CN115014696A - 一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，涉及航空航天空气动力风洞试验和信号采集技术领域，包括：多信号源采集环境搭建；采集环境参数设置和采集测试；风洞试验项目参数设置；采集系统运行测试；风洞试验数据采集与实时信号监测与分析；数据对齐处理；连续数据自动识别与提取；数据存储与分析。本发明提出了不同类型多采集设备的同步采集方法和数据对齐方法；提出了基于图像模式识别的连续数据自动识别与提取算法；提出了通道逻辑分组配置方法，通过监视组实现数据查看，发布组实现数据实时共享，通过文件组对数据进行分类存储。

Description

一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法

技术领域

本发明属于航空航天空气动力风洞试验和信号采集技术领域，更具体地说，本发明涉及一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法。

背景技术

风洞是一种产生可控均匀气流的管状试验装置，用于模拟飞行器在不同飞行高度和速度条件下的气动力现象。常见的风洞试验类型包括：测力试验、测压试验、进气道试验、测热试验、脉动压力试验、光学测量试验等。

风洞试验过程中，需要获取的物理量可能包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强等，常需要使用多种类型的传感器和数据采集设备对这些物理量进行测量。风洞中常用传感器的信号形式可分为模拟量和数字量两大类：模拟量包括电压和电流信号两大类；数字量需要基于通信协议进行数据传输，常用的通信协议包括TCP/IP、GigE、串口、Profinet、Labview共享变量等。模拟量数据采集设备一般包括信号滤波、放大、模数转换、数据存储与传输等功能，通过配置不同类型采集模块实现各类传感器的采集。与不同类型传感器配套的数据采集设备往往在总线形式、通讯协议、采样参数、采样时钟等方面存在差异，同时为满足大型风洞测点分散及大面积测压试验的需求，往往需要布置多套同类型或不同类型的采集系统。还有一些数据由风洞子系统，如迎角机构、风洞核心控制系统等，通过如OPC、共享变量等方式发送给数据采集系统。

现有的采集方案是根据传感器类型和分布情况布置适用的采集设备，并针对不同类型的数据采集设备开发相应的采集软件，一个作为主采集软件负责与风洞控制系统进行通讯，其他从采集软件根据主采集软件指令完成采集任务。

上述采集方案主要存在以下问题：各采集系统之间的通讯复杂，可能因为通讯故障导致试验中断；不同采集系统起始采集时间、采样率和基准时钟不一致，且通讯延时波动较大不稳定，因此仅适用于稳态风洞试验的数据采集；不同采集系统获取的数据存储于不同存储设备，处理时往往需要对数据进行合并；不同采集系统需要单独进行通道配置，且需要重复配置相同的试验信息；连续气动力测量试验中，需要在迎角连续变化时进行试验数据采集，当没有阶梯分割标识时，无法进行自动分割处理；采集系统仅具备采集功能，缺少基本的数据预处理、检测和分析功能。随着风洞试验需求的发展，对多采集设备的数据同步性和连续性、数据预处理和分析、数据共享发布和实时显示等都提出了需求。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题和/或缺陷，并提供后面将要说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和优点，提供了一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据风洞试验需求选取相应的采集系统和标准计量仪器，完成多信号源采集环境的搭建，其中，多信号源采集环境采集的多信号源包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强；

步骤二、对搭建的多信号源采集环境，进行采集环境参数设置和采集测试；

步骤三、风洞试验项目参数设置；

步骤四、对多信号源采集环境内的采集系统进行运行测试；

步骤五、使用多信号源采集环境内的采集系统进行风洞试验数据采集与实时信号监测与分析；

步骤六、对步骤五采集到的风洞试验数据进行数据对齐处理；

步骤七、各采集系统采集到的实验数据对齐后，进行连续数据自动识别与提取；

步骤八、数据存储与分析，根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

优选的是，其中，所述步骤一中，多信号源采集环境搭建包括：采集系统硬件连接、自检测试和校准，具体步骤包括：

S11、采集系统硬件连接，将各类型传感器、压力电子扫描阀输出线缆连接到对应的采集系统；将标准计量仪器输出接入相应的数据采集系统，常用的标准计量仪器有标准压力源和标准电信号源；将各采集系统的输出通过电缆、光纤、以太网的方式连接到计算机；将PXI采集系统时钟卡的输出接入到具有硬件同步接口的采集系统；

