CN112903236A - 一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法，装置包括计算机，喷涂于待测试实验件表面的气动参数测量涂层，用以照射待测试实验件表面的激发光源，用以对待测试实验件表面进行对焦的定焦镜头，用以控制定焦镜头进行焦平面扫描的焦平面扫描执行与控制装置，以及用以收集并处理所述气动参数测量涂层的受激发光的光学信号处理单元，测试时，将待测表面喷涂有气动参数测量涂层的待测试实验件置于待测流场中，激发光源发出的光照射在气动参数测量涂层上，光学信号处理单元收集并处理涂层的受激发光，获取实验件的表面温度。与现有技术相比，本发明具有提高气动热力参数测量的信噪比、扩展光学测量景深，测量结果更佳等优点。

Description

一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法

技术领域

本发明涉及气动力学及流体力学测试技术领域，尤其是涉及一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法。

背景技术

气动热力参数光学测试技术将材料科学，空气动力学与光学结合，其基本原理是利用涂层材料在激发光的照射下产生的光致发光受当地气动热力参数影响的现象，建立起受激发光光强与气动热力参数的定量关系。通过相机采集涂层的光致发光信号，实现被测表面气动热力参数非侵入式、高分辨率的定量面测量。

目前，包括压敏漆(Pressure-Sensitive Paint，PSP)，温敏漆(Temperature-Sensitive Paint，TSP)，磷光测温涂层(Thermographic Phosphor，TP)等气动热力参数光学测试技术已经被广泛运用在国内外的各类研究中。研究结果表明气动热力参数光学测试技术进行表面全场测量相对于传统测试技术有显著的优势。

现有的气动热力参数光学测试技术在进行数据采集时使用的都是连接有定焦镜头的科学相机。基于这种设备的图像采集方式具有一些共性的缺陷：

1、风洞和实验件要求计算机图像处理器有较高景深。一方面在进行光学测量时要求风洞表面有一个或多个光学窗口，以通过激发光源与光致发光信号。由于风洞的外形复杂，高速风洞的壁面所受的气动载荷较大，光学窗口的布置和大小常常受到限制，从而限制了计算机图像处理器收集信号的角度。另一方面，实验件模型表面常常是复杂曲面，这要求计算机图像处理器有较大的景深。

2、现有的激发光源基本是点光源阵列的形式，这种光源发射的光会使得在复杂曲面表面不同位置的涂层接收到不同的激发光光强，导致光致发光信号强弱差距较大。为了在全表面上均获得较高的信噪比，则需要增加镜头的光圈大小。然而大光圈又使得景深较低。

在现行的测量过程中，使用者通常只能增大激发光光强并折中对焦于中间景深。对于一些涂层，较强的激发光光强将会使待测表面上靠近焦平面的点将会成清晰的像，而待测表面上远离焦平面的点则会在成像单元(CCD，CMOS阵列)上表现为模糊的斑块。实际上使得计算机图像处理器中的每个像素点都对应模型表面的多个点，这使得在这些位置上气动热力参数的测量精度大大下降。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，该装置包括计算机，喷涂于待测试实验件表面的气动参数测量涂层，用以照射待测试实验件表面的激发光源，用以对待测试实验件表面进行对焦的定焦镜头，用以控制定焦镜头进行焦平面扫描的焦平面扫描执行与控制装置，以及用以收集并处理所述气动参数测量涂层的受激发光的光学信号处理单元，测试时，将待测表面喷涂有气动参数测量涂层的待测试实验件置于待测流场中，激发光源发出的光照射在气动参数测量涂层上，光学信号处理单元收集并处理涂层的受激发光，获取实验件的表面温度。

所述光学信号处理单元包括用以收集指定波长发射光的滤光镜，位于滤光镜后方的用以进行焦平面信号采集的科学相机，以及与科学相机连接的计算机图像处理器。

所述焦平面扫描执行与控制装置包括设于定焦镜头表面并可转动的齿环，驱动齿环转动的伺服电机，与伺服电机连接的编码器，与伺服电机、科学相机分别连接的信号发生器，以及与计算机连接的微型控制单元，所述微型控制单元与伺服电机、编码器分别连接。

