CN113960043A - 超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置，首先基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；然后基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；最后基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。本发明中，考虑到流场区域包括多个流速不同的子区域，湍流在各个子区域的速度不同，确定了对应于湍流在演化过程中的结构变化的拍摄区域及拍摄时序，进而获取到能够准确反映待测量湍流结构变化的图像序列，从而提高了对湍流随时间演化特征的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及湍流技术领域，尤其是涉及一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置湍流时间演化特征的确定方法及装置。
背景技术
湍流是流体的一种流动状态。当流体的流速很大，如超声速、高超声速等流速，流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动，而且有相对于流体总运动的反向运动，因而流体微团的轨迹极其紊乱，随时间变化很快。
相关技术中，对超声速/高超声速湍流随时间演化特征的测量通常采用高重复频率激光光源配合高速摄影相机在湍流的运动过程中获取湍流的系列化流动图像的方式，或者采用多腔激光器与多台相机组成的系统对同一拍摄区域拍摄，获取湍流的系列化流动图像的方式。然而，上述方式对湍流随时间演化特征的测量精度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供湍流时间演化特征的确定方法及装置湍流时间演化特征的确定方法及装置，以提高对湍流随时间演化特征的测量精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法，包括：基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；流场区域包括多个流速不同的子区域；流速数据包括预设湍流在子区域的速度参数；基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。
进一步地，流场区域的流速数据通过以下方式确定：在预设湍流运动过程中，按照预设湍流流经子区域的顺序依次获取预设湍流在子区域的图像集合；针对每个子区域，图像集合至少包括两个图像；针对每个子区域，基于图像集合，确定预设湍流在子区域的速度参数。
进一步地，上述拍摄区域包括设定数量的子拍摄区域；基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域的步骤，包括：将预先设定的初始区域确定为当前子拍摄区域；基于当前子拍摄区域、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及对应的演化时间，确定下一个子拍摄区域；演化时间基于预设湍流在当前子拍摄区域对应的子区域的结构特征尺度以及结构特征速度确定；判断确定的子拍摄区域的数量是否小于设定数量；如果小于，将确定出的下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域；继续执行基于当前子拍摄区域、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及预先确定的演化时间，确定下一个子拍摄区域的步骤，直至子拍摄区域的数量等于设定数量；按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，依次确定子拍摄区域对应的拍摄时序。
进一步地，基于当前子拍摄区域、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，确定下一个子拍摄区域的步骤，包括：基于当前子拍摄区域的中心位置、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，计算下一个子拍摄区域的中心位置；将当前子拍摄区域的范围大小确定为下一个子拍摄区域的范围大小；基于下一个子拍摄区域的中心位置及范围大小，确定下一个子拍摄区域的拍摄范围。
进一步地，上述初始区域对应于预先设定的基准拍摄时序；拍摄时序包括每个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序、第二激光拍摄时序、第一相机拍摄时序以及第二相机拍摄时序；按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，依次确定子拍摄区域对应的拍摄时序的步骤，包括：将初始区域确定为当前子拍摄区域，将基准拍摄时序确定为当前子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；基于第一激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定第一相机拍摄时序；基于第一激光拍摄时序、当前子拍摄区域所在的子区域的速度参数以及预设的图像参数，确定当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序；基于第二激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定第二相机拍摄时序；判断当前子拍摄区域是否为待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