CN114739626A - 一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，涉及航空航天空气动力学风洞试验及图像数据处理技术领域，包括：系统稳定性测试，包括激光器固有延时测定、双曝光相机固有延时测定和跨帧时间测定、系统精度测试；双曝光相机测量涂料荧光寿命；压敏漆寿命法校准；寿命法测量系统硬件参数设置；寿命法测量系统时序参数设置；试验图像采集；Gate2图像去模糊；压力分布计算，先后完成图像配准和光强比图像计算，根据光强比图像计算压力分布图像，分别计算转子叶片和静子叶片的压力分布。本发明给出了满足试验标准的寿命法测量系统指标范围，提出了旋转叶栅试验硬件参数设置和时序参数设置方法，可用于指导试验设计。

Description

一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法
技术领域
本发明属于航空航天空气动力学风洞试验及图像数据处理技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法。
背景技术
快速响应压敏漆（fast response pressure sensitive paint，FPSP），简称为FPSP或快响PSP，该测量技术是在稳态压敏漆测量技术基础上发展起来的非接触动态压力分布测量技术，与传统的离散点动态压力传感器测量方法相比，该技术具有空间分辨高、测量不受模型结构限制等优点。该技术可实现模型表面大面积动态与非定常压力分布测量，可为飞行器结构强度优化设计提供动态载荷试验数据，为飞行器与航空发动机复杂非定常流动机理研究与试验验证提供技术支撑。
快速响应PSP测量系统有光强法和寿命法两种。光强法测量系统使用高速相机和高功率LED光源，可获得高时间、空间分辨率的模型表面压力数据，适用于脉动压力测量试验；寿命法系统使用双曝光相机和高能量激光器，可实现高速运动试验件表面周期动态压力测量。
寿命法测量系统利用探针分子荧光寿命与压力之间的关系实现压力测量。寿命法测量系统可避免光照与探针分布不均匀造成的误差，由于压敏涂料荧光寿命较短，一般为微秒级，因此适用于高速运动模型的表面压力测量。常用的单脉冲寿命法测量系统主要由双曝光相机和单脉冲激光器组成。双曝光相机的特点是可实现连续两张图像的曝光，两张图像按顺序分别称为Gate1图像和Gate2图像，时间间隔一般为纳秒级，Gate1的曝光时间可设置，一般为微秒级，而Gate2的曝光时间不可设置，且受Gate1图像数据模数转换时间的限制，一般为毫秒级。
根据寿命法测量系统的工作原理可知，该系统各硬件工作时序的稳定性对系统精度影响很大，需要对硬件时序和系统精度进行测试，并给出满足试验的指标范围。某压气机旋转叶栅试验台转子叶尖速度最高为260m/s，可以通过调整相机曝光起始位置和曝光时间获得较为清晰的Gate1图像，而Gate2图像曝光时间一般长达几十毫秒，覆盖了涂料剩余的荧光寿命，导致Gate2图像不可避免的存在模糊的问题，需要针对性的进行去模糊处理。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题或缺陷，并提供后面将要说明的优点。
本发明提供了一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，包括以下步骤：
步骤S1、系统稳定性测试，包括激光器固有延时测定、双曝光相机固有延时测定、双曝光相机跨帧时间测定和系统精度测试；
步骤S2、双曝光相机测量涂料荧光寿命，利用测量系统的时序稳定性和高精度，得到涂料荧光寿命；
步骤S3、压敏漆寿命法校准，在校准腔内完成温度和压力范围覆盖风洞试验工况的校准；
步骤S4、寿命法测量系统硬件参数设置，包括激光器和双曝光相机参数设置，通过设置使图像视场和信噪比达到试验要求；
步骤S5、寿命法测量系统时序参数设置，通过时序设置实现不同转速和周期相位下的压力分布测量；
步骤S6、试验图像采集，先后完成背景图像、参考图像和试验图像的采集；
步骤S7、Gate2图像去模糊，通过点扩散函数估计和维纳滤波去模糊实现Gate2图像的去模糊；
步骤S8、压力分布计算，先后完成图像配准和光强比图像计算，根据光强比图像计算压力分布图像，重复步骤S4到步骤S6，分别计算转子叶片和静子叶片的压力分布。
