流场纳米粒子图像进行三维矫正，从而测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构；计算机显示曲面流场结构或流场的三维结构。

进一步地，多台CCD相机获得不同视角下的多幅纳米粒子图像后分别存储于多台CCD相机的缓存中。

进一步地，多台CCD相机将缓存中的不同视角下的多幅纳米粒子图像传输至计算机存储。

本发明具有以下有益效果：

本发明的超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法是基于纳米粒子示踪迹及多视成像的原理，能够实现特定形状模型表面的流动显示，从而实现超声速流场三维结构的体视成像。本发明的超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法，具有高时空分辨率、高信噪比的优点，且本发明所使用的设备简单、成本较低、容易操作。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明优选实施例的超声速流场NPLS三维结构显示系统的示意图；

图2是根据本发明优选实施例的超声速流场NPLS三维结构显示方法的流程示意图；

图3是根据本发明优选实施例的曲面光源的形成示意图；以及

图4是根据本发明优选实施例的圆锥体光源的形成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的超声速流场NPLS三维结构显示系统，用于显示试验舱10内的超声速流场，包括纳米粒子发生器20、脉冲激光器30、同步控制器40、多台CCD相机50及计算机60。

试验舱10包括一段透光部12，该透光部12由光学玻璃围成，以便于多台CCD相机50对试验舱10内的超声速流场进行成像。

纳米粒子发生器20撒播纳米粒子。纳米粒子发生器20由高压气源驱动，且输出的纳米粒子的浓度可通过调节高压气源的压力来实现。纳米粒子发生器20的发射口正对试验舱10的进口端。纳米粒子发生器20发射的纳米粒子进入试验舱10，以对试验舱10内的超声速流场进行示踪。

脉冲激光器30的发射端固定有一光臂32。该光臂32向脉冲激光器30的上方延伸，再弯折延伸至纳米粒子的上方，再向纳米粒子弯折形成一正对纳米粒子出口。该光臂32的出口处安装有透镜组34，该透镜组34将脉冲激光器30发射的激光束折射成曲面光源或圆锥体光源342，曲面光源或圆锥体光源342穿过透光部12照射试验舱10内的携带纳米粒子的超声速流场。

同步控制器40分别连接脉冲激光器30、多台CCD相机50和计算机60。计算机60对同步控制器40发出第一控制信号，再由同步控制器40同时向脉冲激光器30以及多台CCD相机50发出第二控制信号。

多台CCD相机50置于不同的位置，且多台CCD相机50的镜头对准试验模型。在本实施方式中，多台CCD相机50的镜头对准试验舱10的透光部12，以便于对试验舱10内的由纳米粒子示踪的超声速流场进行成像。多台CCD相机50同时对超声速流场成像，因此，可以同时获得该流场不同视角下的多幅纳米粒子图像。在本发明中，脉冲激光器30发射激光束与多台CCD相机50的曝光是同步的。

多台CCD相机50还连接于计算机60，以便于将多台CCD相机50摄取的不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至计算机60进行存储。

计算机60分析所存储的不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，根据多视成像的基本原理重构出曲面光源或圆锥体光源342所照明的超声速流场结构，从而能够显示出超声速流场的三维结构。一般地，曲面光源的厚度不大于0.5mm，圆锥体光源342的半锥角不大于20度。

请结合参照图2，使用本发明的超声速三维流场结构系统的方法有以下几个步骤：

S1：开启纳米粒子发生器20，使纳米粒子发生器20不停地向试验舱10撒播纳米粒子。

S2：计算机60向同步控制器40发出第一控制信号。同步控制器40收到第一控制信号后，同时向脉冲激光器30以及多台CCD相机50发出第二控制信号。

S3：脉冲激光器30收到同步控制器40发出的第二控制信号后，立即发射激光束，激光束通过透镜组34形成曲面光源或圆锥体光源342，并照亮超声速流场。

请结合参见图3和图4，具体地，脉冲激光器30收到同步控制器发出的第二控制信号后，激光腔发出激光束。激光束通过光臂32，并经由光臂32的出口处的透镜组34后形成曲面光源或圆锥体光源342，以照亮纳米粒子。曲面光源或圆锥体光源342能通过透光部12照亮风洞试验舱10内由纳米粒子示踪的超声速流场，以便于多台CCD相机50对超声速流场进行成像。

与此同时，多台CCD相机50收到第二控制信号后同时对超声速流场成像，以获得该流场不同视角下的多幅纳米粒子图像。

S4：多台CCD相机50在完成曝光之后关闭，并将不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像分别存储于多台CCD相机50的缓存中。之后，再将缓存中的不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至计算机60中进行存储。