域；如果否，按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，确定当前子拍摄区域的下一个子拍摄区域；基于当前子拍摄区域对应的第二拍摄时序以及对应的演化时间，确定下一个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；将下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域，继续执行基于第一激光拍摄时序、当前子拍摄区域所在的子区域的速度参数以及预设的图像参数，确定当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序的步骤，直至当前子拍摄区域为待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域。
进一步地，上述拍摄区域包括多个子拍摄区域；拍摄时序包括每个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序、第二激光拍摄时序、第一相机拍摄时序以及第二相机拍摄时序；基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列的步骤，包括：针对于每个子拍摄区域，基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第一激光拍摄时序产生激光，子拍摄区域对应的第一相机按照第一相机拍摄时序获取包括待测量湍流的子拍摄区域的第一图像；基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第二激光拍摄时序产生激光，子拍摄区域对应的第二相机按照第二相机拍摄时序获取包括待测量湍流的子拍摄区域的第二图像；将获取到各个子拍摄区域的第一图像以及第二图像按照拍摄时序进行排列，将排列后的图像确定为待测量湍流的图像序列。
进一步地，上述图像序列包括按照拍摄时序排列的预先确定的子拍摄区域的第一图像和第二图像；时间演化特征包括瞬态湍流结构速度以及结构演化变化情况；基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征的步骤，包括：针对每个子拍摄区域，基于子拍摄区域的第一图像以及第二图像，根据互相关算法确定子拍摄区域中待测量湍流的瞬态湍流结构速度；基于相邻的两个子拍摄区域中，前一个子拍摄区域的第二图像以及后一个子拍摄图像的第一图像，通过预设的图像分析方法确定第二图像以及第一图像的时间间隔对应的待测量湍流的结构演化变化情况。
第二方面，本发明实施例还提供一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定装置，包括：拍摄区域确定模块，用于基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；流场区域包括多个流速不同的子区域；流速数据包括预设湍流在子区域的速度参数；图像序列获取模块，用于基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；演化特征确定模块，用于基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。
第三方面，本发明实施例还提供一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定系统，包括控制器、多腔激光器以及多台相机，控制器分别与多腔激光器以及多台相机连接；上述装置设置于控制器。
第四方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供了一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置，首先基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；然后基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；最后基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。该方式中，考虑到流场区域包括多个流速不同的子区域，湍流在各个子区域的速度不同，确定了对应于湍流在演化过程中的结构变化的拍摄区域及拍摄时序，进而获取到能够准确反映待测量湍流结构变化的图像序列，从而提高了对湍流随时间演化特征的测量精度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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固定测量区域的拍摄方法示意图；
图2为本发明实施例提供的短时间间隔的等时间间隔的拍摄方法时序图；
图3为本发明实施例提供的长时间间隔的等时间间隔的拍摄方法时序图；
图4为本发明实施例提供的一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种测量系统的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种移动测量区域测量方法的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种可变时序的测量方法的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定系统的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
