CN113155399A - 高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，应用于风洞试验或飞行试验，所述方法包括：在待测飞行器表面依次喷涂压敏漆白色底漆涂层、DIC黑色散斑和半透明的压敏漆面漆涂层；设置试验状态参数，进行试验；设置试验状态参数；通过待测飞行器周围设置的光源，激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子，并通过压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；同时通过DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量；对采集的压敏漆面漆涂层图像和DIC黑色散斑图像进行处理，获得待测飞行器的表面压力与变形三维连续分布数据。

Description

高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法

技术领域

本发明涉及航空航天工业空气动力学技术领域，尤其涉及高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法。

背景技术

随着飞行器速度的不断提升以及新型智能复合材料的应用，在高温、高速、轻薄结构的飞行环境下，飞行器的结构场和空气动力流场会产生较为严重的流固耦合问题，也就是“气弹问题”。具体来讲就是，在高速飞行状态下，飞行器的结构外形受到高速绕流场作用，改变了飞行器的结构外形，而改变后的结构外形也会反过来影响绕流流场，这种流固耦合现象易导致飞行器出现震颤、操作面反转等现象，严重制约了高速飞行器的研发。

同时测量高速飞行器绕流流动结构与结构变形响应对研究高速飞行器流固耦合问题具有十分重要的意义。数字图像相关方法(Digital Image Correlation，DIC)作为一种新的非接触式的光学测量方法，自二十世纪八十年代提出至今，得到了飞速发展。因其具有精度高、非接触、环境适应能力强、可实现三维连续分布测量等诸多优点，已成为光测力学研究领域最为活跃的测量方法，并被广泛应用到了航空航天飞行器高精度微变形测量试验及高温、生物、微观、新型材料检测等其它科研领域。DIC变形测量技术首先依据双目视觉原理，通过标定确定相机的内外参数，建立统一的世界坐标系；之后采集变形前后的图像，根据数字图像相关原理进行变形前后图像的匹配；匹配成功后再次依据变形前后图像中各个点的坐标差值，计算中各点的位移量，进而求得被测表面三维连续的变形分布。

压敏漆(Pressure Sensitive Paint，PSP)光学测压试验技术是二十世纪八十年代后发展起来，并应用于风洞模型表面压力测量的非接触测量技术。它是利用光致发光材料对压力敏感的光物理特性来实现模型表面的压力测量，可在接近传统压力测量精度的前提下，获得测量表面全域的压力分布，且准备过程也相对简便。目前，PSP光学测压技术已广泛应用到国内外风洞试验与飞行试验中。

国外一些学者在弹性壁面激波边界层干扰的流固耦合机理研究中尝试利用DIC与PSP测量技术同步测量弹性壁面压力与变形三维连续分布。该方法在弹性壁面一侧喷涂动态PSP涂料，利用快响应PSP技术测量弹性壁面三维连续非定常压力变化；在弹性壁面另一侧，喷涂DIC背景散斑，利用DIC技术测量弹性壁面三维连续非定常变形分布。获得的试验结果对于验证数值模拟方法、研究流固耦合机理、发展流动控制技术具有十分重要的意义。但是，上述方法只能应用在安装于风洞壁面的弹性平板模型。对于大多数风洞试验与飞行试验，因为光路的限制，只能分开喷涂DIC散斑与PSP涂料，无法同时进行DIC与PSP测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法。

为了实现上述目的，本发明提出了高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，应用于风洞试验或飞行试验，所述方法包括：

在待测飞行器表面依次喷涂压敏漆白色底漆涂层、DIC黑色散斑和半透明的压敏漆面漆涂层；

设置试验状态参数；

通过待测飞行器周围设置的光源，激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子，并通过压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；同时通过DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量；

对采集的压敏漆面漆涂层图像和DIC黑色散斑图像进行处理，获得待测飞行器的表面压力与变形三维连续分布数据。

作为上述方法的一种改进，所述光源的入射光谱与压敏漆的激发光谱匹配。

作为上述方法的一种改进，所述压敏漆白色底漆涂层的厚度在20μm以内。

作为上述方法的一种改进，所述DIC黑色散斑的尺寸与DIC变形测量技术专用相机的分辨率匹配。

作为上述方法的一种改进，所述压敏漆面漆为无添加染色剂的压敏漆，并且压敏漆面漆涂层的厚度在40μm以内；所述压敏漆白色底漆涂层、DIC黑色散斑和半透明的压敏漆面漆涂层的总厚度在60μm以内。