优选的是，其中，所述步骤S1的具体步骤包括：
步骤S11、激光器固有延时测定，具体方法包括：使用同步控制器向激光器发送出光信号，使用光电倍增管测量激光器出光的光强，将光电倍增管输出信号和激光器出光信号接入示波器，测量示波器中激光器出光信号上升沿与光电倍增管输出信号上升沿的延时，该延时作为激光器的固有延时，进行多次测量求激光器固有延时的平均值；
步骤S12、双曝光相机固有延时测定和跨帧时间测定，利用罗丹明6G荧光粒子寿命短的特点，通过调节单脉冲激光器出光信号的时序位置，观察双曝光相机Gate1图像和Gate2图像是否出现测试样片图像，确定双曝光相机固有延时和跨帧时间，具体步骤包括：
步骤S121、将含罗丹明6G荧光粒子的涂料喷涂于测试样片，使用寿命法测量系统的激光器对样片进行激发，并使用该系统的双曝光相机进行图像采集，激光器与双曝光相机时序通过同步控制器控制，设置双曝光相机Gate1图像曝光时间；
步骤S122、根据激光器震荡蓄能信号时间T1和双曝光相机曝光外触发信号时间T3，通过调节激光器出光时间T2的位置，确定Gate1图像曝光时序的上升沿时间T4、下降沿时间T5和Gate2图像的上升沿时间T6，并得到双曝光相机固有延时Tcd=T4-T3，双曝光相机跨帧时间Tci=T6-T5，其中T4即为样片在Gate1图像中刚出现的时间，T5即为样片在Gate1图像中刚消失的时间，T6即为样片在Gate2图像中刚出现的时间；
为保持激光器能量稳定，其中T2相对T1的延时需要固定，即调整T2时，T1同步调整；
步骤S123、重复测试双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间，求双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间的平均值；
步骤S13、系统精度测试，具体方法包括：为系统性的验证步骤S11、步骤S12步骤测试结果和激光器能量抖动对寿命法测量结果的影响，计算步骤S3中每个校准点连续采集的多对Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，根据计算得到的校准点光强比的波动，判断测量系统是否满足测压试验精度要求。
优选的是，其中，所述步骤S2的具体方法包括：
固定激光器震荡蓄能信号时间T1和激光器出光时间T2时间位置，设定Gate1图像的曝光时间，通过调节双曝光相机曝光外触发信号时间T3，获得样片从最亮到消失的Gate1图像亮度序列 i I G1 (1,2,...,n)，并记录以出现最亮Gate1图像为零点的时间t i (1,2,…,n)；计算所有图像中心区域的光强平均值 i I G1_Avg ，拟合 i I G1_Avg (1,2,…,n)与t i (1,2,…,n)，从而得到压敏漆探针分子荧光寿命τ，拟合公式为：
Figure 199764DEST_PATH_IMAGE001
其中，I表示荧光强度，I 0 表示最大荧光强度，t表示时间，i表示图像序列数，i=1,2,…,n。
优选的是，其中，所述步骤S3压敏漆寿命法校准的具体方法包括：
将校准样片放置于校准腔，校准点的温度和压力范围覆盖风洞试验工况，完成校准数据采集，根据校准数据拟合得到压力P、温度T和光强比I r 的关系：
Figure 345574DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 986771DEST_PATH_IMAGE003
，I 1和I 2分别代表Gate1图像和Gate2图像，I ref1和I ref2分别为Gate1图像的参考图像和Gate2图像的参考图像，一般取常温大气压条件下的光强，a jk 表示拟合的多项式系数；
每个校准点需采集多对Gate1图像和Gate2图像，计算Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，作为I r 代入校准公式。