进一步地，所述焦平面扫描执行与控制装置还包括与伺服电机连接的齿轮箱减速装置，所述齿轮箱减速装置与所述齿环啮合。

进一步地，所述滤光镜为由涂料光致发光发射峰决定的高通或带通滤光镜。

进一步地，本发明装置还包括用以发出控制信号至焦平面扫描执行与控制装置的信号系统。

一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试方法，该方法具体包括如下步骤：

S1：将气动参数测量涂层均匀喷涂在待测试实验件表面。

S2：开启激发光源，照射气动参数测量涂层，使其中的发光分子被激发。

S3：采用与计算机图像处理器相连的科学相机通过滤光镜进行拍摄，控制焦平面扫描执行与控制装置调节焦平面位置，确定焦平面的最近端和最远端。

S4：根据输入的焦平面的最近端与最远端位置，焦平面扫描执行与控制装置按照信号发生器同步的时序，控制科学相机进行拍摄，在科学相机每一帧曝光结束后自动控制焦平面扫描执行与控制装置进行焦平面的调整，获取从最近端到最远端的大景深图片序列。

S5：根据预先已知的焦平面位置与编码器信号的关系，对图片序列进行后处理，挑选合焦区域进行合成与计算，得到高空间分辨率的气动热力参数面分布后，结合编码器记录的焦平面的位置，图像中的特征点位与模型及其上加工的特征点位本身三维坐标进行三维数据重构。具体地：

预先利用光学标定平板/光具座的组合确定焦平面的位置与编码器角度信号间的定量关系，在测量过程中，通过记录每一帧的编码器数据获得该处焦平面位置，在进行图像三维重构时，通过合焦区域的识别、焦平面的位置以及采用特征点像素坐标和三维坐标得到的相机相对于实验件的位姿，进行合焦区域的优选及三维数据的重构。具体过程为：首先识别拍摄图像所有的合焦区域，将其配准合成为同一张图片，识别该图片中的特征点像素坐标，采用共线方程计算相机的外参矩阵，根据该外参矩阵得到的像素点对应的空间位置和拍摄时记录的编码器信息，即焦平面位置确定像素点是否在预先标定的焦平面范围内，从而据此调整合焦区域的选择范围；通过多次迭代后收敛，完成合焦区域的优选。完成合焦区域的优选后，利用共线方程将二维图像数据重构为三维点云数据。

进一步地，采用评价函数对图片序列中的每一张图片进行评价，选取处理后数值高于给定阈值的像素点识别为合焦区域。

本发明提供的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置及方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

(1)设备操作方便，改装简单，可以有效适应各类镜头和科学相机，设备体积小，改装成本低，有利于科研人员使用已有的测量设备扩展测量范围，提高气动测量的测量能力；

(2)测试系统带有反馈功能，对于每种科学相机与镜头的组合，只需进行一次焦平面位置的标定，即可根据高精度编码器的反馈信号自动判断焦平面位置，结合实验件表面的标记物，特征点和三维模型即可进行高精度的三维重构，方便了科研测试人员对测量参数进行后处理；

(3)每次测量前只需给定扫描的最远端和最近端，并确定光学系统的采样帧数，系统即可按照给定的时序自动进行扫描，方便了科研测试人员的操作；由于采用了焦平面扫描技术，研究人员可以减少对于小景深的担忧，可以允许增加光学系统进光量，获得更高的测量信噪比；同时能够适应各种不同的拍摄角度，能够适用于各种不同类型的风洞与实验件的组合，有利于科研人员利用已有的风洞与实验件，在较小的改动下获得更好的测量结果。

附图说明

图1为实施例中基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置的结构示意图；

图2为实施例中基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置的焦平面扫描示意图；

图中标号所示：

1、待测模型，2、激发光光源，3、滤光镜，4、定焦镜头，5、科学级CCD相机，6、焦平面扫描执行与控制装置，61、齿环，62、齿轮箱减速装置，63、伺服电机，64、焦平面扫描控制器，7、不同景深处焦平面的位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，该装置基于磷光温敏涂层和焦平面扫描法实现，具体包括待测模型1、激发光源2、滤光镜3、定焦镜头4、科学相机、焦平面扫描执行与控制装置6、信号系统、计算机及计算机图像处理器。科学相机可采用CCD相机或CMOS相机等高速科学相机。在本实施例中，以科学级CCD相机5为例进行说明。

