CN113670558B - 用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定；对测温光纤进行温度校正；将测温光纤安装在风洞表面的设定区域；定位测温光纤在三维风洞模型表面的位置。本发明提供用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，以解决现有技术中无法知道光纤测量的温度与风洞模型位置的关系，难以将漏冷漏液情况在风洞三维模型上进行精确定位与显示的问题，实现确定光纤与风洞之间的位置关系，并精确定位至三维模型上，为后续判断漏冷漏液区域提供有效参考的目的。

Description

用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法

技术领域

本发明涉及风洞领域，具体涉及用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法。

背景技术

风洞试验，简单地说就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。为了满足某些特殊试验的温度要求，需要在风洞表面铺设绝热层，根据绝热层设计要求，正常情况下绝热层表面的温度应不低于当地露点温度。一旦绝热层失效会引起洞体表面温度下降。在风洞运行过程中，需要对保温层状态进行监测，以判定保温层是否失效。但是使用常规的红外测温技术存在如下弊端：红外测温设备至风洞表面的距离差异、形成的观测角度甚至表面光洁度差异等因素影响导致精度下降；并且，由于风洞设备现场环境复杂，且被测物风洞体积大且不规则，洞体外周设有梯子平台并安置有测控柜等设备，导致梯子平台以及测控柜等都会对红外成像造成遮挡。因此，对于风洞表面的漏冷监测一直是本领域的技术难题。

为了克服前述技术难题，本案申请人研发了用于风洞测温领域的分布式光纤测温系统，以配合视觉测温系统同时监测被测物风洞表面温度。分布式光纤测温系统的核心是在风洞底部布设测温光纤，用于测量视觉测温系统不能覆盖的洞体表面温度。然而该系统在设计过程中遇到了如下难题：由于测温光纤只能得到光纤长度与温度的关系，无法知道光纤测量的温度与风洞位置的关系；特别是对于大型风洞而言，需要的光纤长度甚至几百上千米，难以准确获取风洞表面漏冷漏液情况，更是难以将漏冷漏液情况在风洞三维模型上进行精确定位与显示。

发明内容

本发明提供用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，以解决现有技术中无法知道光纤测量的温度与风洞模型位置的关系，难以将漏冷漏液情况在风洞三维模型上进行精确定位与显示的问题，实现确定光纤与风洞之间的位置关系，并精确定位至三维模型上，为后续判断漏冷漏液区域提供有效参考的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，包括：

S1、对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定；

S2、对测温光纤进行温度校正；

S3、将测温光纤安装在风洞表面的设定区域；

S4、定位测温光纤在三维风洞模型表面的位置。

针对现有技术中无法知道光纤测量的温度与风洞模型位置的关系，难以将漏冷漏液情况在风洞三维模型上进行精确定位与显示的问题，本发明提出用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，本方法首先对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定，该标定过程基于光时域反射技术完成，该技术是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。根据激光脉冲在光纤中传输时入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间，然后乘以光速即可测得激光脉冲在光纤中传播的长度，进而实现准确定位。完成长度标定后的光纤需进行温度校正，其目的是保证测温精确性。之后将测温光纤安装在风洞表面的设定区域之后再进行定位，得到测温光纤在三维风洞模型表面的位置。本申请通过上述步骤，能够有效确定光纤与风洞之间的位置关系并精确定位至三维模型上，为后续运行过程中判断风洞漏冷漏液区域提供有效参考。

进一步的，对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定过程包括：

S11、在测温光纤上等间距设置若干光纤长度标定点，每个光纤长度标定点处均设置标定段；

S12、将各标定段依次置入与室温具有明显温差的环境中、获取光纤测温数据，确定该标定段的位置；

S13、收集所有标定段的位置，完成光纤长度与温度测量距离的标定。

本方案通过线缆表面标长来确定光纤的实际长度。并且，本方案还在每个光纤长度标定点处设置标定段，在需要标定长度与温度测量点的关系时，将标定段置入与室温具有明显温差的环境中，该明显温差可以是明显高温或低温，此时只有该标定段位于明显温差环境中而光纤的其余部分位于室温环境中，因此通过获取光纤测温数据，能够确定该标定段的位置，收集所有标定段的位置后，即可完成光纤长度与温度测量距离的标定。优选的，标定段的长度为1m。