优选的是，其中，所述步骤S4寿命法测量系统硬件参数设置原则是使所采集的Gate1图像和Gate2图像清晰，且均具有一定的信噪比，寿命法测量系统硬件参数设置的具体步骤包括：调节激光器功率及激光器震荡蓄能信号时间T1与激光器出光时间T2的相对位置，使激光器工作在稳定的中等功率区间；根据视场大小确定激光器透镜和镜头，设置镜头光圈，确保有覆盖测量区域的景深，安装窄带滤镜；Gate1图像曝光时间覆盖激光器出光时间；常温常压条件下采集基准图像，计算基准Gate1图像和Gate2图像测量区域的光强均值，在大气压常温20℃条件下，两个均值应在双曝光相机满量程输出的40~60%，两个均值的比值应在0.7~1.3之间，通过调节激光器功率调节图像光强，通过控制双曝光相机曝光外触发信号时间T3对光强比值进行调整。
优选的是，其中，所述步骤S5寿命法测量系统时序参数设置的方法具体包括：
S51、外触发时序设置；在旋转叶栅旋转轴处安装光电开关，通过分频器将光电开关的信号降频到低于双曝光相机帧率，该降频信号作为寿命法测量系统同步触发器的外触发信号，在激光器震荡蓄能信号时间T1和激光器出光时间激光器出光时间T2固定不变的条件下，系统延时Td=T3-T0，其中T3是双曝光相机曝光外触发信号时间，T0是双曝光相机外触发信号；
S52、不同转速的时序设置；喷涂一个转子，需要调节系统延时Td，使被测转子出现在双曝光相机视场的中间区域，需要根据光电开关触点安装位置与被测转子的相对位置估算出系统延时Td，同时根据测试结果进行微调；不同转速条件下，Td需要进行重新设置，使测量转子出现在相同位置，设置原则是转子的转速与Td的乘积不变；
S53、不同相位时序设置；当研究同一周期不同相位的压力分布时，在估算周期内，通过调整系统延时Td的方式，得到不同相位的图像；周期估算方法为：转子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*静子叶片个数），静子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*转子叶片个数）。
优选的是，其中，所述步骤S6试验图像采集的步骤包括：
S61、先后完成背景图像、参考图像和试验图像的采集；背景图像为不开启激光器下采集到的图像，参考图像为大气常温条件下采集得到的图像，试验图像为在旋转叶栅试验台运行到指定工况后开始采集到的图像，采集三类图像时，寿命法测量系统硬件参数和时序参数应保持一致；
S62、调整设备位置，分别对准转子叶片和静子叶片的压力面和吸力面，重复步骤S4、步骤S5和步骤S61，得到不同转速、相位条件下转子和静子叶片的压力面和吸力面的试验图像。
优选的是，其中，所述步骤S7中对Gate2图像去模糊处理包括点扩散函数估计和维纳滤波去模糊两个步骤，具体为：
S71、点扩散函数估计；点扩散函数需考虑转子运动方向与速度，同时需考虑压敏漆探针分子荧光寿命，高速运动的转子叶片在图像平面内为上下刚体运动，点扩散函数为一维向量，图像每列的点扩散函数均存在差异，为提高计算精度根据每个点的运动方向计算出每个像素的点扩散函数，点扩散函数可定义为下式：
Figure 610651DEST_PATH_IMAGE004
Δx为转子运动距离，ω为转子角速度，r为测量区域内各像素到旋转中心的距离，τ为压敏漆探针分子荧光寿命；
S72、点扩散函数去模糊；点扩散函数确定后使用维纳滤波对图像进行去模糊处理，最后再进行高斯滤波降噪。
优选的是，其中，所述步骤S8压力分布计算的具体方法包括：
转子叶片压力分布计算，具体方法为：首先将Gate1图像和去模糊处理后的Gate2图像配准到静态条件下分别得到Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像；然后根据Gate1图像、去模糊处理后的Gate2图像、Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像计算光强比图像；最后将计算得到的光强比图像带入步骤S3中的校准公式计算得到转子叶片压力分布；
静子叶片不需要去模糊和配准，直接计算光强比图像，然后将计算得到的光强比图像带入步骤S3中的校准公式计算得到压力分布；
步骤S3中的温度T为给定的固定值，或通过数值计算和其它测量方式得到测量区域的温度分布。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提出了寿命法测量系统的硬件时序和系统精度的测试方法，给出了满足试验标准的指标范围；提出了基于双曝光相机的PSP涂料荧光寿命测量方法；提出了旋转叶栅试验硬件参数设置和时序参数设置方法，可用于指导试验设计；提出了基于旋转速度和涂料荧光寿命的点扩散函数估计方法，可得到清晰的Gate2图像。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法的流程图；