图标：40-多CCD相机阵列；20-多腔激光器；50-计算机；60-高精度同步控制器；70-风洞试验段；80-纳米示踪粒子发生器；800-拍摄区域确定模块；802-图像序列获取模块；804-演化特征确定模块；10-控制器；30-多台相机；130-处理器；131-存储器；132-总线；133-通信接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图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。
超声速、高超声速湍流研究是空气动力学流动机理研究中非常重要的内容，同时也是当前航空、航天领域飞行器研制面临的关键技术难题之一。为高速飞行器的设计和面临的相关空气动力学难题的解决提供理论依据，不仅需要对超声速/高超声速湍流开展研究，更需要获得超快动态演化的湍流随时间的发展变化规律。
超声速/高超声速湍流不仅运动速度快，且其结构会随着随时间发生演化，湍流结构的演化过程是湍流流动非定常发展过程流动机理的外在显化。从超声速/高超声速湍流结构测量的角度而言，现有的纹影、阴影、干涉、滤波瑞利散射(FRS)和激光诱导荧光(PLIF)，纳米平面激光散射(NPLS技术)等方法，已经可以满足对超声速、高超声速湍流结构和速度空间分布测量的要求。但这些技术目前还无法满足对湍流动态演化过程的测量。对于超声速、高超声速湍流随时间演化特性的测量，目前实验测量方法面临极大挑战。
由于超声速、高超声速流动具有运动速度快的特点，要获取系列化具有时间相关性的流动图像，这就要求获取相关图像之间的时间间隔要足够小(一般为微秒量级)。为了测量湍流结构随时间的演化，需要在极短时间内对湍流结构进行多次测量，获得时间序列的高分辨率高信噪比湍流演化图像。当前能够满足超声速、高超声速湍流时间序列流场图像测量的测试技术，第一类是用高重复频率激光光源配合高速摄影相机；第二类采用多腔激光器配合超高速相机的方式。第三类方法就是采用多腔激光器，但使用多台相机并联的方式，代替一台超高速相机拍摄湍流演化流场。
从测量技术的硬件需求而言，上述方式能够在一定时间段内获得时间间隔足够小的超声速/高超声速湍流结构序列化图像，从原理上可以获得相同时间间隔内高超声速湍流结构随时间变化的序列化图像。但是，第一类方法采用的高重复频率激光光源一般能量较弱(毫焦量级)，很难满足超声速/高超声速湍流高信噪比测量对光源的需求(百毫焦量级)，而且高速摄像相机在满足极高帧频成像的要求时，其图像分辨率也很低(万像素量级)，而清晰拍摄湍流结构需要的图像分辨率至少百万像素量级。因此，第一类方法虽然可以实现超声速/高超声速湍流时间序列图像的拍摄，但是湍流图像分辨率和信噪比低，严重制约湍流动态演化机理的研究。
第二类方法正是根据第一类方法的不足，提出了针对性改进。多腔激光器采用多个激光器并联，每一激光能量都能到达百毫焦量级。超高速相机也可以实现在MHz帧频下高分辨率成像测量(百万像素量级)，但是这些相机一般采用增强型CCD(Charge-coupledDevice，电核耦合元件)芯片(ICCD)，其缺点是成像信噪比低，拍摄的湍流图像不清晰，而且设备昂贵。
第三类方法针对第二类方法中成像系统的不足，提出采用多台相机并联代替一台超高速相机的方法，每台相机可以采用普通CCD芯片，避免了ICCD芯片信噪比低的难题。可以实现对超声速/高超声速湍流时间序列图像的拍摄。从测试能力的角度，第三类技术可以满足超声速/高超声速湍流时间序列图像拍摄要求。但是不同相机拍摄角度的误差会影响湍流结构演化的分析。另外，从湍流结构演化发展规律角度而言，上述测量方法还不能满足对高速运动湍流结构演化的测量需求。
为研究湍流结构动态演化，要求不同时刻拍摄的图像(时间序列图像)都能捕获同一湍流结构，以方便分析该结构随着时间的演化规律。超声速/高超声速湍流随时间发生演化的同时，也在随着流动向下游高速运动。上述测量方法都是建立在固定在同一拍摄区域的基础之上，其优点是每幅图像的拍摄范围一致，便于拍摄实施和结果图像的分析。图1是以8个相机为例的固定测量区域的拍摄方法示意图(8个相机仅为一种举例，不代表上述测量技术一定需要8个相机，可以少于8个，也可以多于8个，取决于整个系统的能力)。
现有研究表明，湍流演化的速率是远远小于其向下游的运动速率，为了时间序列图像都能捕获同一湍流结构(图1中每个相机下方对应的拍摄图像示意图中的湍流结构)，要求每幅图像拍摄时间间隔不能太长，因为当测量区域固定时，每幅图像之间时间间隔过长，会导致高速运动的湍流结构跑出测量摄区域，在后面的相机无法捕捉到与前面相机拍摄的同一湍流结构，而无法分析湍流结构动态演化。如果拍摄时间间隔过短，虽然每个相机都可以获得同一湍流结构的图像，但由于时间间隔过短会导致湍流结构基本没有发生变化，即使拍摄到时间序列图像，也无法研究湍流演化过程。通过增大测量范围，可以将每个相机拍摄的时间间隔增大，有利于观察到湍流演化的过程，但是在相机像素分辨率一定的情况下，增加测量区域的结果是拍摄图像的分辨率降低，导致湍流结构识别率下降，又不利于湍流结构演化的研究分析。
另一方面，传统时间序列图像拍摄一般采用等时间间隔的方法，图2所示为短时间间隔的等时间间隔的拍摄方法时序图，图3所示为长时间间隔的等时间间隔的拍摄方法时序图。这种拍摄方法控制简单，容易实现。但是，由于超声速/高超声速湍流的强烈非定常特性，同一流动结构在向下游高速运动的过程中，其运动速度在不同流场区域是不断变化的，比如超声速/高超声速流场中最典型的激波流动，激波前后流体的运动速度可能相差10倍以上。如果仍然采用等时间间隔的湍流图像拍摄方法，其可能导致的结果是，如果为满足激波前运动速度较高的流场湍流结构测量，需要时间间隔很短(图2)，但是激波后流场运动速度较低，用很短的时间间隔，激波后的时间序列图像中湍流结构的变化非常小，不利于对湍流结构演化的测量。反之，如果为满足激波后低速运动流场的测量需求，将时间间隔增加(图3)，对于激波前的高速流场，时间序列图像中湍流结构因为时间间隔长导致变化太大甚至无法识别，也不利于结构演化的测量。
