CN111623953B - 一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统 - Google Patents

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一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，利用该系统可以实现光学窗口缺少或不足的超声速风洞内粒子图像采集，进而进行空间速度场测量，属于航天粒子图像测速技术领域。本发明将双曝光激光光源放置风洞外部，使激光片光透射可用的光学窗口，利用超声速流动干扰区为沿流向向后有限区域原理，将跨帧数字相机内置风洞试验段内部，实现粒子图像测速系统片光照明平面与图像采集平面垂直布局。

Description

一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统
技术领域
本发明涉及一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，利用该系统可以实现光学窗口缺少或不足的超声速风洞内粒子图像采集，进而进行空间速度场测量，属于航天粒子图像测速技术领域。
背景技术
飞行器空间扰流流场的测量是风洞试验中重要的一项内容，可以用于描绘空间流动特征，刻画涡系和波系结构，反演飞行器气动特性，为深入理解和认识飞行器与流场相互作用提供一条积极的途径。
粒子图像测速技术属于非接触测量技术中的一员，可以获得流场中一个平面截面上瞬时的二维速度分布，具有全局高分辨率测量的能力。目前国际比较流行的二维数字粒子图像测速系统基本原理如下：在风洞流场中播撒大量示踪粒子跟随流场运动，采用双曝光脉冲激光光源经过合束光路和柱透镜产生激光片光照明流场，采用跨帧数字垂直相机拍摄被照明的二维流场区域，采用基于快速傅里叶变换的互相关算法及相应的迭代、修正算法计算获得速度场。
在超声速风洞中，二维数字粒子图像测速可用于研究战斗机、弹体的扰流流场及标准模型流动形态，用以辅助飞行器气动性能预测和总体设计，或者探索超声速波系、涡系、边界层发展及相互干扰的流动机理，应用前景极为广泛。粒子图像测速技术要求激光片光与与跨帧数字相机垂直放置，至少需要风洞一侧和其垂直侧的流向同一位置上都具备光学窗口，才能够在超声速风洞试验段中展开二维速度场测量，但国内许多超声速风洞试验段光学条件弱，即光学窗口数量少，或仅分布在风洞一侧，或分布在对侧，无法很好的满足常规的粒子图像测速系统布局要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，解决现有超声速试验段光学条件的不足，即无法在风洞试验段外部有效布置粒子图像测速设备，能够在窗口数量不足的条件下进行超声速风洞粒子图像测速试验。
本发明的技术解决方案是：一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，包括激光片光、试验模型、相机系统、模型支撑抓臂、相机罩支撑抓臂、走线槽和风洞攻角机构；
模型支撑抓臂一端通过柱销接口与风洞攻角机构连接，另一端通过螺栓连接固定试验模型；
相机罩支撑抓臂一端通过柱销接口与风洞攻角机构连接，其中心轴线开有供相机系统内部设备走线的走线槽，另一端通过螺栓连接固定相机系统，且相机系统相对于相机罩支撑抓臂可前后移动；
所述相机系统位于试验模型下方，正对试验模型的流场待拍摄区域；
所述激光片光由外部光源发射至试验模型侧面表面。
进一步地，所述相机系统包括相机罩、相机罩窗口、镜头、跨帧CCD相机、步进电机、主动传动齿轮、被动传动齿轮和相机垫块；所述相机罩窗口板、镜头、跨帧CCD相机、步进电机、主动传动齿轮、被动传动齿轮和相机垫块位于相机罩内；所述相机罩的顶板设有圆孔，圆孔中设有相机罩窗口；所述镜头固定在跨帧CCD相机上部，正对相机罩窗口，所述相机罩窗口板正对试验模型的流场待拍摄区域；所述主动传动齿轮与步进电机的输出轴固定连接，所述被动传动齿轮与镜头的调节环固定连接，并与主动传动齿轮配合实现镜头的调焦和锁焦；所述跨帧CCD相机通过相机垫块调整高度以及固定在相机罩上。
