CN112577697A - 一种超声速风洞流场多相机三维标定装置及方法 - Google Patents

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王宏伟
黄湛
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Abstract

本发明提供了一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，包括：粒子储存罐以及风洞试验段；所述粒子储存罐与所述风洞试验段之间通过高压管路连接；所述风洞试验段包括壳体、激光器以及镜组，所述镜组包括反射镜、横向半透半反镜、纵向半透半反镜；沿着所述激光器的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜和反射镜，所述反射镜的同一水平面上设置有横向半透半反镜；所述纵向半透半反镜垂直于所述壳体的侧面，所述横向半透半反镜垂直于所述壳体的顶面；两组所述半透半反镜与所述反射镜之间的夹角为90°。本发明提供的一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，很好的解决了超声速多相机标定的难题。

Description

一种超声速风洞流场多相机三维标定装置及方法
技术领域
本发明涉及航空航天试验技术领域，尤其是涉及一种超声速风洞流场多相机三维标定装置及方法。
背景技术
随着试验流体力学的发展，精确的速度测量对于理解流动机理、分析飞行器及其各部件的气动特性起到了十分重要的作用。在速度场测量当中，最重要的一步就是标定，目前普遍采用的是静态标定方法。这种方法在低速流场及单相机标定中是适用的。但是对于多相机标定获取超声速三维速度场时，静态标定方法不适用，一则多相机标定时，所有相机同流场都具有一定的角度，不再垂直于拍摄区域；二则一旦流场速度达到超声速及高超声速，此时光线在穿过流场时就会发生折射，导致在相机芯片上的成像点有一定的偏移量。
因此对于超声速流场的多相机标定，需要进行动态标定，但是又要保证标定时不能影响流场本身的流动，故不可能在风洞中放置实体进行动态标定，而目前尚未有方法能够解决该问题。
发明内容
本发明提供了一种超声速风洞流场多相机三维标定装置及方法，旨在解决背景技术中的问题。
本发明提供了一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，包括：粒子储存罐以及风洞试验段；所述粒子储存罐与所述风洞试验段之间通过高压管路连接；所述风洞试验段包括壳体、激光器以及镜组，所述镜组包括反射镜、横向半透半反镜、纵向半透半反镜；沿着所述激光器的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜和反射镜，所述反射镜的同一水平面上设置有横向半透半反镜；所述纵向半透半反镜垂直于所述壳体的侧面，所述横向半透半反镜垂直于所述壳体的顶面；两组所述半透半反镜与所述反射镜之间的夹角为90°。
进一步地，所述壳体的顶面安装有透明顶窗，所述横向半透半反镜垂直于所述透明顶窗；所述壳体的顶面安装有透明侧窗，所述纵向半透半反镜垂直于所述透明侧窗。
设置透明顶窗和透明侧窗的效果在于，横向半透半反镜和纵向半透半反镜折射后的激光能够通过透明窗户射入到风洞试验段内，为激光对粒子的照射提供条件。
进一步地，所述风洞试验段还包括相机；所述相机位于所述横向半透半反镜的上部；所述相机的数量为4个。
设置相机的效果在于，相机能够对充满粉末粒子的流场空间进行照明，并拍摄该截面位置的激光线阵图，得到最终的真实状态下的激光线阵网格节点的图像。
进一步地，所述标定装置还包括高压气源；所述高压气源与所述粒子储存罐之间通过高压管路连接。
设置高压气源的效果在于，高压气源提供高压气，在高压气的作用下，粒子随气流流向风洞试验段，而后在主流的作用下，充满整个风洞，用于后续的激光线阵的散射照明。
一种超声速风洞流场多相机三维标定方法，包括以下步骤：
(1)完成超声速风洞流场多相机三维标定装置的组装；
(2)在粒子储存罐内存固体粉末，打开高压气源，将固体粉末充满整个风洞试验段；
(3)打开激光发射器，激光发射器发射的激光依次纵向半透半反镜、反射镜以及横向半透半反镜；
(4)启动风洞达到高超声速状态，利用相机对充满粉末粒子的流场空间进行照明，并拍摄该截面位置的激光线阵图，得到最终的真实状态下的激光线阵网格节点的图像；
(5)通过图像处理获取每个激光线阵交点的像素坐标(x,y)，其中(x,y)为激光线阵网格节点在相机芯片上所成像的二维像素坐标；
(6)将激光面阵的位置沿Z轴方向依次移动若干次，采集每个位置上的激光面线阵的图像，完成整个拍摄空间的标定；