作为上述方法的一种改进，所述压敏漆测量技术专用相机的镜头前加装允许透过设定波长的滤光片。

作为上述方法的一种改进，所述设置试验状态参数；具体包括：

当进行风洞试验时，设置风洞来流速度、飞行器攻角和侧滑角；

当进行飞行试验时，设置飞行器攻角、侧滑角和飞行器速度。

作为上述方法的一种改进，所述通过待测飞行器周围设置的光源，激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子，并通过压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；同时通过DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量；具体为：

由同步触发控制器向待测飞行器周围设置的光源发送第一触发信号以触发光源工作，由光源激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子；

经过设定时间后，由同步触发控制器向压敏漆测量技术专用相机和DIC变形测量技术专用相机同时发送第二触发信号，以触发两类相机工作；

由压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；由DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括由压敏漆测量技术专用相机采集无风状态图像。

作为上述方法的一种改进，所述对压敏漆面漆涂层图像和DIC黑色散斑图像进行处理，获得待测飞行器的表面压力与变形三维连续分布数据；具体为：

采用基于直方图均衡化的图像增强算法对DIC黑色散斑图像进行预处理，再通过图像互相关算法进行图像处理，获得待测飞行器的变形三维连续分布数据；

通过对压敏漆面漆涂层图像与无风状态图像求比值的方式消除光源的入射光强度与压敏漆面漆涂层发光不均匀产生的误差；

对误差消除后的压敏漆面漆涂层图像经图像配准、涂料校准、压力数据转换以及三维重构处理，得到三维压力分布数据。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明改进优化了现有压敏漆涂料配方，通过去除染色剂等方法提高压敏漆面漆涂层的透明度，从而实现PSP涂层与DIC散斑涂层的有效融合；

2、本发明通过计算机视觉图像对比度增强算法提高DIC图像散斑提取及图像互相关计算精度，从而提高变形测量结果的精准度；

3、本发明提供的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，可以在流固耦合试验研究中同时获得压力与变形三维连续分步，大幅提高了试验效率，对飞行器流固耦合领域关键科学问题研究具有一定促进作用；

4、本发明可以在一次试验中同时获得压力与变形三维连续分步数据，有助于流固耦合关键科学问题机理研究，提高试验效率。

附图说明

图1是本发明的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法。首先喷涂PSP白色底漆，然后喷涂DIC黑色散斑，最后喷涂PSP面漆，通过融合PSP压敏涂层与DIC散斑从而实现飞行器表面压力与变形三维连续分布的同步测量。具体而言，主要包括以下步骤：

用细砂纸打磨、抛光被测物体表面有缺陷区域，利用丙酮或者工业酒精将表面清洗擦拭干净；在被测物体表面喷涂PSP白色底漆，增强涂层粘附性、DIC黑色散斑对比度以及PSP面漆发光反射效率，从而提高DIC与PSP测量系统信噪比；喷涂DIC黑色散斑，根据DIC相机分辨率控制散斑点尺寸；喷涂PSP面漆，面漆中不额外添加染色剂，使面漆涂层呈现半透明状，从而提高DIC黑色散斑对比度；这是本发明的核心创新点，常规面漆一般呈粉红色，是非透明的，无法融合PSP涂层与DIC散斑涂层，进行压力与变形同步测量。本发明创造性的提出了通过先后喷涂PSP白色底漆，DIC黑色散斑，以及改进后的半透明PSP面漆，通过融合PSP压敏涂层与DIC散斑从而实现飞行器表面压力与变形三维连续分布的同步测量。安装DIC与PSP光源、相机、镜头、滤光片、数据传输与存储等测量系统，DIC与PSP均使用PSP专用的特定频谱光源；进行风洞试验或飞行试验，通过同步触发控制器实现DIC与PSP图像的同时采集，从而同步获得飞行器表面压力与变形三维连续分布数据。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，应用于风洞试验。具体为某大型运输机气动弹性模型跨声速风洞表面压力与变形分布测量试验，通过本发明提出的方法，同步测量模型表面压力与变形的三维连续分布，具体过程如下：

