CN114354036A - 运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，包括以下步骤：在测试模型和标定样品的表面制备相同的压敏漆；采用两台相机对测试模型进行双目标定获得系统参数；发射测试模型，同步触发脉冲激光器和其中一台相机，发出脉冲激光束并激发压敏漆，拍摄第一图像，延迟触发另一台相机，拍摄第二图像；对两张图像进行图像匹配，逐像素计算三维坐标，逐像素计算两张图像的光强值之比；对样品进行压力敏感性标定，获取光强比‑压力标定曲线，逐像素计算测试模型的光强比对应的压力数值，获得模型表面每个像素点的三维坐标与压力数值。与现有技术相比，本发明能够非接触、高空间分辨率、高效率地实现高速运动模型表面压力与三维形貌同步测量。
Description
技术领域
本发明涉及高速运动模型气动热力学测量技术领域，尤其是涉及运动模型压力与三维形貌同步测量方法及测量装置。
背景技术
压敏漆(PSP)技术是利用发光探针分子在激发状态下的氧猝灭效应发展起来的一种高空间分辨率的非接触式光学流场测量技术。该技术在测试模型表面制备压敏漆，当涂层被紫外光激发时，通过CCD相机等图像采集设备采集涂层图像，并通过图像处理分析压敏漆的光强、发光寿命等特征重构模型表面的压力场。
近年来，压敏漆技术已广泛应用于风洞测试和飞行试验研究中。在运动模型的气动热力学实验研究中，受制于信号传输等问题，传统基于压力传感器等测量仪器的试验方法难以开展，压敏漆技术展现出明显的优势。但对于高速运动模型而言，开展压敏漆试验主要面临两项挑战。
当模型处于高速运动时，若使用基于光强的压敏漆测量方法，在模型运动过程中激发光场的改变会引入测量误差。此外强度法图像采集时间长，图像必然存在严重的运动模糊，图像数据质量降低。另一方面，在运动模型的气动热力学研究中，模型表面压力往往与运动姿态、形变等表现出显著的关联性，因此在模型压力参数测量的同步得获得其三维形貌信息对测试模型流固耦合特性的分析有重要的价值。现有的试验研究中，通常采用三维测量系统捕捉模型的空间姿态和形貌，与前文所述的压力测量系统相互独立，难以实现同步测量。
近几年来，针对高速运动模型的三维形貌、姿态及压力场同步测量技术逐渐得到研究人员的重视，数种新的方法被提出：
期刊《Measurement Science and Technology》中发表的论文“Single-shot,lifetime-based pressure-sensitive paint for rotating blades”提出了一种基于单脉冲寿命法的压敏漆测量方法，在涂料光强衰减阶段使用一台跨帧相机连续记录两张图像，用于表征发光寿命值，并据此计算压力。该方法在旋翼等叶轮机械表面得到了较好的应用，将运动模型压敏漆测量的速度上限提升至约300m/s。然而，该技术和试验装置并未彻底解决更高速度下的图像运动模糊问题。由于跨帧相机第二帧为开放式曝光，其快门曝光时间较长，当模型运动速度更高(>1000m/s)时第二帧图像存在严重的运动模糊，数据质量大幅下降，引入测量误差。此外，该方法仅能获得二维图像信息，尚无法同步获得模型三维数据。
中国发明专利CN 112066912 A公开了一种使用投影结构光及压敏漆技术的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，然而该方法使用基于相移法的相位测量方式，多幅图像需要较长的采集时间，因此不适合于运动模型的应用。此外该方法中条纹相位信息受到压力脉动的影响，造成局部相位的畸变，降低三维测量精度。
期刊《Measurement Science and Technology》发表的“Simultaneousmeasurement of surface shape and pressure using structured illumination”提出了一种使用改装的紫外LCD投影仪投影散斑图案，使用双目系统重建模型三维坐标。该方法仍使用基于强度法的压敏漆数据采集方法，不适合于运动模型测量。
期刊《Measurement》发表的论文“Simultaneous pressure and deformationfield measurement on helicopter rotor blades using a grid-pattern pressure-sensitive paint system”提出了一种基于双目视觉系统和网格压敏漆的旋翼空间姿态和压力测量方法，该方法使用的压敏漆表面需要设置网格图案，造成了网格点处的压力信息缺失，降低了空间分辨率，同时网格图案边缘数据的间断也会引入新的测量误差。
综上所述，在气动热力学试验研究中，实现运动模型表面压力、及三维形貌与姿态同步测量面临诸多挑战，开发相应的测量方法及测量装置具有重要意义。