信号系统与焦平面扫描执行与控制装置6连接，用于发出控制信号至焦平面扫描执行与控制装置6。计算机与焦平面扫描执行与控制装置6连接，用于接收焦平面扫描执行与控制装置6反馈的焦平面位置信号。计算机图像处理器与科学级CCD相机5连接，用于接收科学级CCD相机5捕获的图像后进行处理。待测模型1为全表面均匀喷涂有磷光温敏涂层的高压涡轮动叶实验件。激发光源2用于照射待测模型1。科学级相机5设有定焦镜头4。定焦镜头4上安装滤光镜3。定焦镜头4的外壁上设置焦平面扫描执行与控制装置6。

焦平面扫描执行与控制装置6包括固定于齿环61、齿轮箱减速装置62、伺服电机63、焦平面扫描控制器64、信号发生器和微型控制单元。齿环61套设在定焦镜头4的外壁上，齿轮箱减速装置62与齿环61啮合，伺服电机63与齿轮箱减速装置62连接，焦平面扫描控制器64连接伺服电机63，焦平面扫描控制器64内设有编码器，该编码器与伺服电机63连接，用于记录伺服电机63转动的绝对角度。信号发生器与伺服电机63和科学级CCD相机5分别连接，微型控制单元连接计算机，并与齿轮箱减速装置62、伺服电机63、焦平面扫描控制器64分别连接。信号发生器用于为磷光测温测试系统给出特定的时序。

焦平面扫描的示意图如图2所示，测试时，将待测模型1放置在待测流场中，待测模型1待测表面均匀喷涂有磷光温敏涂层。本实施例中，流场中设有涡轮叶栅测温装置，该装置在工作状态下，先将完成涂层喷涂的待测模型1固定于待测叶栅风洞中，启动压气机和加热器，产生恒定流速与温度的高温主流，冷气机产生低温次流，向待测模型1中通入恒定温度的冷气流，即产生了待测流场与温度场。在流场中的待测模型1的表面的温度会产生差异。其中，涡轮叶栅风洞为高温跨声速叶栅，主体由304不锈钢加工而成，风洞主体内外表面为复杂的曲面。本实施例的待测模型1为带有多排气膜孔的航空发动机高压涡轮动叶实验件，待测模型1由螺栓固定于涡轮叶栅风洞中，涡轮叶栅风洞内气流温度为550摄氏度，出口马赫数为1.0。

在本实施例中，作为优选方案，滤光镜3为由涂料光致发光发射峰决定的高通或带通滤光镜。

启动激发光源2，其发出的光照射喷涂涂层的待测模型1，待测模型1的涂层中的磷光分子会受到激发，由于不同位置的温度不同导致磷光寿命不同，磷光分子会发生不同程度的热猝灭，从而发射出强度不同的发射光。通过滤光镜3滤去发射光与背景干扰之后，被滤光镜3和定焦镜头4成像，进入科学级CCD相机5被拍摄下来。

实验中首先确定焦平面最近和最远端，发出指令后是磷光测温测试系统按照给定的时序控制科学级CCD相机5进行信号采集，在科学级CCD相机5每一帧曝光结束后自动控制焦平面扫描执行与控制装置6进行焦平面的调整，进行焦平面扫描，以获得从最近端到最远端的大景深图片序列。调整的具体内容为：

定焦镜头4上的齿环61被固定于其上的伺服电机63通过齿轮箱减速装置62驱动旋转，不断调整焦平面位置，按照给定的时序与科学级CCD相机5同步进行焦平面扫描，焦平面扫描控制器64通过其中的编码器记录伺服电机63转动的绝对角度，结合前期标定信息确定焦平面位置，并向计算机反馈焦平面位置信号。前期标定信息可以根据光学标定平板(如方格板)和光具座的组合，定量地测量编码器记录的角度信息和焦平面位置信息的关系。