此外，仅从流动结构变化的图像分析湍流演化规律是远远不够的，实际研究过程中，还需要测量流场的速度分布(运动特性)，结合图像一起分析。目前主流的流场测试技术就是粒子图像速度场技术(PIV技术)，这种技术通过在极短时间间隔内连续拍摄两次图像，利用两幅图像的互相关计算两幅图像中同一结构在已知时间间隔内的位移，再除以时间间隔获得流场速度。
为了获得湍流的瞬态速度场，可以采用图2的短时间间隔拍摄时序图，获得多个连续时刻的流场瞬态速度，但是因为时间间隔太短，无法观察到湍流结构的演化。如果采用图3的长时间间隔拍摄时序图，可以得到湍流的随时间变化的结构图像，但是无法获得每个时刻的瞬态速度来结合分析演化过程。因此，现有测试技术，只是实现了在一定的时间段内获得超声速/高超声速湍流结构序列化图像，但是对于湍流动态演化的测量和研究仍然远远不能满足要求。
基于此，本发明实施例提供的一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法、装置以及系统，可以应用于超声速、高超声速湍流的测量场景。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法进行详细介绍。
本发明实施例提供了一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：
步骤S400，基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；流场区域包括多个流速不同的子区域；流速数据包括预设湍流在子区域的速度参数。
在具体实现过程中，上述流场区域可以通过风洞实验室实现。上述流速数据通常包括预设湍流在各个子区域的速度参数。具体而言，流场区域的流速数据可以通过以下方式确定：
(1)在预设湍流运动过程中，按照预设湍流流经子区域的顺序依次获取预设湍流在子区域的图像集合；针对每个子区域，图像集合至少包括两个图像。由于该过程主要是想要获得预设湍流在各个子区域的速度，因此可以获取整个流场区域的图像，该图像中包含预设湍流在子区域的图像即可。
(2)针对每个子区域，基于图像集合，确定预设湍流在子区域的速度参数。具体而言，可以基于获取两个图像的时间差，以及预设湍流在两个图像中的距离，计算预设湍流经过该子区域的平均速度，因为时间差很小，因此可以将该平均速度作为预设湍流在该子区域的速度参数。
在实际实现过程中，上述拍摄区域通常包括设定数量的子拍摄区域；不同的子拍摄区域通常对应于不同流速的子区域。在确定待测量湍流的拍摄区域时，可以将预先设定的初始区域确定为当前子拍摄区域，然后基于当前子拍摄区域、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及对应的演化时间，确定下一个子拍摄区域；其中，上述演化时间可以基于预设湍流在当前子拍摄区域对应的子区域的结构特征尺度以及结构特征速度确定；该演化时间前后的湍流的结构发生变化，但还存在某些特征可以识别是同一湍流；在确定了一个子拍摄区域后，判断确定的子拍摄区域的数量是否小于设定数量；如果小于，将确定出的下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域；继续基于上述方式确定当前子拍摄区域之后的下一个子拍摄区域，直至子拍摄区域的数量等于设定数量；在确定了子拍摄区域后，可以按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，依次确定子拍摄区域对应的拍摄时序。
在基于当前子拍摄区域、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，确定下一个子拍摄区域时，可以基于当前子拍摄区域的中心位置、当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，计算下一个子拍摄区域的中心位置；然后将当前子拍摄区域的范围大小确定为下一个子拍摄区域的范围大小；最后基于下一个子拍摄区域的中心位置及范围大小，确定下一个子拍摄区域的拍摄范围。
上述初始区域对应于预先设定的基准拍摄时序；拍摄时序包括每个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序、第二激光拍摄时序、第一相机拍摄时序以及第二相机拍摄时序。在按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，依次确定子拍摄区域对应的拍摄时序时，将初始区域确定为当前子拍摄区域，将基准拍摄时序确定为当前子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；再基于第一激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定第一相机拍摄时序；基于第一激光拍摄时序、当前子拍摄区域所在的子区域的速度参数以及预设的图像参数，确定当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序；然后基于第二激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定第二相机拍摄时序；判断当前子拍摄区域是否为待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域；如果否，按照待测量湍流流经子拍摄区域的顺序，确定当前子拍摄区域的下一个子拍摄区域；基于当前子拍摄区域对应的第二拍摄时序以及对应的演化时间，确定下一个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；将下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域，继续基于上述方式确定当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序，直至当前子拍摄区域为待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域。