图2为单脉冲寿命法测量系统工作时序图；
图3为在校准点1处连续采集的30对校准样片图像中心区域的光强比波动示意图；
图4为在校准点2处连续采集的30对校准样片图像中心区域的光强比波动示意图；
图5为在校准点3处连续采集的30对校准样片图像中心区域的光强比波动示意图；
图6为本发明实施例中转子Gate2图像去模糊处理前的图像；
图7为本发明实施例中转子Gate2图像去模糊处理后的图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个元件或其组合的存在或添加。
实施例：
本实施例采用的试验模型为旋转叶栅试验台压气机转子和静子叶片，该试验台的压气机为1.5级亚音速压气机，旋转叶栅旋转轴处安装有光电开关，旋转叶栅每转一圈即发出一个信号，分别在转速720转/分钟，1440转/分钟，2160转/分钟三个转速开展相应的试验。试验前分别对窗口观测面内静子叶片和转子叶片各一片进行了FPSP喷涂处理，叶片模型的底漆厚度约为30μm，面漆厚度约为20μm，采用红外烤灯进行涂料固化。因转子在图像采集过程中一直在旋转运动，在转子压力和吸力面分别布置了8个标记点以用于图像配准。
试验使用的单脉冲寿命法测量系统包括：高分辨率跨帧相机、镜头、650+20nm窄带滤镜、532nm单脉冲激光器、导光臂、伽利略光束透镜组、多通道同步控制器、数据处理计算机。高分辨率跨帧相机分辨率为2056*2056，像元尺寸7.4μm，位深14bit，双曝光模式帧率5fps；650+20nm窄带滤光片，对532nm激发光通光率小于1:1000；单脉冲激光器，脉冲能量最大400mJ，脉冲宽度小于9ns，最大出光频率10Hz；七关节高精度导光臂，长1.8m，关节360°可旋转；伽利略透镜组，包括锥角20°、30°和50°的光头，安装于导光臂末端，伽利略透镜组焦距可调节，可将激光光束扩散为锥形光；同步控制器包含8通道，均为SMA接口，每通道时序可独立设置，时间精度小于250ps。
数据处理计算机与同步触发器和双曝光相机连接，一方面用于对同步触发器参数进行设置，进而控制激光器和双曝光相机的时序，另一方面用于接收双曝光相机采集的光强图像，进行图像后处理，获得旋转叶栅表面非定常压力分布。
如图1所示，本实施例的一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，包括以下步骤：
步骤S1、系统稳定性测试，包括激光器固有延时测定、双曝光相机固有延时测定、双曝光相机跨帧时间测定和系统精度测试，具体方法包括：
步骤S11、激光器固有延时测定；使用同步控制器向激光器发送出光信号，使用光电倍增管测量激光器出光的光强，光电倍增管的型号滨松H13320，将光电倍增管输出信号和激光器出光信号接入示波器，测量示波器中激光器出光信号上升沿与光电倍增管输出信号上升沿的延时，该延时作为激光器的固有延时，进行二十次测量求平均值，计算得到激光器固有延时Tlaser=855ns，抖动小于10ns，激光脉宽小于9ns，满足试验要求；
步骤S12、双曝光相机固有延时测定和双曝光相机跨帧时间测定；利用罗丹明6G荧光粒子寿命短的特点，罗丹明6G荧光粒子寿命为纳秒级，通过调节单脉冲激光器出光信号的时序位置，观察双曝光相机Gate1图像和Gate2图像是否出现测试样片图像，确定双曝光相机固有延时和跨帧时间，具体步骤包括：
步骤S121、将含罗丹明6G荧光粒子的涂料喷涂于测试样片，使用寿命法测量系统的激光器对样片进行激发，并使用该系统的双曝光相机进行图像采集，激光器与双曝光相机时序通过同步控制器控制，双曝光相机Gate1图像曝光时间设置为5μs；
步骤S122、如图2所示，T1为激光器震荡蓄能信号，T2为激光器出光时间，T3为双曝光相机曝光外触发信号时间，通过调节T2的位置，确定Gate1图像曝光时序的上升沿时间T4和下降沿时间T5，Gate2图像的上升沿时间T6，T4即为样片在Gate1图像中刚出现的时间，T5即为样片在Gate1图像中刚消失的时间，T6即为样片在Gate2图像中刚出现的时间，双曝光相机固有延时Tcd=T4-T3，双曝光相机跨帧时间Tci=T6-T5。其中延时调整的最小步长可以根据需要进行设置，本次测试最小步长为5ns；