控制系统完成给定帧数的焦平面扫描后，通过计算机图像处理器根据提前已知的焦平面位置与编码器信号的关系，对图像进行后处理，挑选合焦区域进行合成与计算，得到高空间分辨率的实验件表面温度分布。具体实现方式是通过对图片使用高斯-拉普拉斯算子等清晰度评价函数，选取处理后数值高于给定阈值的像素点识别为合焦区域。此部分技术为现有技术，在此不过多赘述。结合编码器记录的焦平面的位置，图像中的特征点位与模型及其上加工的特征点位本身三维坐标进行三维数据的重构，测试完成。其主要工作原理在于：

因利用光学标定平板/光具座的组合确定了焦平面的位置与编码器角度信号间的定量关系，则在测量过程中可以通过记录每一帧的编码器数据获得该处焦平面位置。在进行图像三维重构的时候，同时使用以下三种信息：1、合焦区域的识别(高斯-拉普拉斯滤波)，2、焦平面的位置，3、使用特征点像素坐标和三维坐标(CAD软件中获得)得到的相机相对于实验件的位姿，进而更好的进行合焦区域的选择(利用1、2中的信息)与三维数据的重构。具体过程为：

首先识别拍摄图像所有的合焦区域，将其配准合成为同一张图片。识别这张图片中的特征点像素坐标，使用共线方程计算相机的外参矩阵(相机相对于实验件的位姿)。根据外参矩阵得到的像素点对应的空间位置和拍摄时记录的编码器信息(焦平面位置)可以确定像素点是否在预先标定的焦平面范围内，从而据此调整合焦区域的选择范围，多次迭代后收敛，完成合焦区域的选择，利用共线方程将二维图像数据重构为三维点云数据。

本发明系统可用于测量各种不同流场温度和速度环境下的各种形状的待测涡轮叶片模型下的全场温度分布，并结合实验件表面的标记物，特征点和三维模型即可进行高精度的三维重构。

本实施例另一方面还提供一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、将气动参数测量涂层均匀喷涂在待测模型(高压涡轮动叶实验件)表面，并将待测模型固定在待测流场(高温跨声速叶栅风洞)中。

步骤二、将滤光镜安装于科学级CCD相机的定焦镜头前的合适位置，连接信号系统与焦平面扫描执行与控制装置，连接科学级CCD相机和计算机图像处理器，开启上述设备的电源。

步骤三、开启压气机(或使用其他驱动叶栅内部流动的方式)，在待测流场(叶栅)中产生恒定流速与温度的空气流，开启叶栅冷却空气供应，使得待测模型各部位的温度不同。

步骤四、打开激发光源，光源按照给定的时序，照射涂层使其中的发光分子被激发。由于温度不同，涂层内磷光发光分子的寿命不同，将发生不同光强的磷光信号。

步骤五、使用与计算机图像处理器相连的科学级CCD相机通过滤光镜进行拍摄，控制焦平面扫描执行与控制装置的齿轮箱减速装置、伺服电机调节焦平面位置，确定焦平面最近和最远端。

步骤六、根据输入的焦平面最近端与最远端位置，焦平面扫描执行与控制装置按照信号发生器同步的时序，控制科学级CCD相机进行拍摄。在科学级CCD相机每一帧曝光结束后自动控制焦平面扫描执行与控制装置进行焦平面的调整，以获得从最近端到最远端的大景深图片序列。

步骤七、根据提前已知的焦平面位置与编码器信号的关系，对图像进行后处理，挑选合焦区域进行合成与计算，得到高空间分辨率的实验件表面温度分布。结合编码器记录的焦平面的位置，图像中的特征点位与模型及其上加工的特征点位本身三维坐标，利用共线方程将二维图像数据重构为三维点云数据，测试完成。

其中，挑选合焦区域采用以下方法：首先识别拍摄图像所有的合焦区域，将其配准合成为同一张图片。识别这张图片中的特征点像素坐标，使用共线方程计算相机的外参矩阵(相机相对于实验件的位姿)。根据外参矩阵得到的像素点对应的空间位置和拍摄时记录的编码器信息(焦平面位置)可以确定像素点是否在预先标定的焦平面范围内，从而据此调整合焦区域的选择范围，多次迭代后收敛，完成合焦区域的选择。