进一步的，所述温度校正包括以下任意一个或多个步骤：测温一致性标定、灵敏度标定、温度偏移标定、位置标定。为了保证测温的精确性，在实际应用时，根据具体应用的测温光纤，还需要进行温度校正。

进一步的，所述测温一致性标定的方法包括：将测温光纤整体置于恒温空间内，静置至少1小时，获取测温光纤全程的测温数据，校正至一致；测温一致性，指的是光纤所有位置的测量温度的一致，本方案将光纤置于空调房或者其余恒温空间内，静置1小时以上进行热平衡，之后获取测温光纤全程的测温数据，完成测温性校正。

所述灵敏度标定的方法包括：将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据一致，则比较恒温空间内部温度与位于恒温空间内的光纤段的测温数据，并将光纤段的测温数据校正至与恒温空间内部温度一致。

所述温度偏移标定的方法包括：将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据具有差异，则整体校正测温光纤的测温数据。温度偏移标定主要用于解决光纤绝对温度差异的问题，相当于把光纤测温数据进行整体上下平移以进行校正。

所述位置标定的方法包括：对测温光纤上下列任意一种或多种点位进行长度位置与温度测量距离的标定：风洞表面的区域交界点、测温光纤的测量起始点、测温光纤的测量结束点、重点关注点。位置标定的目的是为了进一步降低光纤米标误差，对以上的关键点进行专门定位。其中重点关注点是指用户关注的重点点位，如光纤电缆接头等。

进一步的，所述测温光纤在风洞表面的安装方法为：测温光纤回旋铺设在风洞下部，测温光纤覆盖风洞厂房内的红外视觉测温系统在风洞表面的测量盲区，且测温光纤的顶端回旋部位进入所述红外视觉测温系统的有效测温区域内。

本方案中，测温光纤回旋铺设在风洞下部，以对红外视觉测温系统无法监测的区域进行充分覆盖；当然，本方案中所指的测量盲区，除了包括风洞下部外，还包括洞体外周设置的梯子、平台、测控柜等遮挡住红外测温视线的区域，在这些区域也通过测温光纤实现有效的补盲测量。由于测温光纤是在风洞表面下部区域回旋铺设，因此在其顶部位置必然具有回旋部位，本方案需保证每个回旋部位都进入红外视觉测温系统的有效测温区域，以保证光纤的有效覆盖，从而使漏冷区域探测的准确率提高，确保探测面积充分覆盖整个洞体表面，彻底杜绝探测盲区。

进一步的，所述测温光纤在回旋部位通过点焊与风洞表面连接、其余部位通过线卡粘贴在风洞表面；所述测温光纤上等间距分布若干冗余段。所谓冗余段，即是等间距预留一段多余长度的测温光纤，以此对风洞运行过程中受内部温度影响而产生的热胀冷缩变形进行补偿，确保光纤系统能够有效克服洞体热变形的影响。

进一步的，定位测温光纤在三维风洞模型表面位置的方法包括：

S41、在风洞厂房内设置双目视觉系统并进行双目相机的标定；

S42、安装合作标识；

S43、通过双目相机对各合作标识进行检测；

S44、计算各合作标识的三维空间坐标；

S45、将三维空间坐标转换至风洞模型坐标系下。

其中，双目相机的标定即对相机的内参和外参进行标定，属于本领域现有技术在此不做赘述；合作标识作为定位标识的点位安装在指定位置；由双目相机对各合作标识进行双目识别检测，并计算其在三维空间内的坐标，然后将该三维空间坐标转换至风洞模型坐标系下，即完成了在三维风洞模型表面的定位过程。

进一步的，所述合作标识包括全局标识点、局部标识点；所述全局标识点粘贴在风洞表面，所述局部标识点粘贴在测温光纤上；所述局部标识点上带有唯一编码。

本方案中，全局标识点用于标识风洞的关键位置，粘贴在风洞表面；局部标识点用于标识光纤的关键位置，粘贴在测温光纤上，通过两种标识点的配合，能够精确确定光纤与风洞之间的位置关系，并精确定位至三维模型上。其中，局部标识贴采用带编码的标识贴，带编码的标识贴除了可以标识位置信息，其编码还带有数字信息，可以用于区分光纤的不同长度位置。