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非接触式的、高空间分辨率的和高效率的运动模型压力与三维形貌同步测量方法及测量装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，包括以下步骤：
S1：分别在测试模型和用于压力敏感性标定的样品表面制备相同的压敏漆；
S2：采用两台相机组成双目图像采集系统，对所述测试模型进行双目标定，获取系统标定参数；
S3：发射所述测试模型，使得所述测试模型处于自由飞行状态，按照时序控制，同步触发脉冲激光器和其中一台相机，发出脉冲激光束并投影至所述测试模型以激发压敏漆，并拍摄第一图像，延迟触发另一台相机，拍摄第二图像；
S4：根据图像散斑特征对第一图像和第二图像进行匹配，并根据所述系统标定参数重构测试模型的三维坐标，同时根据图像匹配结果建立的像素点映射关系逐像素计算两张图像的光强值之比；
S5：使用压力标定系统对制备有压敏漆的样品进行压力敏感性标定，获取光强比-压力标定曲线；
S6：根据光强比-压力标定曲线，逐点计算测试模型的光强比对应的压力数值，最终获得模型表面每个像素点的三维坐标与压力数值，实现三维形貌和压力分布的同步测量。
优选地，所述脉冲激光束依次经过毛玻璃扩散片和投影镜头的中心线，形成含有带有散斑图案的大面积面光源投影并覆盖所述测试模型的表面，以激发所述测试模型表面的压敏漆。
优选地，两台相机的曝光时间相同，均为1～10μs。
优选地，所述第二图像的拍摄时间与所述第一图像的拍摄时间相差1～10μs。
优选地，所述S5包括以下步骤：
S5.1：将S1中制备有压敏漆的样品置于开设有玻璃视窗的压力标定舱内；
S5.2：使用与S3相同的时序和图像采集方法获取两张压敏漆样品图像；
S5.3：调节所述压力标定舱内的压力到目标压力值，在两张压敏漆样品图像的中心点附近分别取相同边长的正方形区域，对正方形区域中的像素光强值求平均，并将平均光强值相除，获取目标压力值下的光强比数值；
S5.4：重复S5.3，获取多组压力－光强比数据，使标定的压力范围覆盖测试量程，并根据所有压力－光强比数据绘制光强比-压力标定曲线。
根据本发明的另一方面，提供了一种实现所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法的同步测量装置，用以同步测量测试模型的表面压力和三维形貌，其特征在于，包括：
信号发生器：用以产生触发信号；
延迟脉冲发生器：用以实现所述触发信号的同步和延迟；
激发光模块：用以生成脉冲激发光并形成散斑图案均匀分布的面光投射至测试模型；
图像测量模块：用以进行双目标定，获取系统标定参数和捕获被激发后的压敏漆发光图像；
计算机：用以存储图像测量模块捕获的图像和获取的系统标定参数。
优选地，所述激发光模块包括依次设置的脉冲激光器、毛玻璃扩散片和投影镜头，所述脉冲激光器发出脉冲激光束，经毛玻璃扩散片的调制，形成带有散斑图案的小面积面光源，再经投影镜头扩束后形成含有大散斑图案的大面积面光源，覆盖所述测试模型的表面，进而激发所述测试模型表面的压敏漆。
优选地，所述脉冲激光器发出的脉冲激光波长为200～1000nm，脉冲能量范围为1mJ～1000mJ。
优选地，所述图像测量模块包括一号相机和二号相机，一号相机和二号相机上均设有成像镜头和用以滤除激发光仅保留压敏漆的荧光信号的滤光片。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过采用一套测量装置，能实现对高速运动模型，即运动速度为100～2000m/s的运动模型的的非接触式压力和空间三维形貌同步性测量，即在同一模型运动过程中的某一时刻，进行一次性图像数据采集，通过数据处理重构模型表面瞬态压力及三维形貌与空间姿态。
(2)本发明通过使用由脉冲激光器、毛玻璃扩散片和投影镜头组成的调制光路产生含有大散斑图案的大面积面光源，投影至测量模型表面激发压敏漆，使得压敏漆发光图像中存在相同的散斑图案，由于散斑图案能满足散斑暗部所在区域压敏漆对激发光强度的能量要求，确保了压敏漆在全域范围内的有效激发，实现全场压力测量，避免了在压敏漆表面直接进行标记的繁琐和标记点当地信号的缺失，保证全场压力数据的完整性。
(3)本发明通过使用两台相机进行图像拍摄，并延迟其中一台相机的曝光开始时间，对两张图像的光强求比值，能够反映压敏漆发光寿命的变化，进一步使用系统标定参数获得压力值。由于两张图像均来自同一束脉冲激光对压敏漆的激发，因此对模型运动过程中激发光空间光强分布的改变不敏感，即具有自参考特性，适用于运动模型的压敏漆测量。
(4)本发明通过使用两台相机在有限的短时曝光采集压敏漆图像，最大程度地减小了运动模型图像的模糊。
附图说明
图1为本实施例的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法的流程图；
图2为图1所示实施例的时序控制图；
图3为实现图1所示实施例的测试装置的结构示意图；