步骤S402，基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列。
具体而言，可以针对于每个子拍摄区域，基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第一激光拍摄时序产生激光，子拍摄区域对应的第一相机按照第一相机拍摄时序获取包括待测量湍流的子拍摄区域的第一图像；基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第二激光拍摄时序产生激光，子拍摄区域对应的第二相机按照第二相机拍摄时序获取包括待测量湍流的子拍摄区域的第二图像；将获取到各个子拍摄区域的第一图像以及第二图像按照拍摄时序进行排列，将排列后的图像确定为待测量湍流的图像序列。
步骤S404，基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。
上述图像序列通常包括按照拍摄时序排列的预先确定的子拍摄区域的第一图像和第二图像；时间演化特征可以包括瞬态湍流结构速度以及结构演化变化情况。具体而言，针对每个子拍摄区域，基于子拍摄区域的第一图像以及第二图像，根据互相关算法确定子拍摄区域中待测量湍流的瞬态湍流结构速度；基于相邻的两个子拍摄区域中，前一个子拍摄区域的第二图像以及后一个子拍摄图像的第一图像，通过预设的图像分析方法确定第二图像以及第一图像的时间间隔对应的待测量湍流的结构演化变化情况。此外，时间演化特征可以根据需要设置多种参数，这些参数通常能从拍摄得到的图像序列中分析得到。
本发明实施例提供了一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法，首先基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；然后基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；最后基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。该方式中，考虑到流场区域包括多个流速不同的子区域，湍流在各个子区域的速度不同，确定了对应于湍流在演化过程中的结构变化的拍摄区域及拍摄时序，进而获取到能够准确反映待测量湍流结构变化的图像序列，从而提高了对湍流随时间演化特征的测量精度。
本发明实施例还提供了另一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法；该方法在图4所示的方法基础上实现。该方法以现有的成熟基于纳米的平面激光散射技术(NPLS技术)为基础，现有NPLS技术可以获取高分辨率和高信噪比的超声速/高超声速湍流结构图像，但是无法实现动态演化的时间序列湍流图像获取。在该技术的基础上，成像系统由多个CCD相机并联组成，可称为多CCD相机阵列40；光源系统由多腔激光器20并联组成，再将多个激光器的光束合束成同一光源。整个系统以计算机50控制高精度同步控制器60实现各系统的协同工作，其测量系统的示意图如图5所示。测量过程中，通过风洞试验段70产生流场，在超声速/高超声速流场中通过纳米示踪粒子发生器80加入纳米粒子作为示踪剂，用八腔激光按照指定工作时序依次照明流场，多相机按照指定工作时序依次成像获取时间序列图像，具体工作时序详见后面的说明。
为满足超声速/高超声速湍流动态演化的测量需求，提出移动测量区域和可变时序的测量方法，移动测量区域测量方法的原理图如图6所示，可变时序的测量方法如图7所示，整个测量过程可分为三个阶段：
第一个阶段为参数确定阶段(相当于上述确定流场区域的流速数据)，具体步骤如下：
第一步通过传统方法(如NPLS方法，纳米平面激光散射和PIV，粒子图像速度场等方法)测量某一具体的待测湍流结构在流场运动的大致速度情况，这里可以采用大的拍摄范围，从宏观观察整个湍流结构的大致运动规律，大致估算湍流结构在不同区域的运动速度和变化速率。
第二步根据同一湍流结构在不同流场区域的速度变化规律，针对每个相机设置移动的拍摄区域，并根据湍流结构拍摄的分辨率要求，确定具体拍摄范围(可以缩小范围提高图像分辨率)，且每个移动的拍摄区域的相对范围是一致的，保证有相同的图像分辨率。这里以八个相机的拍摄系统进行举例(参考图6)，八个相机拍摄系统确定四个移动的拍摄区域，其中每两个相机固定在同一拍摄区域，用于计算该拍摄区域的流场速度。第一个拍摄区域为初始区域(或者基准拍摄区域)，第二个拍摄区域与第一个拍摄的相对距离为Δx12＝Ux1·t演化1和Δy12＝Uy1·t演化1，其中Ux1和Uy1为湍流结构从拍摄区域1运动到拍摄区域2在x方向和y方向上大致的平均运动速度，可以根据第一步的结果大致估算(如果不合适，在后期具体实验过程中可以根据实际情况再调整)，t演化1为同一湍流结构从拍摄区域1运动到拍摄区域2的特征演化时间。特征演化时间t演化1可以根据相机1拍摄区域流场当地湍流结构的特征运动时间tc确定。具体的，拍摄区域1的湍流结构特征运动时间tc1可由当地湍流结构的特征尺度lc1和湍流结构特征速度uc1计算得到tc1＝lc1/uc1。以典型的湍流边界层流动为例，特征尺度可以用当地边界层厚度δ1表示，lc1＝δ1，特征速度可以以当地边界层外边界速度U99表示，得到tc1＝δ1/U99。特征演化时间可以选取为t演化1＝n·tc，n＝1,2,3…等。这里选取没有固定标准，主要看在t演化1时间间隔后，同一湍流结构还能否被准确识别，而且能否观察到明显的变化规律，一般t演化1为tc的整数倍，为了在后期分析时更有利于定量化提取特征规律。(注：Ux1和Uy1为第一个拍摄区域的流场瞬态速度的预估值，仅为参考，而特征尺度lc和特征速度uc为某一特定湍流流动的特有参数，一般是确定的，但是不同流动和同一流场的不同区域，特征尺度和特征速度是会变化的，必须用待测区域的具体值)。为取得更好的测量效果，参数Δx12，Δy12和t演化1可以根据具体实验测量的情况在测量实施过程中再进行优化调整。