本申请中，对于合作标识的三维空间坐标的计算方法包括：

S441、将双目相机定义为左相机、右相机；

S442、计算左相机的投影矩阵M_l为：

式中，K_l为左相机的内参矩阵，R_l为左相机的单位矩阵，T_l为左相机的零矩阵，m为投影矩阵M_l的计算结果；

计算右相机的投影矩阵M_l’为：

式中，K_l’为右相机的内参矩阵，R_l’为右相机的单位矩阵，T_l’为右相机的零矩阵，m’为投影矩阵M_l’的计算结果；

S443、两个相机同步拍摄空间中的目标点P，设点P在左相机坐标系下的坐标为(X,Y,Z)，在左相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l,y_l)；点P在右相机坐标系下的坐标为(X’,Y’,Z’)，在右相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l’,y_l’)；

S444、根据投影矩阵和投影原理得到如下超定线性方程组：

S445、求解点P的三维空间坐标(X,Y,Z)。

进一步的，将三维空间坐标转换至风洞模型坐标系的方法包括：

S451、通过全局标识点的三维坐标和其对应的模型坐标系，计算双目相机坐标系与模型坐标系的位姿T_CM；T_CM＝argminε

式中，ε表示对应相机的单位矩阵和零矩阵的误差项；误差项最小时即可得到模型在双目相机坐标系下的空间位姿；argmin为现有数学函数，在此不做赘述；

S452、将局部标识点的三维空间坐标P_C坐标转换到模型坐标系下，得到模型坐标P_M：

P_M＝T_CMP_C；

S453、联立所有局部标识点的模型坐标，得到测温光纤在模型坐标系下的位置，完成测温光纤位置标定。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，解决了无法知道光纤测量的温度与风洞模型位置的关系、难以将漏冷漏液情况在风洞三维模型上进行精确定位与显示的问题，实现确定光纤与风洞之间的位置关系，并精确定位至三维模型上，为后续判断漏冷漏液区域提供有效参考的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的流程示意图；

图2为本发明具体实施例的系统示意图；

图3为本发明具体实施例的测温光纤铺设示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-风洞，2-测温光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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申请保护范围的限制。

实施例1：

如图1所示的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，包括：

S1、对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定：在测温光纤上等间距设置若干光纤长度标定点，每个光纤长度标定点处均设置标定段；将各标定段依次置入与室温具有明显温差的环境中、获取光纤测温数据，确定该标定段的位置；收集所有标定段的位置，完成光纤长度与温度测量距离的标定；

S2、对测温光纤进行温度校正：包括依次进行测温一致性标定、灵敏度标定、温度偏移标定、位置标定；

S3、将测温光纤安装在风洞表面的设定区域；

S4、定位测温光纤在三维风洞模型表面的位置：在风洞厂房内设置双目视觉系统并进行双目相机的标定；安装合作标识；通过双目相机对各合作标识进行检测；计算各合作标识的三维空间坐标；将三维空间坐标转换至风洞模型坐标系下。

优选的，本实施例中使用的测温光纤是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射信号、根据光时域反射原理(Optical Time-Domain Reflectometer–OTDR)和雷达工作原理来获取空间温度分布信息和空间定位信息的监控技术，它能够连续测量光纤沿线所在处的温度，可对测量距离最大在60公里的范围，空间定位精度达到一米的数量级，将一条数公里乃至数十公里长的光纤(光纤既是传输媒体，又是传感媒体)铺设到待测空间，可连续测量、准确定位整条光纤所处空间各点的温度，通过光纤上的温度的变化来检测出光纤所处环境变化，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

其中，拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，由两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。

优选的，测温光纤所对应的测温装置主要由以下部件组成：激光器、光分路器、变压器、探测器、数据处理、液晶屏等。激光脉冲从光纤中的一端进入，在向前传播中光纤分子相互作用，发生多种类型的散射。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。反斯托克斯光信号的强度对温度影响比较敏感。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度信息。利用以上技术原理即可实现对沿光纤温度场的分布式测量。

实施例2：

本实施例以X风洞为例，X风洞是一座由轴流式压缩机驱动的连续式闭口回流跨声速风洞，压缩机功率60MW。该风洞由洞体主回路、辅助系统和厂房等构成。X风洞运行介质温度范围为-196℃～50℃，洞体内层为绝热层，外层为不锈钢壳体，洞体依靠绝热层保温，绝热层由5000多块，尺寸为1m×1m的绝热块拼接而成。根据绝热层设计要求，正常情况下绝热层表面的温度不低于当地露点温度。一旦绝热层失效会引起洞体表面温度下降。在风洞运行过程中，需要对保温层状态进行监测，以判定保温层是否失效。