图中标记为：1、信号发生器；2、延迟脉冲发生器；3、脉冲激光器；4、毛玻璃扩散片；5、投影镜头；6、测试模型；7、计算机；8、一号相机；9、二号相机；10、成像镜头；11、滤光片。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参考图1所示，本实施例提供一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，包括以下步骤：
S1：分别在测试模型6和用于压力敏感性标定的样品表面制备相同的压敏漆溶液；
作为一种可选的实施方式，压敏漆溶液为含有五氟四苯基卟啉铂探针的多孔陶瓷基底压敏漆，并使用压缩空气喷笔在测试模型6的表面均匀喷涂该压敏漆；压敏漆样品采用铝片。
S2：采用两台相机组成双目图像采集系统，并对所述测试模型其进行双目标定，获得系统标定参数。
S3：发射测试模型，使得测试模型处于自由飞行状态，按照系统时序，同步触发脉冲激光器和一号相机8，发出脉冲激光束并投影至所述测试模型以激发压敏漆，并拍摄第一图像，延迟触发二号相机9，拍摄第二图像；
作为一种可选的实施方式，采用一号相机8和二号相机9组成图像测量模块，两台相机均配有成像镜头10和滤光片11，滤光片11用于滤除激发光仅保留压敏漆的荧光信号。分别调整一号相机8和二号相机9的空间位置，使得两台相机的视野重叠区域覆盖测试模型，进而对测试模型进行双目标定，获取系统标定参数。
使用由脉冲激光器3、毛玻璃扩散片4和投影镜头5组成的调制光路，发出脉冲激光束，调整光路，使得脉冲激光束依次通过毛玻璃扩散片4和投影镜头5的中心线，当脉冲激光束通过毛玻璃扩散片4时，形成带有散斑图案的小面积面光源，再经投影镜头5扩束后形成含有大散斑图案的大面积面光源，覆盖测试模型6的表面，进而激发测试模型6表面的压敏漆；
参考图2所示，使用信号发生器1控制系统时序，产生两路同步的TTL信号同时触发脉冲激光器3和一号相机8，脉冲激光器3发出一束脉冲激光，同时一号相机8拍摄第一图像。使用延迟脉冲发生器2生成一路延迟的TTL信号，触发二号相机9拍摄第二张图像。
具体地，一号相机8和二号相机9的相机曝光时间相同，均为1～10μs。
具体地，延迟脉冲发生器2的信号延迟时间为1～10μs。
在本实施例中，相机曝光时间为5μs，信号延迟时间为3μs。
S4：根据图像散斑特征对第一图像和第二图像进行图像匹配，并根据系统标定参数重构测试模型的三维形貌信息，同时根据图像匹配结果建立的像素点映射关系逐像素计算两张图像的光强值之比；
S5：使用压力标定系统对制备有压敏漆的样品进行压力敏感性标定，获取光强比-压力标定曲线；
S5.1：将S1中制备有压敏漆的样品放置于开设有玻璃视窗的压力标定舱内；
S5.2：使用与S2相同的时序和图像采集系统获取两张压敏漆样品图像；
S5.3：调节压力标定舱内的压力到目标压力值，在两张压敏漆样品图像的中心点附近分别取边长为L的正方形区域，对正方形区域中的像素光强值求平均，并将平均光强值相除，获取目标压力值下的光强比数值；
作为一种可选的实施方式，正方形边长L为20像素。
S5.4：重复S5.3获取多组压力－光强比数据，使标定的压力范围覆盖测试量程，并根据所有压力－光强比数据绘制光强比-压力标定曲线。
S6：根据光强比-压力标定曲线，逐点计算测试模型的光强比对应的压力数值，最终获得模型表面每个像素点的三维坐标与压力数值，实现三维形貌和压力分布的同步测量。
参考图3所示，本实施例还提供一种实现运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法的测量装置，用以同步测量测试模型6的表面压力和三维形貌，包括：
信号发生器1：用以产生触发信号；
延迟脉冲发生器2：用以实现触发信号的同步和延迟；
激发光模块：用以生成脉冲激发光并形成散斑图案均匀分布的面光投射至测试模型6，包括依次设置的脉冲激光器3、毛玻璃扩散片4和投影镜头5，脉冲激光器3发出脉冲激光束，经毛玻璃扩散片4的调制，形成带有散斑图案的小面积面光源，再经投影镜头5扩束后形成含有大散斑图案的大面积面光源，覆盖测试模型6的表面，进而激发测试模型6表面的压敏漆；毛玻璃扩散片4目数为1000～3000；投影镜头5的焦距为20～100mm。
具体地，脉冲激光器波长为200～1000nm，脉冲能量范围为1mJ～1000mJ。本实施例具体采用波长为532nm、脉冲能量为300mJ的脉冲激光器，确保在较短的曝光时间内拍摄图像依然能获得较高的信噪比。
图像测量模块：用以进行双目标定，获取系统标定参数和捕获被激发后的压敏漆发光图像；包括一号相机8和二号相机9，相机像素数为100Mp～8000Mp；一号相机8和二号相机9上均设有成像镜头10和滤光片11，成像镜头10的镜头焦距为20～100mm，光圈值f1.2～5.6。
计算机7：用以存储图像测量模块捕获的图像和获取的系统标定参数。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别在测试模型和用于压力敏感性标定的样品表面制备相同的压敏漆；