(7)给定一个物理空间位置的零点，可以得到激光线阵在实际物理空间的三维坐标(X,Y,Z)，而激光线阵交点的像素坐标(x,y)同其物理空间的坐标(X,Y,Z)满足下列标定映射函数：
F(x)＝a0+a1X+a2Y+a3Z+a4X2+a5Y2+a6XY+a7XZ+a8YZ
+a9X3+a10X2Y+a11XY2+a12X2Z+a13Y2Z+a14Y3+a15XYZ
F(y)＝b0+b1X+b2Y+b3Z+b4X2+b5Y2+b6XY+b7XZ+b8YZ
+b9X3+b10X2Y+b11XY2+b12X2Z+b13Y2Z+b14Y3+b15XYZ
其中，系数(ai,bi)是不同标定截面位置Z的标定系数。
进一步地，步骤(2)中，高压气源的供气压力不小于15MPa，供气时高压气源的压力保持稳定。
进一步地，步骤(2)中，所述固体粉末为球状颗粒且粒径小于500nm。
进一步地，步骤(3)中，所述激光器采用连续激光器，激光波长527nm，单脉冲激光能量不小于30mJ，激光束的直径2mm。
进一步地，步骤(6)中，沿Z轴方向移动距离不大于4mm。
本发明提供的一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，激光器通过反射镜、横向半透半反镜和纵向半透半反镜形成相互交错的正方形网格激光线阵，对流场进行照明，不会对流场造成任何干扰；另外，粒子储存罐储存的粒子，在风洞试验段内随着流场运动，标定时不会影响流场本身的流动；从而保证超声速多相机标定的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超声速风洞流场多相机三维标定装置的连接示意图；
图2为本发明实施例提供的风洞试验段的结构示意图。
附图标记说明：
1为风洞试验段，11为壳体，12为激光器，13为透明顶窗，14为透明侧窗，15为相机，16为纵向半透半反镜，17为反射镜，18为横向半透半反镜；
2为高压气源；3为粒子储存罐；4为高压管路；
5为虚线，6为实线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，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"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1-2所示，本发明提供了一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，包括：粒子储存罐2以及风洞试验段1；所述粒子储存罐2与所述风洞试验段1之间通过高压管路4连接；所述风洞试验段1包括壳体11、激光器12以及镜组，所述镜组包括反射镜17、横向半透半反镜18、纵向半透半反镜16；沿着所述激光器12的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜16和反射镜17，所述反射镜17的同一水平面上设置有横向半透半反镜18；所述纵向半透半反镜16垂直于所述壳体11的侧面，所述横向半透半反镜18垂直于所述壳体11的顶面；两组所述半透半反镜与所述反射镜17之间的夹角为90°。
具体而言，所述标定装置包括高压气源2、高压管路4以及粒子储存罐3，所述高压气源2通过高压管路4与所述粒子储存罐3连接，所述高压气源2提供高压气，用于将粒子吹向风洞试验段1，所述粒子储存罐3内储存固体粒子。
进一步地，所述高压气源2的供气压力不得一般不得小于15MPa，供气时高压气源2的压力保持稳定。
进一步地，粒子储存罐内3存放用于散射的固体粉末，激光线阵照射粒子上时，会发生米散射，有激光照射到的地方会产生明显的亮带，没有激光照射到的地方是黑色背景；所述粒子选取合适的流场散射粒子，使其在跟随流场运动的同时具有极强的散射性，保证散射光强能够和背景完全区分开，使得激光线阵的交点能够清晰识别，适用后续的参数计算。优选地，粉末最好为球状颗粒且粒径一般小于500nm。
粒子储存罐3通过高压管路4同风洞试验段1相连接，在高压气的作用下，粒子随气流流向风洞试验段1，而后在主流的作用下，充满整个风洞，用于后续的激光线阵的散射照明。
具体而言，所述标定装置还包括风洞试验段1，所述风洞试验段1与所述粒子储存罐3之间通过高压管路4连接，所述风洞试验段1内进行可压缩流场的多相机空间三维标定；所述风洞试验段1包括壳体11、激光器12、透明顶窗13、透明侧窗14、相机15以及镜组，所述镜组包括反射镜17、横向半透半反镜18、纵向半透半反镜16；沿着所述激光器12的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜16和反射镜17，所述反射镜17的同一水平面上设置有横向半透半反镜18，所述纵向半透半反镜16垂直于所述壳体11的侧面，所述横向半透半反镜18垂直于所述壳体11的顶面。