由于该风洞现场环境复杂，被测物风洞体积大且不规则，洞体外周设有梯子平台并安置有测控柜，而红外测温相机安装于风洞四周墙壁上，导致梯子平台以及测控柜都会对红外成像造成遮挡，因此单用视觉测温难以准确测量且完全覆盖洞体表面，须配合光纤测温进行辅助测温，最后配合人工手持红外测温仪进行复检，实现精确测温及定位。

光纤铺设：如图3所示，测温光纤回旋铺设在风洞下部，测温光纤覆盖风洞厂房内的红外视觉测温系统在风洞表面的测量盲区，且测温光纤的顶端高于红外视觉测温系统的有效测温区域0.5米。本实施例中间隔100米留出一个1米长的冗余段，作为测温标定点的同时确保光纤系统克服洞体热变形影响。光纤铺设间隔距离为0.5m，与尺寸为1m×1m的绝热块连接处保持一致，以保证光纤能有效覆盖绝热块连接部位，从而使漏冷区域探测的准确率提高，探测面积准确率达标。在有梯子平台等其他物体的洞体表面段，光纤缠绕高度超过梯子平台高度0.5米。

施工安装工艺：采用不锈钢色外观铠装光纤，以保证光纤与洞体表面无色差，整体美观；采用粘贴加点焊的光纤绑定技术，洞体与光纤绑定时，优先采用高强度3M胶粘贴线卡绑定，在线缆回旋和关键点采用点焊线卡。

本实施例中光纤快速定位的具体过程如下：

(一)对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定：

该标定的基础是光时域反射技术(即OTDR原理)，该技术是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。根据激光脉冲在光纤中传输时入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间，然后乘以光速即可测得激光脉冲在光纤中传播的长度，进而实现定位。

本实施例中光纤总长度1Km，通过线缆表面标长来确定光纤的实际长度。每200米留出一个关键点作为光纤长度标定点，关键点处留出1米作为标定段。在标定时，把标定段置入与室温差异较大的环境中，由光纤测温主机判读，从而实现在光纤长度与温度测量距离的标定。其核心是在关键点留出一米的光缆作为标定段，通过升温或者降温来确定位置点。

(二)温度校正：

为了保证测温的精确性，在实际应用时，根据具体应用的测温光纤，还需要进行温度校正，具体步骤包括一致性标定、灵敏度标定、温度偏移标定、位置标定，下面分别进行详细阐述。

(1)一致性标定

一致性，指的是光纤所有位置的测温一致性，将测温光纤置于空调房或者温度相对恒定的地方，恒定1小时以上，因光纤成卷，圈数较多，热平衡需要至少1小时的时间，之后获取测温光纤全程的测温数据，校正至一致。

(2)灵敏度标定

将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据一致，则比较恒温空间内部温度与位于恒温空间内的光纤段的测温数据，并将光纤段的测温数据校正至与恒温空间内部温度一致。

比如实际温度升高10度，测量值升高8度，需要增大灵敏度，才能两者一致，测温才准确。具体标定过程为：

设定恒温水槽，然后选取一段长度至少5米的光纤放入均匀、稳定的温度环境中，平衡5分钟；

用高精度温度计，测量水槽温度和环境温度，并从光纤测温软件上读取两者测量值；

调整灵敏度参数使二者差值一致。

3)温度偏移标定

将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据具有差异，则整体校正测温光纤的测温数据。

温度偏移标定主要解决绝对温度差异，相当于把温度整体，上下平移。

4)位置标定

为进一步降低光纤米标误差，对下列关键点进行定位：区域交界点；测量起始点；测量结束点；用户关注的重点区域(如电缆接头)。

(三)基于双目视觉的光纤测温三维洞体表面定位：

本实施例在风洞底部布设了测温光纤，用于测量红外视觉测温系统不能覆盖的表面温度。由于光纤测量只能得到光纤长度与温度的关系，无法知道光纤测量的温度与风洞模型位置的关系，因此，需要进行光纤三维洞体表面位置定位。