S2：采用两台相机组成双目图像采集系统，对所述测试模型进行双目标定，获取系统标定参数；
S3：发射所述测试模型，使得所述测试模型处于自由飞行状态，按照时序控制，同步触发脉冲激光器和其中一台相机，发出脉冲激光束并投影至所述测试模型以激发压敏漆，并拍摄第一图像，延迟触发另一台相机，拍摄第二图像；
S4：根据图像散斑特征对第一图像和第二图像进行匹配，并根据所述系统标定参数重构测试模型的三维坐标，同时根据图像匹配结果建立的像素点映射关系逐像素计算两张图像的光强值之比；
S5：使用压力标定系统对制备有压敏漆的样品进行压力敏感性标定，获取光强比-压力标定曲线；
S6：根据光强比-压力标定曲线，逐点计算测试模型的光强比对应的压力数值，最终获得模型表面每个像素点的三维坐标与压力数值，实现三维形貌和压力分布的同步测量。
2.根据权利要求1所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，其特征在于，所述脉冲激光束依次经过毛玻璃扩散片和投影镜头的中心线，形成含有带有散斑图案的大面积面光源投影并覆盖所述测试模型的表面，以激发所述测试模型表面的压敏漆。
3.根据权利要求1所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，其特征在于，两台相机的曝光时间相同，均为1～10μs。
4.根据权利要求3所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，所述第二图像的拍摄时间与所述第一图像的拍摄时间相差1～10μs。
5.根据权利要求1所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：
S5.1：将S1中制备有压敏漆的样品置于开设有玻璃视窗的压力标定舱内；
S5.2：使用与S3相同的时序和图像采集方法获取两张压敏漆样品图像；
S5.3：调节所述压力标定舱内的压力到目标压力值，在两张压敏漆样品图像的中心点附近分别取相同边长的正方形区域，对正方形区域中的像素光强值求平均，并将平均光强值相除，获取目标压力值下的光强比数值；
S5.4：重复S5.3，获取多组压力－光强比数据，使标定的压力范围覆盖测试量程，并根据所有压力－光强比数据绘制光强比-压力标定曲线。
6.一种实现如权利要求1～5任一项所述的一种运动模型表面压力与三维形貌同步测量方法的同步测量装置，用以同步测量测试模型(6)的表面压力和三维形貌，其特征在于，包括：
信号发生器(1)：用以产生触发信号；
延迟脉冲发生器(2)：用以实现所述触发信号的同步和延迟；
激发光模块：用以生成脉冲激发光并形成散斑图案均匀分布的面光投射至测试模型(6)；
图像测量模块：用以进行双目标定，获取系统标定参数和捕获被激发后的压敏漆发光图像；
计算机(7)：用以存储图像测量模块捕获的图像和获取的系统标定参数。
7.根据权利要求6所述的同步测量装置，其特征在于，所述激发光模块包括依次设置的脉冲激光器(3)、毛玻璃扩散片(4)和投影镜头(5)，所述脉冲激光器(3)发出脉冲激光束，经毛玻璃扩散片(4)的调制，形成带有散斑图案的小面积面光源，再经投影镜头(5)扩束后形成含有大散斑图案的大面积面光源，覆盖所述测试模型(6)的表面，进而激发所述测试模型(6)表面的压敏漆。
8.根据权利要求7所述的同步测量装置，其特征在于，所述脉冲激光器(3)发出的脉冲激光波长为200～1000nm，脉冲能量范围为1mJ～1000mJ。
9.根据权利要求6所述的同步测量装置，其特征在于，所述图像测量模块包括一号相机(8)和二号相机(9)，一号相机(8)和二号相机(9)上均设有成像镜头(10)和用以滤除激发光仅保留压敏漆的荧光信号的滤光片(11)。
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|---|---|---|---|---|
| CN115575081A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-01-06 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种面向风洞脉动压力测量的二维点阵设计方法及装置 |
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-
2021
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| CN115575081B (zh) * | 2022-12-09 | 2023-03-14 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种面向风洞脉动压力测量的二维点阵设计方法及装置 |
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