进一步地，所述相机系统内部预留设备放置、散热和走线空间。
进一步地，所述相机系统相对试验模型及流场待拍摄区域的放置位置依据避免相机系统产生的激波与试验模型相交原则，根据来流参数确定。
进一步地，所述相机系统的放置位置满足如下条件：
b＜a/tanβ
其中，a为相机罩前段靠近试验模型一侧的顶点距离试验模型的直线距离，b为该顶点沿流向到试验模型尾部的距离，β为该顶点处产生的激波的激波角。
进一步地，所述相机罩窗口为圆台形光学玻璃，采用45°倒边加工，形成顶面135°钝边和底部45°锐边，45°锐边处加工倒角，防止崩边。
进一步地，还包括窗口固定块和减震胶圈；所述窗口固定块为环形固定块，开有供螺栓通过的光孔，用以压住相机罩窗口并与相机罩的顶板连接；所述减震胶圈为O形橡胶圈，放置于窗口固定块和相机罩窗口之间，用于吸收风洞振动能量，防止相机罩窗口碎裂。
进一步地，所述跨帧CCD相机为PI ES4020相机。
进一步地，所述镜头的通光孔径为
Figure GDA0003492348550000031
进一步地，所述相机罩的展向尺寸不小于1.4倍跨帧CCD相机截面尺寸；所述相机罩的流向尺寸不小于3.5倍跨帧CCD相机截面尺寸；所述相机罩的法向尺寸不小于4倍跨帧CCD相机截面尺寸。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出一种超声速风洞粒子图像测速试验布局，可建立一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，即将双曝光激光光源放置风洞外部，使激光片光透射可用的光学窗口，利用超声速流动干扰区为沿流向向后有限区域原理，将跨帧数字相机内置风洞试验段内部，实现粒子图像测速系统片光照明平面与图像采集平面垂直布局。
(2)本发明通过超声速空气动力学原理、模型观测位置和跨帧相机的尺寸，设计跨帧相机的保护装置，确定保护装置的位置，降低相机保护装置产生激波强度和范围，避免相机保护装置产生的主激波与模型相交，影响模型气动力或发生振动，同时尽量减小跨帧相机保护装置的阻塞度。
(3)本发明设计相机保护装置内部的远程控制对焦调节装置和光学窗口，保护相机避免受到超声速来流的冲击，采用45°倒边加工相机罩窗口，使相机罩窗口外表面与相机罩顶板外表面平齐，消除了可能由于台阶产生的激波进而影响相机拍摄效果的可能性。
附图说明
图1为超声速风洞内模型及相机罩布局示意图；
图2相机罩内主要结构布局示意图；
图3为光学窗口的设计示意图
其中，1为激光片光，2试验模型，3相机罩，4为模型支撑抓臂，5为相机罩支撑抓臂，6为走线槽，7为相机罩产生的主激波线，8为攻角机构，9为相机窗口，10为镜头，11为跨帧CCD相机，12为步进电机，13-a为主动传动齿轮，13-b为被动传动齿轮，14为垫块，15为相机罩顶板，16为窗口固定块，17为减震胶圈。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
如图1，本发明的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，包含激光片光1、试验模型2、相机罩3、模型支撑抓臂4、相机罩支撑抓臂5、风洞攻角机构8。模型支撑抓臂4通过的柱销接口与风洞攻角机构8连接，试验模型2通过螺栓连接于模型支撑抓臂4末端；相机罩支撑抓臂5通过柱销接口与攻角机构连接，其中心轴线开有供相机罩内部设备走线的专用走线槽6；相机罩3通过螺栓连接于相机罩支撑抓臂5末端，且相机罩3相对于相机罩支撑抓臂5可前后移动；模型支撑抓臂4纵向对称面位于风洞纵向对称面；相机罩3位于试验模型2下方，正对试验模型2流场待拍摄区域。
相机罩相对模型及流场待拍摄区域的放置位置，将依据如下方法确定：一般而言，设超声速风洞试验段来流马赫数M1为(针对工程风洞，M1≥1.5)，在模型攻角为0°的状态下，相机保护罩前段靠近模型一侧顶点距离模型的直线距离为a，该顶点沿流向到模型尾部的距离为b，由于相机保护罩的存在，该顶点处会产生激波，激波角为β，为了不让激波与模型相交进而影响模型气动力或发生振动，应满足如下条件：