a.用细砂纸打磨、抛光模型表面有缺陷区域，利用丙酮或者工业酒精将模型表面清洗擦拭干净。

喷涂前，仔细检查模型表面有无凹坑、毛刺或其他缺陷，采用800目以上的细砂纸打磨、抛光有缺陷区域，用腻子或原子灰封堵凹坑。处理完毕后，用丙酮或者工业酒精模型表面清洗擦拭干净。

b.在模型表面喷涂PSP白色底漆，增强涂层粘附性、DIC黑色散斑对比度以及PSP面漆发光反射效率，从而提高DIC与PSP测量系统信噪比。

利用成熟PSP底漆配方，配制PSP白色底漆溶液，在模型表面喷涂PSP白色底漆。对于面积较大的模型表面的涂料喷涂，需要操作者有较高的喷涂技能，并配备超声波高频振荡仪、涂层测厚仪和粗糙度测试仪等仪器设备，保证涂料各组分混合充分，喷涂厚度和表面粗糙度尽可能均匀一致。为了减小涂层厚度对模型外形的影响，底漆涂层厚度一般应控制在20μm以内。

c.喷涂DIC黑色散斑，根据DIC相机分辨率控制散斑点尺寸。

散斑质量直接影响DIC测量的精度，在模型表面制作出高质量的散斑是DIC测量的重中之重。散斑一般要具有较高的对比度，散斑中明暗斑点的亮度差异越大，DIC图像后处理软件就越容易识别出散斑像素点，从而可以提高测量精准度。同时，散斑须具有非重复性，即散斑形状要具有特征性，所以喷涂散斑时最好选用随机喷涂的方式。最后，应严控控制散斑尺寸适，散斑尺寸太大会导致选定子区被大散斑完全覆盖，系统无法捕捉特征点，散斑太小导致相机的分辨率不足而不能呈现清晰的图像，也会影响分析结果。需要指出的是，提高相机分辨率可以提高DIC变形测量的分辨率，从而提高测试的精准度。

d.喷涂PSP面漆，面漆中不额外添加染色剂，使面漆涂层呈现半透明状，从而提高DIC黑色散斑对比度。

在PSP白色底漆与DIC黑色随机散斑的基础上喷涂PSP面漆。工程上，为了判断PSP面漆喷涂的均匀性与质量，往往在面漆中添加适量的染色剂，使涂层呈现较深的粉红色。在本发明提出的飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法中，为了提高DIC黑色散斑的对比度，PSP面漆中不额外添加染色剂，使面漆涂层呈现半透明状。PSP面漆的喷涂需要操作者有较高的喷涂技能，通过较为丰富的喷涂经验控制面漆喷涂的均匀性与质量。整体的涂层一般应控制在60μm之内，可选用专用的涂层测厚仪检测涂层厚度分布。

e.安装DIC与PSP光源、相机、镜头、滤光片、数据传输与存储等测量系统，DIC与PSP均使用PSP专用的特定频谱光源。

在风洞光学试验段上壁板上安装DIC与PSP光源、相机等测量系统。PSP采用压敏漆测量技术专用相机(简称PSP相机)，单相机采集系统，DIC采用DIC变形测量技术专用相机(简称DIC相机)，双相机采集系统。光源均使用PSP专用的特定频谱光源(对于商业上较为成熟的基于PtTFPP的压敏漆面漆，光源一般选用入射光谱为400nm的LED光源)，PSP相机镜头前需加装特定透过波长的滤光片，与压敏漆激发光谱匹配。DIC相机不需要加装滤光片。

f.进行风洞试验，通过同步触发控制器实现DIC与PSP图像的同时采集，从而同步获得飞行器表面压力与变形三维连续分布数据。

进行风洞试验，风洞流场稳定后，通过同步触发控制器发送5V TTL触发信号触发PSP光源工作。延时1ms后通过同步触发控制器同时发送5V TTL触发信号触发DIC相机与PSP相机，实现DIC与PSP图像的同时采集。