进一步地，所述壳体11的顶面安装有透明顶窗13，所述横向半透半反镜18垂直于所述透明顶窗13；所述壳体11的顶面安装有透明侧窗14，所述纵向半透半反镜16垂直于所述透明侧窗14。设置透明顶窗13和透明侧窗14的效果在于，横向半透半反镜18和纵向半透半反镜16折射后的激光能够通过透明窗户射入到风洞试验段1内，为激光对粒子的照射提供条件。
进一步地，所述镜组包括反射镜17、横向半透半反镜18、纵向半透半反镜16；沿着所述激光器12的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜16和反射镜17，所述反射镜17的同一水平面上设置有横向半透半反镜18；两组所述半透半反镜16与所述反射镜17之间的夹角为90°。
首先对激光器12发出的激光线进行分光和反射，形成两道互相垂直的激光线束，然后在每条光束的光路上等间隔放置半透半反镜，半透半反镜使得激光束一方面直接穿过不改变方向，另一方面发生90度偏折，形成相互交错的正方形网格激光线阵，激光线阵的交点个数不小于16个，激光线阵对流场进行照明，不会对流场造成任何干扰。
进一步地，所述风洞试验段1还包括相机15；所述相机15位于所述横向半透半反镜18的上部；所述相机15的数量为4个，每个相机15与拍摄区域的最大角度不超过60度。
设置相机15的效果在于，相机15能够对充满粉末粒子的流场空间进行照明，并拍摄该截面位置的激光线阵图，得到最终的真实状态下的激光线阵网格节点的图像。
本发明还提供了一种超声速风洞流场多相机三维标定方法，包括以下步骤：
(1)完成超声速风洞流场多相机三维标定装置的组装；
(2)在粒子储存罐内存固体粉末，打开高压气源，将固体粉末充满整个风洞试验段；
(3)打开激光发射器，激光发射器发射的激光依次纵向半透半反镜、反射镜以及横向半透半反镜；
(4)启动风洞达到高超声速状态，利用相机对充满粉末粒子的流场空间进行照明，并拍摄该截面位置的激光线阵图，得到最终的真实状态下的激光线阵网格节点的图像；
(5)通过图像处理获取每个激光线阵交点的像素坐标(x,y)，其中(x,y)为激光线阵网格节点在相机芯片上所成像的二维像素坐标；
(6)将激光面阵的位置沿Z轴方向依次移动若干次，采集每个位置上的激光面线阵的图像，完成整个拍摄空间的标定；
(7)给定一个物理空间位置的零点，可以得到激光线阵在实际物理空间的三维坐标(X,Y,Z)，而激光线阵交点的像素坐标(x,y)同其物理空间的坐标(X,Y,Z)满足下列标定映射函数：
F(x)＝a0+a1X+a2Y+a3Z+a4X2+a5Y2+a6XY+a7XZ+a8YZ
+a9X3+a10X2Y+a11XY2+a12X2Z+a13Y2Z+a14Y3+a15XYZ
F(y)＝b0+b1X+b2Y+b3Z+b4X2+b5Y2+b6XY+b7XZ+b8YZ
+b9X3+b10X2Y+b11XY2+b12X2Z+b13Y2Z+b14Y3+b15XYZ
其中，系数(ai,bi)是不同标定截面位置Z的标定系数。
进一步地，步骤(1)中，所述高压气源2通过高压管路4与所述粒子储存罐3连通，所述粒子储存罐3通过高压管路4与所述风洞试验段1连通；通过将高压气源2、粒子储存罐3、风洞试验段1联通，以用于将固体粒子送入风洞试验段1中。
进一步地，步骤(2)中，高压气源2的供气压力不小于15MPa，供气时高压气源2的压力保持稳定；所述固体粉末为球状颗粒且粒径小于500nm。
进一步地，步骤(3)中，所述激光器12采用连续激光器，激光波长527nm，单脉冲激光能量不小于30mJ，激光束的直径2mm。
进一步地，步骤(4)中，虚线5为静态标定时的激光点阵，而实线6表示超声速风洞流场运行状态下的激光线阵，由于流场密度的变化，光线发生了偏折。
进一步地，步骤(5)中，坐标的参照原点选取不受限制。
进一步地，步骤(6)中，沿Z轴方向移动距离不大于4mm。
进一步地，步骤(7)中，系数(ai,bi)是不同标定截面位置Z的标定系数。因此只需要有足够的标定点，通过求解该方程组即可获得不同Z标定截面位置上的高精度的系数ai和bi，从而得到标定映射函数，获取图像像素坐标同实际物理空间之间最真实的对应关系。
进一步地，开展某次实验测量，采用本发明所提方法进行了多相机的标定，以Z＝0位置为例，采用传统标定方式得到的映射函数关系式为：
F(x)＝1.1619×103+28.963X+0.5948Y+0.33X2-0.0021Y2+3.33×10-4XY-
6.9362×10-6X3+3.2686×10-6X2Y-6.1078×10-6XY2+4.4276×10-7Y3
F(y)＝1.0808×103+0.3268X-29.1385Y+1.3458×10-4X2-0.0032Y2+0.002XY-
5.77×10-7X3-4.0859×10-6X2Y-6.45×10-6XY2+1.1831×10-7Y3
采用本发明的方法之后，得到的Z＝0位置的函数关系式为：