b＜a/tgβ
若相机保护罩靠近模型一侧平面与来流方向夹角为δ，则δ与β之间存在如下关系：
Figure GDA0003492348550000051
进一步的，若δ＝0，则有：
Figure GDA0003492348550000052
若相机罩与模型的直线距离为a，且相机罩产生的主激波线7不会与模型2相交，则相机罩3前端距试验模型2尾部的距离b应满足如下条件：
b≤a/tanβ
如图2，相机罩3包含相机罩窗口9，镜头10，跨帧CCD相机11，步进电机12，主动传动齿轮13-a，被动传动齿轮13-b，相机垫块14；相机罩窗口9位于相机罩3顶部，正对试验模型2流场待拍摄区域；镜头10固定在跨帧CCD相机11上部，正对相机罩窗口9；所述主动传动齿轮13-a与步进电机12的输出轴固连，所述被动传动齿轮13-b与镜头10调节环固连；所述跨帧CCD相机11通过相机垫块14置于合适高度固定于相机罩内部。
相机保护装置的主要作用为保护相机避免受到超声速来流的冲击，对相机工作空间进行密封，同时需要为相机镜头对焦调节预留一定空间，因为相机保护装置密封后，无法手动条件内部镜头，需要外接电动对焦装置。电动调焦装置包含步进电机12，主动传动齿轮13-a，被动传动齿轮13-b，其中步进电机12提供相机镜头所需扭矩，主动传动齿轮13-a将扭矩传递到被动传动齿轮13-b，带动镜头10旋转，调节焦距。
所使用的跨帧CCD相机11为PI ES4020相机，主体尺寸为50mm×50mm×50mm，考虑减小相机罩迎风面积，节省相机罩内部空间，将跨帧CCD相机11配置C型接口的镜头10，通光孔径为
Figure GDA0003492348550000061
同时将电动调焦装置与跨帧CCD相机11沿流向串行放置，步进电机12主体截面尺寸不大于50mm×50mm，输出扭矩不小于0.5N·m。考虑相机固定、相机罩外面板面积，整个相机罩的展向尺寸最小为1.4倍相机截面尺寸，即70mm；考虑迎风尖楔、电动调焦装置、相机固定和相机罩外面板面积，整个相机罩的流向尺寸最小为3.5倍相机截面尺寸，即175mm；考虑相机尺寸、相机尾部引线长度和镜头尺寸，整个相机罩的法向尺寸最小为4倍相机截面尺寸，即200mm。
如图3，相机罩窗口板包含相机罩顶板15，窗口固定块16，减震胶圈17和相机罩窗口9；
由于采用C型接口的镜头10的通光孔径为
Figure GDA0003492348550000062
为保证镜头的拍摄效果，相机罩窗口9的通光孔径最小值设置在1.5倍镜头的通光孔径，即45mm；相机罩窗口9为圆台形光学玻璃，圆台倾角为45°，厚度5mm，圆台大径一面直径为55mm，同时锐边设置半径为1mm的保护性倒角，防止窗口崩裂，圆台小径一面直径为45mm，保留加工棱边不倒角，并与金属型面契合，控制台阶公差小于0.04mm。
相机罩顶板15由机械加工圆台形孔，圆台形孔尺寸依据相机罩窗口9设计加工，用于固定相机罩窗口9；窗口固定块16为环形固定块，开有8个供螺栓通过的光孔，用以压住相机罩窗口并与相机罩顶板连接；所述减震胶圈采用O形橡胶圈，放置于窗口固定块和相机罩窗口之间，用于吸收风洞振动能量，防止相机罩窗口碎裂。
本发明的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统按如上说明连接完成后，在进行风洞试验前，将由步进电机12的操作面板发出指令，控制步进电机12带动主动传动齿轮13-a旋转，进而带动被动传动齿轮13-b旋转，进而带动镜头10的调焦环旋转，通过计算机控制跨帧CCD相机11即时观察激光片光1处的粒子图像，待图像对焦清晰后，停止步进电机12旋转，开启风洞运行，由计算机控制跨帧CCD相机11采集粒子图像。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：包括激光片光(1)、试验模型(2)、相机系统(3)、模型支撑抓臂(4)、相机罩支撑抓臂(5)、走线槽(6)和风洞攻角机构(8)；
模型支撑抓臂(4)一端通过柱销接口与风洞攻角机构(8)连接，另一端通过螺栓连接固定试验模型(2)；