第三步，按照上述方法设置拍摄区域3，具体为第3拍摄区域与第2拍摄区域的距离为Δx23＝Ux2·t演化2和Δy23＝Uy2·t演化2，Ux2和Uy2为湍流结构从拍摄区域2运动到拍摄区域3在x方向和y方向上大致的平均运动速度，t演化2为同一湍流结构从拍摄区域2运动到拍摄区域3的特征演化时间，按照第二步的方法设置参数t演化2。设置拍摄区域4，具体为第4拍摄区域距离第3拍摄区域为Δx34＝Ux3·t演化3和Δy34＝Uy3·t演化3，Ux3和Uy3为湍流结构从拍摄区域3运动到拍摄区域4在x方向和y方向上大致的平均运动速度，t演化3为同一湍流结构从拍摄区域3运动到拍摄区域4的特征演化时间，参数选取的方法与第二步相同。注意，在选取参数t演化1，t演化2和t演化3时，一定要根据每个区域的具体的流场特征尺度和特征速度进行选取。
第四步，设置激光器和相机的工作时序(参考图7)。以第一个激光器工作时间为基准，第二个激光在第一个激光出光之后Δt12出光，第三个激光在第二个激光出光后t23出光，第四个激光在第三个激光出光后Δt34出光，第五个激光在第四个激光出光后t45出光，第六个激光在第五个激光出光后Δt56出光，第七个激光在第六个激光出光后t67出光，第八个激光在第七个激光出光后Δt78出光。相机工作时序参考激光器工作时序，保证每一次激光器发出的光能够被对应的相机拍摄，获取对应时刻图像并存储。工作时序要求每个相机只能捕获对应激光器的光，不会将其它激光信号捕获而出现多个影像的问题。比如相机1只有捕获激光1发出的光信号，不能捕获激光2发出的光信号，同样的，相机2也不能捕获的激光1和激光3的光信号。具体相机工作时序需要参考每个相机的实际工作响应延时和同步控制信号的延时。激光器和相机的工作时序通过电脑设定，由高精度同步控制器精确控制。
为设定激光器工作时序，具体的，根据相机1拍摄时刻对应流场的主流速度Ux1(因为超声速/高超声速湍流运动，Ux1比Uy1大1-2个数量级)，第一个拍摄区域在x方向的拍摄范围L＝x2-x1，相机分辨率M(M＝L/相机x方向的像素)等参数，计算得到时间参数Δt12＝16M/Ux1(这里是按照PIV互相关原理，选用64个像素查问区，按照1/4个查问区需要16个像素的原则确定的，实验测量时如果不满足要求，需要根据实际情况进行调整，比如Δt12＝8M/Ux1)。时间参数Δt34、Δt56、Δt78按照相同方法由对应拍摄区域内流场速度设定。参数t23、t45、t67可以根据前面三步的参数设定t23＝t演化1、t45＝t演化2、t67＝t演化3。
②第二个阶段为实验实施阶段，具体步骤如下：
第一步，在确定的第一个拍摄区域内放置标定相机用的标定板，标定板为上面可以精确刻度的板子，比如常用的棋盘格等。精确调整标定板位置，使得标定板上有效刻度的位置与区域x1到x2，y1到y2一致，标定板上有效刻度的范围为L＝x2-x1,H＝y2-y1，调节相机1和相机2的拍摄角度位置能够包含标定板区域，且尽量一致，都能包含全部有效刻度，并且相差不是很大，保证成像分辨率基本一致。然后固定相机位置不动，拍摄标定板图像。
第二步，在确定的第二个拍摄区域内放置相同的标定板，精确调整标定板位置，使得标定板上有效刻度的位置与区域x1+Δx12到x2+Δx12，y1+Δy12到y2+Δy12一致，调节相机3和相机4的拍摄角度位置能够包含标定板区域，且尽量一致，并固定相机位置不动，拍摄标定板图像。
第三步，在确定的第三个拍摄区域内放置相同的标定板，精确调整标定板位置，使得标定板上有效刻度的位置与区域x1+Δx12+Δx23到x2+Δx12+Δx23，y1+Δy12+Δy23到y2+Δy12+Δy23一致，调节相机5和相机6的拍摄角度位置能够包含标定板区域，且尽量一致，并固定相机位置不动，拍摄标定板图像。
第四步，在确定的第四个拍摄区域内放置相同的标定板，精确调整标定板位置，使得标定板上有效刻度的位置与区域x1+Δx12+Δx23+Δx34到x2+Δx12+Δx23+Δx34，y1+Δy12+Δy23+Δy34到y2+Δy12+Δy23+Δy34一致，调节相机7和相机8的拍摄角度位置能够包含标定板区域，且尽量一致，并固定相机位置不动，拍摄标定板图像。
第五步，完成相机位置调整后，运行风洞，在流场中撒播微量纳米粒子作为示踪剂，运行激光器按照图7中的激光器工作时序依次发出激光流场待测流场区域，8个相机按照相机工作时序顺序成像，获取时间序列流场图像并存储。
③第三个阶段为实验分析处理阶段，具体拍摄过程如下：
第一步，根据每个相机的标定板图像，对相机进行标定，使校准后相机1和2具有相同有效拍摄范围，同理，相机3和4，5和6,7和8都各组具有相同有效拍摄范围，并根据每个有效拍摄范围之间的相对距离区域Δx12、Δy12、Δx23、Δy23、Δx34、Δy34将八个相机的标定后的有效范围的物理坐标统一起来，为后面分析提供基础。
第二步，根据互相关算法，分别计算相机1和2，相机3和4，相机5和6，相机7和8的图像，分别获得4个不同拍摄区域对应的瞬态湍流结构速度，Ux1真和Uy1真，Ux2真和Uy2真，Ux3真和Uy4真，Ux4真和Uy4真，结合图像分析的方法，利用相机2和相机3，相机4和相机5，相机6和相机7的图像，获取对应时间间隔下同一湍流结构的演化变化情况，再结合Ux1真和Uy1真，Ux2真和Uy2真，Ux3真和Uy4真，Ux4真和Uy4真等参数，获得同一湍流结构在演化过程中，某一时刻的瞬态结构和速度分布，以及下一个时刻结构的变化和对应的瞬态速度分布等结果，根据不同时间间隔湍流结构的参数，分析湍流动态演化的特性，及其与瞬态结构之间的联系。