本实施例采用双目视觉系统，配合带编码的标识贴的方法，进行光纤位置标定。具体过程如下：

1)双目系统标定

双目系统标定主要为了获得双目视觉系统中，双目相机的内参和外参。

2)安装合作标识

在光纤位置标定中，需要粘贴两种标识贴。

一种称为全局标识贴，用于标识风洞的关键点位置。

还用一种标识贴称为局部标识贴。其主要粘贴在光纤长度的关键位置处，如10米，20米等关键长度处。用于标识测温光纤长度。局部标识贴采用带编码的标识贴，带编码的标识贴除了可以标识位置信息，其编码还带有数字信息，可以用于区分光纤的不同长度位置。

3)标识点检测

通过双目相机识别各合作标识。

4)三维点测量

在双目相机检测得到圆形标识点(合作标识)之后，可以根据双目相机的三维测量原理，计算得到标识点的空间三维坐标。

本实施例采用双相机三维交汇原理进行三维重建，其基本原理如下：

设左右相机的光心分别为O₁和O₂。两个相机同步拍摄空间中的目标点P。两个相机之间的位姿关系为R_lr，T_lr，其通过相机标定可以计算得到。

根据相机投影原理，在不考虑镜头畸变的情况下，左相机的投影矩阵为：

式中，K_l为左相机的内参矩阵，R_l为左相机的单位矩阵，T_l为左相机的零矩阵，m为投影矩阵M_l的计算结果；

设点P在左相机坐标系下的坐标为(X,Y,Z)，在左相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l,y_l)，则根据投影矩阵和投影原理可得：

同理，对于右相机而言，根据相机投影原理，在不考虑镜头畸变的情况下，右相机的投影矩阵为：

式中，K_l’为右相机的内参矩阵，R_l’为右相机的单位矩阵，T_l’为右相机的零矩阵，m’为投影矩阵M_l’的计算结果；

设点P在右相机坐标系下的坐标为(X’,Y’,Z’)，在右相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l’,y_l’)，则根据投影矩阵和投影原理可得：

联立超定线性方程组(1)和(2)，即可求得点P的三维空间坐标(X,Y,Z)。

在得到全局标识点和局部标识点的三维坐标之后，其坐标仍然是相机坐标系下的，需要将其转换到风洞模型坐标系下。在双目系统中，通过全局标识点的三维坐标和其对应的模型坐标系，可以计算双目相机坐标系与模型坐标系的位姿T_CM，然后即可将局部标识点的三维坐标P_C坐标转换到模型坐标系下，得到模型坐标P_M：P_M＝T_CMP_C。

最终，即可得到光纤在模型坐标系下的位置，完成光纤位置标定。

其中，根据投影矩阵和投影原理得到超定线性方程组的原理如下：

以左相机为例：矩阵M描述了空间点到图像点的中心透视投影关系，称为投影矩阵。构成M的第一个矩阵由相机内参数组成，称为内参数矩阵，第二个矩阵由相机外参数组成，称为外参数矩阵，因而中心透视投影成像关系可以用矩阵M描述。

由于Zc是物点到光心的距离在光轴方向的投影，因而Zc≠0。根据投影原理将式展开用第三列分别除前两列消去Zc就得到用投影矩阵各元素描述的共线方程：

实施例3：

一种光纤测温系统，基于实施例1中所记载的光纤快速定位方法，负责对洞体视觉子系统测量覆盖不到的表面积进行测温，并检测出洞体表面漏冷漏液情况，定位洞体漏液位置。系统基本构成如图2所示。

系统硬件由分布式光纤测温主机、感温光缆、千兆网交换机以及数据处理服务器构成，软件由数据采集模块、数据传输模块、漏冷监测模块、光线测试系统标定模块、光纤测温三维定位模块构成。

系统分别实现分布式光纤测试系统的数据采集与传输、储存与处理、漏冷监测、光纤定位、测量结果与风洞3D模型关联等功能：

1)数据采集与传输功能，由数据采集与传输模块实现对布设于洞体表面的测温光纤的原始测温光信号数据进行采集，通过光缆传至DTS主机；处理后的测温电数据由千兆网交换机传输至数据处理服务器；其中为了保证系统的可扩展性，采用交换机的对测温电数据进行传输，可随时接入多台DTS及相应的感温光缆。