g.图像处理

采用图像处理软件处理DIC与PSP图像，从而同步获得飞行器表面压力与变形三维连续分布数据。与常规DIC测量系统相比，本发明提出的方法DIC黑色散斑因PSP半透明面漆涂层的遮挡,与白色底漆之间的对比度会有所降低，为了提高变形测量的精准度，采用基于直方图均衡化的图像增强算法对所有DIC图像进行预处理。预处理后的DIC图像采用图像互相关算法进行处理，进而获得变形数据。对于PSP测量系统，因为DIC黑色散斑降低了入射光源及涂层发射荧光的反射效率，黑色散斑区域的PSP面漆信号相对较弱，信噪比低于无DIC黑色散斑区域，PSP采集过程中需要在风洞实验结果后采集无风状态图像，基于发光强度的PSP采集方法通过有风试验图像与无风参考图像求比值的方式可以较大程度上消除入射光强度与压敏漆涂层发光不均匀带来的误差。PSP图像通过图像配准、涂料校准、压力数据转换以及三维重构等处理，最终获得三维压力分布数据。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，应用于飞行试验。具体为某飞行器表面压力与变形分布测量试验，通过本发明提出的方法，同步测量飞行器机翼表面压力与变形的三维连续分布，具体过程如下：

a.用细砂纸打磨、抛光飞行器机翼表面有缺陷区域，利用丙酮或者工业酒精将模型表面清洗擦拭干净。

喷涂前，仔细检查模型表面有无凹坑、毛刺或其他缺陷，采用800目以上的细砂纸打磨、抛光有缺陷区域，用腻子或原子灰封堵凹坑。处理完毕后，用丙酮或者工业酒精模型表面清洗擦拭干净。

b.在机翼表面喷涂PSP白色底漆，增强涂层粘附性、DIC黑色散斑对比度以及PSP面漆发光反射效率，从而提高DIC与PSP测量系统信噪比。

利用成熟PSP底漆配方，配制PSP白色底漆溶液，在模型表面喷涂PSP白色底漆。对于面积较大的机翼表面的涂料喷涂，需要操作者有较高的喷涂技能，并配备超声波高频振荡仪、涂层测厚仪和粗糙度测试仪等仪器设备，保证涂料各组分混合充分，喷涂厚度和表面粗糙度尽可能均匀一致。为了减小涂层厚度对机翼外形的影响，底漆涂层厚度一般应控制在20μm以内。

c.喷涂DIC黑色散斑，根据DIC相机分辨率控制散斑点尺寸。

散斑质量直接影响DIC测量的精度，在机翼表面采用合适方法制作出高质量的散斑是DIC测量的重中之重。散斑一般要具有较高的对比度，散斑中明暗斑点的亮度差异越大，DIC图像后处理软件就越容易识别出散斑像素点，从而可以提高测量精准度。同时，散斑须具有非重复性，即散斑形状要具有特征性，所以喷涂散斑时最好选用随机喷涂的方式。最后，应严控控制散斑尺寸适，散斑尺寸太大会导致选定子区被大散斑完全覆盖，系统无法捕捉特征点，散斑太小导致相机的分辨率不足而不能呈现清晰的图像，也会影响分析结果。需要指出的是，提高相机分辨率可以提高DIC变形测量的分辨率，从而提高测试的精准度。

d.喷涂PSP面漆，面漆中不额外添加染色剂，使面漆涂层呈现半透明状，从而提高DIC黑色散斑对比度。

在PSP白色底漆与DIC黑色随机散斑的基础上喷涂PSP面漆。工程上，为了判断PSP面漆喷涂的均匀性与质量，往往在面漆中添加适量的染色剂，使涂层呈现较深的粉红色。在本发明提出的飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法中，为了提高DIC黑色散斑的对比度，PSP面漆中不额外添加染色剂，使面漆涂层呈现半透明状。PSP面漆的喷涂需要操作者有较高的喷涂技能，通过较为丰富的喷涂经验控制面漆喷涂的均匀性与质量。整体的涂层一般应控制在60μm之内，可选用专用的涂层测厚仪检测涂层厚度分布。

e.安装DIC与PSP光源、相机、镜头、滤光片、数据传输与存储等测量系统，DIC与PSP均使用PSP专用的特定频谱光源。

在飞行器舱内光学视窗位置安装DIC与PSP光源、相机等测量系统。PSP采用压敏漆测量技术专用相机(简称PSP相机)为单相机采集系统，DIC采用DIC变形测量技术专用相机(简称DIC相机)，双相机采集系统。光源均使用PSP专用的特定频谱光源(对于商业上较为成熟的基于PtTFPP的压敏漆面漆，光源一般选用入射光谱为400nm的LED光源)，PSP相机镜头前需加装特定透过波长的滤光片，与压敏漆激发光谱匹配。DIC相机不需要加装滤光片。相机能够通过舷窗拍摄机翼的喷涂部位。