在第三阶段分析处理过程中，如果发现参数设置不是很合适，可以适当调整第一阶段设置的参数，然后重复第二阶段的实施过程，再通过第三阶段分析结果，检验是否满足测量要求。
该方法将拍摄系统和拍摄方法结合，可以实现变测量区域和变时间间隔结合的湍流动态演化的测量，并将流场结构测速与演化相结合，此外还进行了移动拍摄区域的设定和图像标定方法。该方法针对超声速/高超声速湍流演化特点，提供了更具有针对性的实验数据，无需成本较高的超高速相机，成本相对较低；可以现有设备为基础，设备技术成熟；该方法采集的单幅图像的信噪比和空间分辨率较高。
对应于上述方法实施例，本发明实施例还提供一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定装置，如图8所示，该装置包括：
拍摄区域确定模块800，用于基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；流场区域包括多个流速不同的子区域；流速数据包括预设湍流在子区域的速度参数；
图像序列获取模块802，用于基于拍摄区域及拍摄时序，获取待测量湍流的图像序列；
演化特征确定模块804，用于基于待测量湍流的图像序列，确定待测量湍流的时间演化特征。
本发明实施例提供的湍流时间演化特征的确定装置，与上述实施例提供的湍流时间演化特征的确定方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
对应于上述装置实施例，本发明实施例还提供一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定系统，如图9所示。该系统包括控制器10、多腔激光器20以及多台相机30，控制器分别与多腔激光器以及多台相机连接；上述装置设置于控制器。
本发明实施例提供的湍流时间演化特征的确定系统，与上述实施例提供的湍流时间演化特征的确定装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
本发明实施例还提供了一种电子设备，参见图10所示，该电子设备包括处理器130和存储器131，该存储器131存储有能够被处理器130执行的机器可执行指令，该处理器130执行机器可执行指令以实现上述手术室异常情况处理方法。
进一步地，图10所示的电子设备还包括总线132和通信接口133，处理器130、通信接口133和存储器131通过总线132连接。
其中，存储器131可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口133(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线132可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器130可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器130中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器130可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器131，处理器130读取存储器131中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该机器可执行指令促使处理器实现上述手术室异常情况处理方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的手术室异常情况处理方法及装置和电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法，其特征在于，包括：
基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；所述流场区域包括多个流速不同的子区域；所述流速数据包括预设湍流在所述子区域的速度参数；
基于所述拍摄区域及所述拍摄时序，获取所述待测量湍流的图像序列；
基于所述待测量湍流的图像序列，确定所述待测量湍流的时间演化特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流场区域的流速数据通过以下方式确定：
在预设湍流运动过程中，按照预设湍流流经所述子区域的顺序依次获取所述预设湍流在所述子区域的图像集合；针对每个子区域，所述图像集合至少包括两个图像；
针对每个子区域，基于所述图像集合，确定所述预设湍流在所述子区域的所述子区域的速度参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拍摄区域包括设定数量的子拍摄区域；
基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域的步骤，包括：
将预先设定的初始区域确定为当前子拍摄区域；
基于所述当前子拍摄区域、所述当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及对应的演化时间，确定下一个子拍摄区域；所述演化时间基于所述预设湍流在所述当前子拍摄区域对应的子区域的结构特征尺度以及结构特征速度确定；
判断确定的子拍摄区域的数量是否小于设定数量；
如果小于，将确定出的下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域；继续执行基于所述当前子拍摄区域、所述当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及预先确定的演化时间，确定下一个子拍摄区域的步骤，直至所述子拍摄区域的数量等于设定数量；