2)数据存储与处理功能，由数据储存与处理模块在DTS主机中实现对采集的测温光信号数据进行处理，得到测温的电信号，并传输至数据处理服务器进行储存。

3)光纤测试系统标定功能，由光纤测试系统标定模块实现在感温光缆上长度与温度测量距离的标定。

4)测量结果与风洞3D模型关联功能，由光纤测温三维定位模块在数据处理服务器上实现光纤测量的温度与风洞模型位置的标定与关联。

5)漏冷监测功能，由漏冷监测模块在数据处理得到测温电信号后，在DTS主机中实现对光纤温度异常部位进行检测与定位，并在数据处理服务器上实现三维洞体表面温度异常部位的检测与定位。

本实施例中采用高灵敏度宽温高速处理光纤测温主机，可保证如下参数稳定：

温度测量范围-20℃～50℃；测量误差≤2℃；温度异常检测时间≤4s；仪器开机预热时间≤5min；在温度差异达到10℃时，准确率≥95％，在温度差异达到5℃时，准确率≥90％。

实施例4：

一种风洞漏冷监测系统，可用于实施上述任一实施例中所记载的光纤快速定位方法，包括：

视觉测温子系统，用于获取风洞表面的温度场图像和纹理图像；

光纤测温子系统，用于对视觉测温子系统在风洞表面的测量盲区进行温度测量；

温度校正子系统，用于校正和评估所述视觉测温子系统和所述光纤测温子系统的测温数据；

3D展示子系统，用于在风洞3D模型上实时显示风洞表面的三维温度场和漏冷点位置。

优选的，所述视觉测温子系统包括若干组两两相对安装在风洞外的双光相机；所述双光相机的双光为红外光和可见光；

每个双光相机均具有对风洞表面红外测温的有效测温区域，每组相对的两个双光相机的有效测温区域局部重合；

所有双光相机的安装高度均高于风洞顶部，所述视觉测温子系统的测量区域至少覆盖风洞上表面。

优选的，所述有效测温区域基于约翰逊准则测算得到；每个双光相机均具有相匹配的云台。

优选的，所述光纤测温子系统包括回旋铺设在风洞下部的测温光纤，所述测温光纤覆盖视觉测温子系统在风洞表面的测量盲区；所述测温光纤的顶端回旋部位，进入所述有效测温区域内。

优选的，所述测温光纤上等间距分布若干光纤测量关键点，且所述测温光纤上等间距分布有冗余段。

优选的，所述温度校正子系统包括：

黑体校正模块，包括安装在视觉测温子系统视野范围内的黑体，用于对视觉测温子系统的测量温度进行校正；

温度修正评估模块，包括安装在风洞表面的若干第一温度传感器、安装在风洞周围的若干第二温度传感器；所述第一温度传感器用于校正和评估所述视觉测温子系统和所述光纤测温子系统的测温数据，所述第二温度传感器用于监测风洞厂房内的环境温度；

手持式红外热像仪，用于对漏冷点位置进行二次检测。

优选的，所述3D展示子系统包括：

视觉测温处理模块，用于处理视觉测温子系统获取的温度场数据；

光纤测温处理模块，用于处理光纤测温子系统测量得到的温度数据；

融合模块，用于融合视觉测温子系统与光纤测温子系统的重叠测量区域的温度数据；

映射模块，用于将融合后的温度数据映射到风洞3D模型上；

展示模块，用于以热图形式展示风洞表面温度场。

优选的，视觉测温子系统与光纤测温子系统的重叠测量区域的温度数据融合方法包括：

提取光纤测温得到的光纤数据点；

采用数据插值算法得到光纤数据点之间的温度数据，其中所述数据插值算法所采用的曲面通过视觉测温子系统的测量数据拟合得到。

优选的，将融合后的温度数据映射到风洞3D模型上的方法为双三次插值法，包括：

设P点为目标图像在(X,Y)处对应于源图像中的位置；P点坐标为P(x+u,y+v)，其中x,y分别表示整数部分，u,v分别表示小数部分；

计算：

式中，f(x,y)为插值后的P点的像素值；x_i，y_i为P点周围4×4范围内的像素坐标；i＝0,1,2,3；f(x_i，y_i)为4×4范围内的像素坐标对应的像素值；W为插值系数，其取值为：

其中a＝-0.5。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (8)