f.在地面，通过压敏漆测量技术专用相机采集无风状态的图像。

进行飞行试验，通过同步触发控制器实现DIC与PSP图像的同时采集，从而同步获得飞行器表面压力与变形三维连续分布数据。

进行飞行试验，飞行流场稳定后，通过同步触发控制器发送5V TTL触发信号触发PSP光源工作。延时1ms后通过同步触发控制器同时发送5V TTL触发信号触发DIC相机与PSP相机，实现DIC与PSP图像的同时采集。

g.图像处理

采用图像处理软件处理DIC与PSP图像，从而同步获得飞行器表面压力与变形三维连续分布数据。与常规DIC测量系统相比，本发明提出的方法DIC黑色散斑因PSP半透明面漆涂层的遮挡，与白色底漆之间的对比度会有所降低，为了提高变形测量的精准度，采用基于直方图均衡化的图像增强算法对所有DIC图像进行预处理。预处理后的DIC图像采用图像互相关算法进行处理，进而获得变形数据。基于发光强度的PSP采集方法通过有风试验图像与无风参考图像求比值的方式可以较大程度上消除入射光强度与压敏漆涂层发光不均匀带来的误差。PSP图像通过图像配准、涂料校准、压力数据转换以及三维重构等处理，最终获得三维压力分布数据。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，应用于风洞试验或飞行试验，所述方法包括：

在待测飞行器表面依次喷涂压敏漆白色底漆涂层、DIC黑色散斑和半透明的压敏漆面漆涂层；

设置试验状态参数；

通过待测飞行器周围设置的光源，激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子，并通过压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；同时通过DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量；

对采集的压敏漆面漆涂层图像和DIC黑色散斑图像进行处理，获得待测飞行器的表面压力与变形三维连续分布数据。

2.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述光源的入射光谱与压敏漆的激发光谱匹配。

3.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述压敏漆白色底漆涂层的厚度在20μm以内。

4.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述DIC黑色散斑的尺寸与DIC变形测量技术专用相机的分辨率匹配。

5.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述压敏漆面漆为无添加染色剂的压敏漆，并且压敏漆面漆涂层的厚度在40μm以内；所述压敏漆白色底漆涂层、DIC黑色散斑和半透明的压敏漆面漆涂层的总厚度在60μm以内。

6.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述压敏漆测量技术专用相机的镜头前加装允许透过设定波长的滤光片。

7.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述设置试验状态参数；具体包括：

当进行风洞试验时，设置风洞来流速度、飞行器攻角和侧滑角；

当进行飞行试验时，设置飞行器攻角、侧滑角和飞行器速度。

8.根据权利要求1所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述通过待测飞行器周围设置的光源，激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子，并通过压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；同时通过DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量；具体为：

由同步触发控制器向待测飞行器周围设置的光源发送第一触发信号以触发光源工作，由光源激发压敏漆面漆涂层中的发光有机高分子；

经过设定时间后，由同步触发控制器向压敏漆测量技术专用相机和DIC变形测量技术专用相机同时发送第二触发信号，以触发两类相机工作；

由压敏漆测量技术专用相机对压敏漆面漆涂层图像进行单目视觉的采集，进行压力测量；由DIC变形测量技术专用相机对DIC黑色散斑图像进行双目视觉采集，进行变形测量。

9.根据权利要求8所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述方法还包括由压敏漆测量技术专用相机采集无风状态图像。

10.根据权利要求9所述的高速飞行器表面压力与变形三维连续分布同步测量方法，其特征在于，所述对压敏漆面漆涂层图像和DIC黑色散斑图像进行处理，获得待测飞行器的表面压力与变形三维连续分布数据；具体为：

采用基于直方图均衡化的图像增强算法对DIC黑色散斑图像进行预处理，再通过图像互相关算法进行图像处理，获得待测飞行器的变形三维连续分布数据；

通过对压敏漆面漆涂层图像与无风状态图像求比值的方式消除光源的入射光强度与压敏漆面漆涂层发光不均匀产生的误差；

对误差消除后的压敏漆面漆涂层图像经图像配准、涂料校准、压力数据转换以及三维重构处理，得到三维压力分布数据。

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