为保持激光器能量稳定，其中T2相对T1的延时需要固定，即调整T2时，T1同步调整；
步骤S123、重复测试双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间10次以上，求双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间的平均值，计算得到该双曝光相机固有延时平均值为30.32μs，跨帧时间平均值为80ns。
步骤S13、系统精度测试；为系统性的验证S11、S12步骤测试结果和激光器能量抖动对寿命法测量结果的影响，计算步骤S3中压敏漆寿命法校准每个校准点连续采集的30对Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，所有校准点光强比波动均小于0.3%，满足测压试验精度要求，其中连续采集选取的几个校准点的光强比波动示意图如图3、图4和图5所示，图中横坐标为图像对数，纵坐标为光强比I 2/I 1；
步骤S2、双曝光相机测量涂料荧光寿命；如图2所示，固定T1和T2时间位置，设定Gate1图像的曝光时间为1μs，通过调节双曝光相机起始曝光时间点T3，T3调整步长为100ns，获得样片从最亮到消失的Gate1图像亮度序列 i I G1 (1,2,…,n)，并记录以出现最亮Gate1图像为零点的时间t i (1,2,…,n)；计算所有图像中心区域的光强平均值 i I G1_Avg ，拟合 i I G1_Avg (1,2,…,n)与t i (1,2,…,n)，从而得到压敏漆探针分子荧光寿命τ，拟合公式为：
Figure 552062DEST_PATH_IMAGE001
其中，I表示荧光强度，I 0 表示最大荧光强度，t表示时间，i表示图像序列数，i=1,2,…,n。
本试验涂料在压力P=1.0Bar，温度T=20℃条件下，其发光寿命约为15μs；
步骤S3、压敏漆寿命法校准；将校准样片放置于校准腔，校准点的温度和压力范围覆盖风洞试验工况，完成校准数据采集，根据校准数据拟合得到压力P、温度T和光强比I r 的关系：
Figure 868774DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 262846DEST_PATH_IMAGE003
，I 1和I 2分别代表Gate1图像和Gate2图像，I ref1和I ref2分别为Gate1图像的参考图像和Gate2图像的参考图像，一般取常温大气压条件下的光强，a jk 表示拟合的多项式系数；
每个校准点需采集30对Gate1和Gate2图像，计算Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，作为I r 代入校准公式；在双曝光相机满量程的30%~80%之间，双曝光相机曝光时序设置的原则是确保Gate1图像和Gate2图像在校准压力和温度范围内均具有较高的光强，确保图像具有较高的信噪比，同时避免某些校准点光强较弱和双曝光相机过曝的情况；
步骤S4、寿命法测量系统硬件参数设置；参数设置原则是使所采集的Gate1图像和Gate2图像清晰，且均具有一定的信噪比，具体步骤包括：调节激光器功率及T1与T2的相对位置，使激光器工作在稳定的中等功率区间；根据视场大小确定激光器透镜和镜头，设置镜头光圈，确保有覆盖测量区域的景深，安装650+20nm窄带滤镜；Gate1图像曝光时间覆盖激光器出光时间；常温常压条件下采集基准图像，计算基准Gate1图像和Gate2图像测量区域的光强均值，在大气压常温20℃条件下，两个均值应在双曝光相机满量程输出的40~60%，两个均值的比值应在0.7~1.3之间，可通过调节激光器功率调节图像光强，可通过控制双曝光相机曝光外触发信号时间T3对光强比值进行调整；
步骤S5、寿命法测量系统时序参数设置，具体步骤包括：
步骤S51、外触发时序设置；在旋转叶栅旋转轴处安装光电开关，由于旋转叶栅的转速高，需要通过分频器将光电开关的信号降频到低于双曝光相机帧率，本次试验降频到1Hz，该降频信号作为寿命法测量系统同步触发器的外触发信号，外触发信号为图2中的T0时间，在T1和T2固定不变的条件下，系统延时Td=T3-T0；