F(x)＝1.17×103+27.63X+0.5908Y+0.326X2-0.002Y2+3.13×10-4XY-
5.92×10-6X3+3.55×10-6X2Y-6.03×10-6XY2+4.8×10-7Y3
F(y)＝1.083×103+0.305X-30.45Y+1.26×10-4X2-0.003Y2+0.0023XY-
5.457×10-7X3-4.0259×10-6X2Y-6.404×10-6XY2+1.09×10-7Y3
最终通过该标定函数关系式得到的速度分布的精度比之传统方法的精度高1.5％，说明本发明提供的标定方法的有效性。
因此，本发明提供的一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，激光器通过反射镜、横向半透半反镜和纵向半透半反镜形成相互交错的正方形网格激光线阵，对流场进行照明，不会对流场造成任何干扰；另外，粒子储存罐储存的粒子，在风洞试验段内随着流场运动，标定时不会影响流场本身的流动；从而保证超声速多相机标定的难题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种超声速风洞流场多相机三维标定装置，其特征在于，包括：粒子储存罐以及风洞试验段；
所述粒子储存罐与所述风洞试验段之间通过高压管路连接；
所述风洞试验段包括壳体、激光器以及镜组，所述镜组包括反射镜、横向半透半反镜、纵向半透半反镜；
沿着所述激光器的发射方向，依次设置有纵向半透半反镜和反射镜，所述反射镜的同一水平面上设置有横向半透半反镜；
所述纵向半透半反镜垂直于所述壳体的侧面，所述横向半透半反镜垂直于所述壳体的顶面；
两组所述半透半反镜与所述反射镜之间的夹角为90°。
2.根据权利要求1所述的超声速风洞流场多相机三维标定装置，其特征在于，所述壳体的顶面安装有透明顶窗，所述横向半透半反镜垂直于所述透明顶窗；
所述壳体的顶面安装有透明侧窗，所述纵向半透半反镜垂直于所述透明侧窗。
3.根据权利要求1所述的超声速风洞流场多相机三维标定装置，其特征在于，所述风洞试验段还包括相机；
所述相机位于所述横向半透半反镜的上部；
所述相机的数量为4个。
4.根据权利要求1所述的超声速风洞流场多相机三维标定装置，其特征在于，所述标定装置还包括高压气源；
所述高压气源与所述粒子储存罐之间通过高压管路连接。
5.一种超声速风洞流场多相机三维标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)完成超声速风洞流场多相机三维标定装置的组装；
(2)在粒子储存罐内存固体粉末，打开高压气源，将固体粉末充满整个风洞试验段；
(3)打开激光发射器，激光发射器发射的激光依次纵向半透半反镜、反射镜以及横向半透半反镜；
(4)启动风洞达到高超声速状态，利用相机对充满粉末粒子的流场空间进行照明，并拍摄该截面位置的激光线阵图，得到最终的真实状态下的激光线阵网格节点的图像；
(5)通过图像处理获取每个激光线阵交点的像素坐标(x,y)，其中(x,y)为激光线阵网格节点在相机芯片上所成像的二维像素坐标；
(6)将激光面阵的位置沿Z轴方向依次移动若干次，采集每个位置上的激光面线阵的图像，完成整个拍摄空间的标定；
(7)给定一个物理空间位置的零点，可以得到激光线阵在实际物理空间的三维坐标(X,Y,Z)，而激光线阵交点的像素坐标(x,y)同其物理空间的坐标(X,Y,Z)满足下列标定映射函数：
F(x)＝a0+a1X+a2Y+a3Z+a4X2+a5Y2+a6XY+a7XZ+a8YZ+a9X3+a10X2Y+a11XY2+a12X2Z+a13Y2Z+a14Y3+a15XYZ
F(y)＝b0+b1X+b2Y+b3Z+b4X2+b5Y2+b6XY+b7XZ+b8YZ+b9X3+b10X2Y+b11XY2+b12X2Z+b13Y2Z+b14Y3+b15XYZ
系数(ai,bi)是不同标定截面位置Z的标定系数。
6.根据权利要求5所述的超声速风洞流场多相机三维标定方法，其特征在于，步骤(2)中，高压气源的供气压力不小于15MPa，供气时高压气源的压力保持稳定。
7.根据权利要求5所述的超声速风洞流场多相机三维标定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述固体粉末为球状颗粒且粒径小于500nm。
8.根据权利要求5所述的超声速风洞流场多相机三维标定方法，其特征在于，步骤(3)中，所述激光器采用连续激光器，激光波长527nm，单脉冲激光能量不小于30mJ，激光束的直径2mm。
9.根据权利要求5所述的超声速风洞流场多相机三维标定方法，其特征在于，步骤(6)中，沿Z轴方向移动距离不大于4mm。
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