S5：计算机60分析不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并根据多视成像的原理，对多幅超声速流场纳米粒子图像进行三维矫正，从而测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构；

具体地，由于多台CCD相机50置于不同的位置，且多台CCD相机50同时对超声速流场成像，因此，可以同时获得该流场不同视角下的多幅纳米粒子图像。计算机60分析不同视角下的多幅纳米粒子图像，并对比多台CCD相机50对标定模板所成的图像，进行三维畸变矫正后，测量曲面流场结构或重构出超声速流场的三维结构。

S6：计算机60显示流场的三维结构。

本发明的超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法是基于纳米粒子示踪迹及多视成像的原理，能够实现特定形状模型表面的流动显示，从而实现超声速流场三维结构的体视成像。本发明的超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法，具有高时空分辨率、高信噪比的优点，且本发明所使用的设备简单、成本较低、容易操作。

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。

Claims (9)

1.一种超声速流场NPLS三维结构显示系统，用于显示试验舱（10）内的超声速流场，其特征在于，该系统包括：同步控制器（40）、连接所述同步控制器（40）并控制所述同步控制器（40）发出控制信号的计算机（60）及纳米粒子发生器（20），其中

所述纳米粒子发生器（20）向所述试验舱（10）撒播纳米粒子；

连接于所述同步控制器（40）的脉冲激光器（30），所述脉冲激光器（30）发出的激光束通过透镜组（34）形成曲面光源或圆锥体光源（342）并照亮所述试验舱（10）内携带所述纳米粒子的超声速流场；

连接于所述同步控制器（40）的多台CCD相机（50），所述多台CCD相机（50）同时对所述超声速流场成像，从而同时获得不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并将所述不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至所述计算机（60）；

所述计算机（60）分析所述不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构。

2.根据权利要求1所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，其特征在于，所述脉冲激光器（30）发射所述激光束与所述多台CCD相机（50）的曝光是同步的。

3.根据权利要求2所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，其特征在于，

所述脉冲激光器（30）的发射端设有光臂（32）；

所述脉冲激光器（30）发射的激光束经由所述光臂（32）导出并照亮所述超声速流场。

4.根据权利要求3所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，其特征在于，

所述光臂（32）的出口处安装有透镜组（34），所述透镜组（34）将所述脉冲激光器（30）发射的激光束转换为曲面光源或圆锥体光源（342）；

所述曲面光源或圆锥体光源（342）覆盖并照亮所述超声速流场。

5.根据权利要求4所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，其特征在于，所述曲面光源的厚度不大于0.5mm、圆锥体光源（342）半锥角不大于20度。

6.根据权利要求5所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，其特征在于：

所述多台CCD相机（50）置于不同的位置，且所述多台CCD相机（50）的镜头对准所述超声速流场；

所述多台CCD相机（50）同时对所述超声速流场成像，从而同时获得所述不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像。

7.一种超声速流场NPLS三维结构显示方法，其特征在于，应用权利要求1至6中任意一项所述的超声速流场NPLS三维结构显示系统，包括如下步骤：

开启纳米粒子发生器（20），所述纳米粒子发生器（20）连续地向所述试验舱（10）撒播纳米粒子；

计算机（60）向同步控制器（40）发出第一控制信号，同步控制器（40）接收到所述第一控制信号后，同时向脉冲激光器（30）以及多台CCD相机（50）发出第二控制信号；

所述脉冲激光器（30）收到所述同步控制器（40）发出的所述第二控制信号后立即发射激光束，所述激光束通过透镜组（34）形成曲面光源或圆锥体光源（342）照亮所述超声速流场；

此时，所述多台CCD相机（50）收到所述同步控制器（40）发出的所述第二控制信号后立即同时曝光，从而获得所述流场不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像；

所述不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至所述计算机（60）存储；

所述计算机（60）分析所述不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并根据多视成像的原理，对所述多幅超声速流场纳米粒子图像进行三维矫正，从而测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构；

所述计算机（60）显示所述曲面流场结构或所述流场的三维结构。

8.根据权利要求7所述的超声速流场NPLS三维结构显示方法，其特征在于，

所述多台CCD相机（50）获得所述不同视角下的多幅纳米粒子图像后分别存储于所述多台CCD相机（50）的缓存中。

9.根据权利要求8所述的超声速流场NPLS三维结构显示方法，其特征在于，

所述多台CCD相机（50）将所述缓存中的所述不同视角下的多幅纳米粒子图像传输至所述计算机（60）存储。

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