按照所述待测量湍流流经所述子拍摄区域的顺序，依次确定所述子拍摄区域对应的拍摄时序。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述当前子拍摄区域、所述当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，确定下一个子拍摄区域的步骤，包括：
基于所述当前子拍摄区域的中心位置、所述当前子拍摄区域对应的子区域的速度参数以及演化时间，计算下一个子拍摄区域的中心位置；
将所述当前子拍摄区域的范围大小确定为所述下一个子拍摄区域的范围大小；
基于所述下一个子拍摄区域的中心位置及所述范围大小，确定所述下一个子拍摄区域的拍摄范围。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述初始区域对应于预先设定的基准拍摄时序；所述拍摄时序包括每个所述子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序、第二激光拍摄时序、第一相机拍摄时序以及第二相机拍摄时序；
按照所述待测量湍流流经所述子拍摄区域的顺序，依次确定所述子拍摄区域对应的拍摄时序的步骤，包括：
将所述初始区域确定为当前子拍摄区域，将所述基准拍摄时序确定为所述当前子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；
基于所述第一激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定所述第一相机拍摄时序；
基于所述第一激光拍摄时序、所述当前子拍摄区域所在的子区域的速度参数以及预设的图像参数，确定所述当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序；
基于所述第二激光拍摄时序以及预设的相机参数，确定所述第二相机拍摄时序；
判断所述当前子拍摄区域是否为所述待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域；
如果否，按照所述待测量湍流流经所述子拍摄区域的顺序，确定所述当前子拍摄区域的下一个子拍摄区域；
基于所述当前子拍摄区域对应的第二拍摄时序以及对应的演化时间，确定所述下一个子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序；
将所述下一个子拍摄区域确定为当前子拍摄区域，继续执行基于所述第一激光拍摄时序、所述当前子拍摄区域所在的子区域的速度参数以及预设的图像参数，确定所述当前子拍摄区域对应的第二激光拍摄时序的步骤，直至所述当前子拍摄区域为所述待测量湍流流经的最后一个子拍摄区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拍摄区域包括多个子拍摄区域；所述拍摄时序包括每个所述子拍摄区域对应的第一激光拍摄时序、第二激光拍摄时序、第一相机拍摄时序以及第二相机拍摄时序；
基于所述拍摄区域及所述拍摄时序，获取所述待测量湍流的图像序列的步骤，包括：
针对于每个所述子拍摄区域，基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第一激光拍摄时序产生激光，所述子拍摄区域对应的第一相机按照第一相机拍摄时序获取包括所述待测量湍流的子拍摄区域的第一图像；
基于平面激光散射方法，通过预设的多腔激光器按照第二激光拍摄时序产生激光，所述子拍摄区域对应的第二相机按照第二相机拍摄时序获取包括所述待测量湍流的子拍摄区域的第二图像；
将获取到各个所述子拍摄区域的第一图像以及第二图像按照所述拍摄时序进行排列，将排列后的图像确定为所述待测量湍流的图像序列。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像序列包括按照拍摄时序排列的预先确定的子拍摄区域的第一图像和第二图像；所述时间演化特征包括瞬态湍流结构速度以及结构演化变化情况；
基于所述待测量湍流的图像序列，确定所述待测量湍流的时间演化特征的步骤，包括：
针对每个所述子拍摄区域，基于所述子拍摄区域的第一图像以及第二图像，根据互相关算法确定所述子拍摄区域中所述待测量湍流的瞬态湍流结构速度；
基于相邻的两个子拍摄区域中，前一个子拍摄区域的第二图像以及后一个子拍摄图像的第一图像，通过预设的图像分析方法确定所述第二图像以及所述第一图像的时间间隔对应的待测量湍流的结构演化变化情况。
8.一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定装置，其特征在于，包括：
拍摄区域确定模块，用于基于预先确定的流场区域的流速数据，确定待测量湍流的拍摄区域及拍摄时序；所述流场区域包括多个流速不同的子区域；所述流速数据包括预设湍流在所述子区域的速度参数；
图像序列获取模块，用于基于所述拍摄区域及所述拍摄时序，获取所述待测量湍流的图像序列；
演化特征确定模块，用于基于所述待测量湍流的图像序列，确定所述待测量湍流的时间演化特征。
9.一种超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定系统，其特征在于，包括控制器、多腔激光器以及多台相机，所述控制器分别与所述多腔激光器以及所述多台相机连接；权利要求8所述的装置设置于所述控制器。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至7任一项所述的方法。
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