相机罩支撑抓臂(5)一端通过柱销接口与风洞攻角机构(8)连接，其中心轴线开有供相机系统(3)内部设备走线的走线槽(6)，另一端通过螺栓连接固定相机系统(3)，且相机系统(3)相对于相机罩支撑抓臂(5)可前后移动；
所述相机系统(3)位于试验模型(2)下方，正对试验模型(2)的流场待拍摄区域；
所述激光片光(1)由外部光源发射至试验模型(2)侧面表面。
2.根据权利要求1所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机系统(3)包括相机罩、相机罩窗口(9)、镜头(10)、跨帧CCD相机(11)、步进电机(12)、主动传动齿轮(13-1)、被动传动齿轮(13-2)和相机垫块(14)；所述相机罩窗口板(9)、镜头(10)、跨帧CCD相机(11)、步进电机(12)、主动传动齿轮(13-1)、被动传动齿轮(13-2)和相机垫块(14)位于相机罩内；所述相机罩的顶板(15)设有圆孔，圆孔中设有相机罩窗口(9)；所述镜头(10)固定在跨帧CCD相机(11)上部，正对相机罩窗口(9)，所述相机罩窗口板(9)正对试验模型(2)的流场待拍摄区域；所述主动传动齿轮(13-1)与步进电机(12)的输出轴固定连接，所述被动传动齿轮(13-2)与镜头(10)的调节环固定连接，并与主动传动齿轮(13-1)配合实现镜头(10)的调焦和锁焦；所述跨帧CCD相机(11)通过相机垫块(14)调整高度以及固定在相机罩上。
3.根据权利要求2所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机系统(3)内部预留设备放置、散热和走线空间。
4.根据权利要求2所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机系统(3)相对试验模型(2)及流场待拍摄区域的放置位置依据避免相机系统(3)产生的激波与试验模型(2)相交原则，根据来流参数确定。
5.根据权利要求4所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机系统(3)的放置位置满足如下条件：
b<a/tanβ
其中，a为相机罩前段靠近试验模型(2)一侧的顶点距离试验模型(2)的直线距离，b为该顶点沿流向到试验模型(2)尾部的距离，β为该顶点处产生的激波的激波角。
6.根据权利要求2所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机罩窗口(9)为圆台形光学玻璃，采用45°倒边加工，形成顶面135°钝边和底部45°锐边，45°锐边处加工倒角，防止崩边。
7.根据权利要求2所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：还包括窗口固定块(16)和减震胶圈(17)；所述窗口固定块(16)为环形固定块，开有供螺栓通过的光孔，用以压住相机罩窗口(9)并与相机罩的顶板连接；所述减震胶圈(17)为O形橡胶圈，放置于窗口固定块(16)和相机罩窗口(9)之间，用于吸收风洞振动能量，防止相机罩窗口(9)碎裂。
8.根据权利要求1所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述跨帧CCD相机(11)为PI ES4020相机。
9.根据权利要求8所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述镜头(10)的通光孔径为
Figure FDA0002476501020000021
10.根据权利要求1所述的一种弱光学条件超声速风洞粒子图像采集光路系统，其特征在于：所述相机罩的展向尺寸不小于1.4倍跨帧CCD相机(11)截面尺寸；所述相机罩的流向尺寸不小于3.5倍跨帧CCD相机(11)截面尺寸；所述相机罩的法向尺寸不小于4倍跨帧CCD相机(11)截面尺寸。
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