1.用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，包括：

S1、对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定；

S2、对测温光纤进行温度校正；

S3、将测温光纤安装在风洞表面的设定区域；

S4、定位测温光纤在三维风洞模型表面的位置；

定位测温光纤在三维风洞模型表面位置的方法包括：

S41、在风洞厂房内设置双目视觉系统并进行双目相机的标定；

S42、安装合作标识；

S43、通过双目相机对各合作标识进行检测；

S44、计算各合作标识的三维空间坐标；

S45、将三维空间坐标转换至风洞模型坐标系下；

所述合作标识包括全局标识点、局部标识点；所述全局标识点粘贴在风洞表面，所述局部标识点粘贴在测温光纤上；所述局部标识点上带有唯一编码。

2.根据权利要求1所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，对测温光纤进行长度与温度测量距离的标定过程包括：

S11、在测温光纤上等间距设置若干光纤长度标定点，每个光纤长度标定点处均设置标定段；

S12、将各标定段依次置入与室温具有明显温差的环境中、获取光纤测温数据，确定该标定段的位置；

S13、收集所有标定段的位置，完成光纤长度与温度测量距离的标定。

3.根据权利要求1所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，所述温度校正包括以下任意一个或多个步骤：测温一致性标定、灵敏度标定、温度偏移标定、位置标定。

4.根据权利要求3所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，

所述测温一致性标定的方法包括：将测温光纤整体置于恒温空间内，静置至少1小时，获取测温光纤全程的测温数据，校正至一致；

所述灵敏度标定的方法包括：将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据一致，则比较恒温空间内部温度与位于恒温空间内的光纤段的测温数据，并将光纤段的测温数据校正至与恒温空间内部温度一致；

所述温度偏移标定的方法包括：将测温光纤的局部置于恒温空间内，静置至少5分钟；测量恒温空间内部温度、恒温空间外部的环境温度，并获取测温光纤全程的测温数据；若所述环境温度与测温光纤位于恒温空间外的测温数据具有差异，则整体校正测温光纤的测温数据；

所述位置标定的方法包括：对测温光纤上下列任意一种或多种点位进行长度位置与温度测量距离的标定：风洞表面的区域交界点、测温光纤的测量起始点、测温光纤的测量结束点、重点关注点。

5.根据权利要求1所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，所述测温光纤在风洞表面的安装方法：测温光纤回旋铺设在风洞下部，测温光纤覆盖风洞厂房内的红外视觉测温系统在风洞表面的测量盲区，且测温光纤的顶端回旋部位进入所述红外视觉测温系统的有效测温区域内。

6.根据权利要求5所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，所述测温光纤在回旋部位通过点焊与风洞表面连接、其余部位通过线卡粘贴在风洞表面；所述测温光纤上等间距分布若干冗余段。

7.根据权利要求1所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，三维空间坐标的计算方法包括：

S441、将双目相机定义为左相机、右相机；

S442、计算左相机的投影矩阵M_l为：

式中，K_l为左相机的内参矩阵，R_l为左相机的单位矩阵，T_l为左相机的零矩阵，m₀,m₁,…m₁₁为投影矩阵M_l的计算结果；

计算右相机的投影矩阵M_l’为：

式中，K_l’为右相机的内参矩阵，R_l’为右相机的单位矩阵，T_l’为右相机的零矩阵，m₀',m₁',…m₁₁'为投影矩阵M_l’的计算结果；

S443、两个相机同步拍摄空间中的目标点P，设点P在左相机坐标系下的坐标为(X,Y,Z)，在左相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l,y_l)；点P在右相机坐标系下的坐标为(X’,Y’,Z’)，在右相机图像中的无畸变成像点坐标为(x_l’,y_l’)；

S444、根据投影矩阵和投影原理得到如下超定线性方程组：

S445、求解点P的三维空间坐标(X,Y,Z)。

8.根据权利要求1所述的用于风洞漏冷监测的光纤快速定位方法，其特征在于，将三维空间坐标转换至风洞模型坐标系的方法包括：

S451、通过全局标识点的三维坐标和其对应的模型坐标系，计算双目相机坐标系与模型坐标系的位姿T_CM；

T_CM＝argminε

式中，ε表示对应相机的单位矩阵和零矩阵的误差项；

S452、将局部标识点的三维空间坐标P_C坐标转换到模型坐标系下，得到模型坐标P_M：

P_M＝T_CMP_C；

S453、联立所有局部标识点的模型坐标，得到测温光纤在模型坐标系下的位置，完成测温光纤位置标定。