步骤S52、不同转速的时序设置；本试验喷涂一个转子，需要调节系统延时Td，使被测转子出现在双曝光相机视场的中间区域，需要根据光电开关触点安装位置与被测转子的相对位置估算出系统延时Td，同时根据测试结果进行微调。不同转速条件下，Td需要进行重新设置，使测量转子出现在相同位置，设置原则是转子的转速与Td的乘积不变；
步骤S53、不同相位时序设置；当研究同一周期不同相位的压力分布时，可在估算周期内，通过调整系统延时Td的方式，得到不同相位的图像；
周期估算方法：转子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*静子叶片个数），静子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*转子叶片个数）。
步骤S6、试验图像采集，具体步骤包括：
步骤S61、先后完成背景图像、参考图像和试验图像的采集；背景图像为不开启激光器采集到的图像，参考图像为大气常温条件下采集得到的图像，试验图像为在旋转叶栅试验台运行到指定工况后开始采集到的图像，采集三类图像时，寿命法测量系统硬件参数和时序参数应保持一致；
步骤S62、调整设备位置，分别对准转子叶片和静子叶片的压力面和吸力面，重复步骤S4、步骤S5和步骤S61，得到不同转速、相位条件下转子和静子叶片的压力面和吸力面的试验图像；
步骤S7、Gate2图像去模糊，针对转子叶片的Gate2图像进行去模糊处理，包括点扩散函数估计和维纳滤波去模糊两个步骤：
步骤S71、点扩散函数估计；点扩散函数需考虑转子运动方向与速度，同时需考虑压敏漆探针分子荧光寿命。高速运动的转子叶片在图像平面内为上下刚体运动，点扩散函数为一维向量，图像每列的点扩散函数均存在差异，为提高计算精度根据每个点的运动方向计算出每个像素的点扩散函数。点扩散函数定义为下式：
Figure 690416DEST_PATH_IMAGE004
Δx为转子运动距离，ω为转子角速度，r为测量区域内各像素到旋转中心的距离，τ为压敏漆探针分子荧光寿命。
步骤S72、点扩散函数去模糊；点扩散函数确定后使用维纳滤波对图像进行去模糊处理，最后再进行高斯滤波降噪，转子图像去模糊前后如图6和图7所示。可以看到图像模糊程度得到了很大的改善，边缘清晰；
步骤S8、压力分布计算，具体方法包括：
转子叶片压力分布计算，具体方法为：首先将Gate1图像和去模糊处理后的Gate2图像配准到静态条件下分别得到Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像；然后根据Gate1图像、去模糊处理后的Gate2图像、Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像计算光强比图像；最后将计算得到的光强比图像带入步骤S3中的校准公式计算得到转子叶片压力分布；
静子叶片不需要去模糊和配准，直接计算光强比图像，然后带入步骤S3中的校准公式计算得到静子叶片压力分布；
步骤S3中的温度为给定的固定值，或通过数值计算和其它测量方式得到测量区域的温度分布。
本发明同样适用于直升机桨叶、发动机螺旋桨等高速运动模型的压力分布测量试验。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、系统稳定性测试，包括激光器固有延时测定、双曝光相机固有延时测定、双曝光相机跨帧时间测定和系统精度测试；
步骤S2、双曝光相机测量涂料荧光寿命，利用测量系统的时序稳定性和高精度，得到涂料荧光寿命；
步骤S3、压敏漆寿命法校准，在校准腔内完成温度和压力范围覆盖风洞试验工况的校准；
步骤S4、寿命法测量系统硬件参数设置，包括激光器和双曝光相机参数设置，通过设置使图像视场和信噪比达到试验要求；
步骤S5、寿命法测量系统时序参数设置，通过时序设置实现不同转速和周期相位下的压力分布测量；
步骤S6、试验图像采集，先后完成背景图像、参考图像和试验图像的采集；
步骤S7、Gate2图像去模糊，通过点扩散函数估计和维纳滤波去模糊实现Gate2图像的去模糊；
步骤S8、压力分布计算，先后完成图像配准和光强比图像计算，根据光强比图像计算压力分布图像，重复步骤S4到步骤S6，分别计算转子叶片和静子叶片的压力分布。
2.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤包括：