本发明适用于测量不同流场环境下的不同形状的待测模型下大景深的三维全表面气动热力参数分布。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，包括计算机，喷涂于待测试实验件表面的气动参数测量涂层，用以照射待测试实验件表面的激发光源，用以对待测试实验件表面进行对焦的定焦镜头，用以控制定焦镜头进行焦平面扫描的焦平面扫描执行与控制装置，以及用以收集并处理所述气动参数测量涂层的受激发光的光学信号处理单元，测试时，将待测表面喷涂有气动参数测量涂层的待测试实验件置于待测流场中，激发光源发出的光照射在气动参数测量涂层上，光学信号处理单元收集并处理涂层的受激发光，获取实验件的表面温度。

2.根据权利要求1所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，所述光学信号处理单元包括用以收集指定波长发射光的滤光镜，位于滤光镜后方的用以进行焦平面信号采集的科学相机，以及与科学相机连接的计算机图像处理器。

3.根据权利要求2所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，所述焦平面扫描执行与控制装置包括设于定焦镜头表面并可转动的齿环，驱动齿环转动的伺服电机，与伺服电机连接的编码器，与伺服电机、科学相机分别连接的信号发生器，以及与计算机连接的微型控制单元，所述微型控制单元与伺服电机、编码器分别连接。

4.根据权利要求3所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，所述焦平面扫描执行与控制装置还包括与伺服电机连接的齿轮箱减速装置，所述齿轮箱减速装置与所述齿环啮合。

5.根据权利要求2所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，所述滤光镜为由涂料光致发光发射峰决定的高通或带通滤光镜。

6.根据权利要求1所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置，其特征在于，该装置还包括用以发出控制信号至焦平面扫描执行与控制装置的信号系统。

7.一种应用如权利要求1～6任一项所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试装置的测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将气动参数测量涂层均匀喷涂在待测试实验件表面；

2)开启激发光源，照射气动参数测量涂层，使其中的发光分子被激发；

3)采用与计算机图像处理器相连的科学相机通过滤光镜进行拍摄，控制焦平面扫描执行与控制装置调节焦平面位置，确定焦平面的最近端和最远端；

4)根据输入的焦平面的最近端与最远端位置，焦平面扫描执行与控制装置按照信号发生器同步的时序，控制科学相机进行拍摄，在科学相机每一帧曝光结束后自动控制焦平面扫描执行与控制装置进行焦平面的调整，获取从最近端到最远端的大景深图片序列；

5)根据预先已知的焦平面位置与编码器信号的关系，对图片序列进行后处理，挑选合焦区域进行合成与计算，得到高空间分辨率的气动热力参数面分布后，结合编码器记录的焦平面的位置，图像中的特征点位与模型及其上加工的特征点位本身三维坐标进行三维数据重构。

8.根据权利要求7所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试方法，其特征在于，步骤5)中，使用评价函数对图片序列中的每一张图片进行评价，选取处理后数值高于给定阈值的像素点识别为合焦区域。

9.根据权利要求7所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试方法，其特征在于，步骤5)的具体内容为：

预先利用光学标定平板/光具座的组合确定焦平面的位置与编码器角度信号间的定量关系，在测量过程中，通过记录每一帧的编码器数据获得该处焦平面位置，在进行图像三维重构时，通过合焦区域的识别、焦平面的位置以及采用特征点像素坐标和三维坐标得到的相机相对于实验件的位姿，进行合焦区域的优选及三维数据的重构。

10.根据权利要求9所述的基于焦平面扫描的气动热力参数光学测试方法，其特征在于，进行合焦区域的优选的具体内容为：

识别拍摄图像所有的合焦区域，将其配准合成为同一张图片，识别该图片中的特征点像素坐标，采用共线方程计算相机的外参矩阵，根据该外参矩阵得到的像素点对应的空间位置和拍摄时记录的编码器信息，即焦平面位置确定像素点是否在预先标定的焦平面范围内，从而据此调整合焦区域的选择范围；通过多次迭代后收敛，完成合焦区域的优选。

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