步骤S11、激光器固有延时测定，具体方法包括：使用同步控制器向激光器发送出光信号，使用光电倍增管测量激光器出光的光强，将光电倍增管输出信号和激光器出光信号接入示波器，测量示波器中激光器出光信号上升沿与光电倍增管输出信号上升沿的延时，该延时作为激光器的固有延时，进行多次测量求激光器固有延时的平均值；
步骤S12、双曝光相机固有延时测定和双曝光相机跨帧时间测定，通过调节单脉冲激光器出光信号的时序位置，观察双曝光相机Gate1图像和Gate2图像是否出现测试样片图像，确定双曝光相机固有延时和跨帧时间，具体步骤包括：
步骤S121、将含罗丹明6G荧光粒子的涂料喷涂于测试样片，使用寿命法测量系统的激光器对样片进行激发，并使用该系统的双曝光相机进行图像采集，激光器与双曝光相机时序通过同步控制器控制，设置双曝光相机Gate1图像曝光时间；
步骤S122、根据激光器震荡蓄能信号时间T1和双曝光相机曝光外触发信号时间T3，通过调节激光器出光时间T2的位置，确定Gate1图像曝光时序的上升沿时间T4、下降沿时间T5和Gate2图像的上升沿时间T6，并得到双曝光相机固有延时Tcd=T4-T3，双曝光相机跨帧时间Tci=T6-T5，其中T4即为样片在Gate1图像中刚出现的时间，T5即为样片在Gate1图像中刚消失的时间，T6即为样片在Gate2图像中刚出现的时间；
为保持激光器能量稳定，其中T2相对T1的延时需要固定，即调整T2时，T1同步调整；
步骤S123、重复测试双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间，求双曝光相机固有延时和双曝光相机跨帧时间的平均值；
步骤S13、系统精度测试，具体方法包括：为系统性的验证步骤S11、步骤S12步骤测试结果和激光器能量抖动对寿命法测量结果的影响，计算步骤S3中每个校准点连续采集的多对Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，根据计算得到的校准点光强比的波动，判断测量系统是否满足测压试验精度要求。
3.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法包括：
固定激光器震荡蓄能信号时间T1和激光器出光时间T2时间位置，设定Gate1图像的曝光时间，通过调节双曝光相机曝光外触发信号时间T3，获得样片从最亮到消失的Gate1图像亮度序列 i I G1 (1,2,...,n)，并记录以出现最亮Gate1图像为零点的时间t i (1,2,…,n)；计算所有图像中心区域的光强平均值 i I G1_Avg ，拟合 i I G1_Avg (1,2,…,n)与t i (1,2,…,n)，从而得到压敏漆探针分子荧光寿命τ，拟合公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，I表示荧光强度，I 0 表示最大荧光强度，t表示时间, i表示图像序列数，i=1,2,…,n。
4.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S3压敏漆寿命法校准的具体方法包括：
将校准样片放置于校准腔，校准点的温度和压力范围覆盖风洞试验工况，完成校准数据采集，根据校准数据拟合得到压力P、温度T和光强比I r 的关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，I 1和I 2分别代表Gate1图像和Gate2图像，I ref1和I ref2分别为Gate1图像的参考图像和Gate2图像的参考图像，一般取常温大气压条件下的光强，a jk 表示拟合的多项式系数；
每个校准点需采集多对Gate1图像和Gate2图像，计算Gate1图像和Gate2图像中心区域均值的光强比，作为I r 代入校准公式。
5.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S4寿命法测量系统硬件参数设置原则是使所采集的Gate1图像和Gate2图像清晰，寿命法测量系统硬件参数设置的具体步骤包括：调节激光器功率及激光器震荡蓄能信号时间T1与激光器出光时间T2的相对位置，使激光器工作在稳定的功率区间；根据视场大小确定激光器透镜和镜头，设置镜头光圈，确保有覆盖测量区域的景深，安装窄带滤镜；Gate1图像曝光时间覆盖激光器出光时间；常温常压条件下采集基准图像，计算基准Gate1图像和基准Gate2图像测量区域的光强均值，在大气压常温20℃条件下，两个均值应在双曝光相机满量程输出的40~60%之间，两个均值的比值应在0.7~1.3之间，通过调节激光器功率调节图像光强，通过控制双曝光相机曝光外触发信号时间T3对光强比值进行调整。
6.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S5寿命法测量系统时序参数设置的方法具体包括：
S51、外触发时序设置；在旋转叶栅旋转轴处安装光电开关，通过分频器将光电开关的信号降频到低于双曝光相机帧率，该降频信号作为寿命法测量系统同步触发器的外触发信号，在激光器震荡蓄能信号时间T1和T2固定不变的条件下，系统延时Td=T3-T0，其中T3是双曝光相机曝光外触发信号时间，T0是双曝光相机外触发信号；
S52、不同转速的时序设置；喷涂一个转子，需要调节系统延时Td，使被测转子出现在双曝光相机视场的中间区域，需要根据光电开关触点安装位置与被测转子的相对位置估算出系统延时Td，同时根据测试结果进行微调；不同转速条件下，Td需要进行重新设置，使测量转子出现在相同位置，设置原则是转子的转速与Td的乘积不变；
S53、不同相位时序设置；当研究同一周期不同相位的压力分布时，在估算周期内，通过调整系统延时Td的方式，得到不同相位的图像；周期估算方法为：转子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*静子叶片个数），静子叶片压力变化周期=1/（每秒转速*转子叶片个数）。
7.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S6试验图像采集的步骤包括：
S61、先后完成背景图像、参考图像和试验图像的采集；背景图像为不开启激光器下采集到的图像，参考图像为大气常温条件下采集得到的图像，试验图像为在旋转叶栅试验台运行到指定工况后开始采集到的图像，采集三类图像时，寿命法测量系统硬件参数和时序参数应保持一致；
S62、调整设备位置，分别对准转子叶片和静子叶片的压力面和吸力面，重复步骤S4、步骤S5和步骤S61，得到不同转速、相位条件下转子和静子叶片的压力面和吸力面的试验图像。
8.如权利要求1所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S7中对Gate2图像去模糊处理包括点扩散函数估计和维纳滤波去模糊两个步骤，具体为：
S71、点扩散函数估计；点扩散函数需考虑转子运动方向与速度，同时需考虑压敏漆探针分子荧光寿命，高速运动的转子叶片在图像平面内为上下刚体运动，点扩散函数为一维向量，图像每列的点扩散函数均存在差异，为提高计算精度根据每个点的运动方向计算出每个像素的点扩散函数，点扩散函数可定义为下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Δx为转子运动距离，ω为转子角速度，r为测量区域内各像素到旋转中心的距离，τ为压敏漆探针分子荧光寿命；
S72、点扩散函数去模糊；点扩散函数确定后使用维纳滤波对图像进行去模糊处理，最后再进行高斯滤波降噪。
9.如权利要求4所述的基于快速响应压敏漆的旋转叶栅测压试验方法，其特征在于，所述步骤S8压力分布计算的具体方法包括：
转子叶片压力分布计算，具体方法为：首先将Gate1图像和去模糊处理后的Gate2图像配准到静态条件下分别得到Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像；然后根据Gate1图像、去模糊处理后的Gate2图像、Gate1图像的参考图像和去模糊处理后的Gate2图像的参考图像计算光强比图像；最后将计算得到的光强比图像带入步骤S3中的校准公式计算得到转子叶片压力分布；
静子叶片不需要去模糊和配准，直接计算光强比图像，然后将计算得到的光强比图像带入步骤S3中的校准公式计算得到静子叶片压力分布；
步骤S3中的温度T为给定的固定值，或通过数值计算得到测量区域的温度分布。
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