S12、自检测试和校准，对所有采集系统进行自检和校准，例如：PXI、DEWESoft采集系统各板卡自检，当采集系统硬件配置有变化或者校准证书过期，则需要对采集通道进行通道校准；Optimus电子扫描阀系统零点校准和全量程校准，Initium和PSI 9116电子扫描阀系统零点校准，对三个电子扫描阀系统进行精度测试；相机自检和背景白噪声图像测试；当所有采集系统自检结果无异常，且校准结果和精度测试结果满足试验要求时，方可进行后续步骤；

通道校准和全量程校准过程类似，即根据相应计量规范，使用标准计量仪器，得到采集通道线性度、误差限指标。

优选的是，其中，所述步骤二中，采集环境参数设置和采集测试包括：采集系统/采集卡参数设置、采集通道参数设置、通道逻辑分组配置、同步外触发信号设置、标准计量仪器设置，具体步骤包括：

S21、采集系统/采集卡参数设置，对采集系统/采集卡的采样率、平均点数、量程参数进行配置，不同采集系统/板卡由于性能和通讯方式有差异，采样率相差较大，可根据试验需求设置；

S22、采集通道参数设置，模拟量采集通道设置，需设置参数包括：地址、通道标识、滤波参数、放大倍数、通道量程、传感器类型、传感器证书，传感器证书包括传感器数据转换为物理量的公式类型和系数；数字量采集通道包括扫描阀通道，串口、共享变量、Profinet、OPC通道，数字量采集通道需设置参数包括：地址、通道标识、协议类型参数；

S23、通道逻辑分组配置，对于大型风洞试验，采集通道可达几千个，为便于通道分类管理与显示分析，将通道分为监视组、发布组和文件组三类；监视组包括风洞核心流场相关和重点关注的采集通道，一般需要在采集程序主界面进行显示；发布组通过共享变量、数据缓存或数据广播的方式实现数据共享，发布组配置发布组名、发布频率、发布协议参数，风洞试验中其他子系统通过订阅的方式访问感兴趣通道数据；文件组配置数据存储方式，一个文件组对应一个数据存储文件格式，根据数据类型和数据处理需求，将采集通道分配到不同的文件组，同一采集通道在多个文件组；一般将同类型采集通道分到一个文件组，不同采样率的通道也可分到同一文件组；对于图像文件，将文件地址加名称存储于数据文件，图像文件单独存储；

S24、同步外触发信号设置，以PXI-6674T时钟卡为例，将该时钟卡设置为PXI系统时钟源，将该时钟卡的时钟路由到PXI背板，作为PXI系统所有板卡的基准时钟；通过PXI背板接线端或者分频器将时钟信号路由到其他支持外触发的采集设备，作为同步外触发信号；

S25、标准计量仪器设置，设置标准计量仪器工作模式、量程、输出单位，风洞试验前通过标准计量仪器对监测通道进行测试，判断系统工作是否正常。

优选的是，其中，所述步骤三中，风洞试验项目参数设置，主要包括：风洞试验项目基本信息、试验类型、通讯类采集系统和标准计量仪器通讯地址、与风洞控制系统的通讯地址与交互方式、数据文件保存格式与存储目录、数据提取与分割方法。

优选的是，其中，所述步骤四中，采集系统运行测试的方法包括；完成步骤二和步骤三的参数设置后，启动采集环境内的所有采集系统，运行60秒后，停止采集；采集过程中观察软件试验流程、对外通讯、监视通道是否正常，观察各采集系统工作是否正常；采集结束后，检查通道数据是否按文件组存储。

优选的是，其中，所述步骤五中，风洞试验数据采集与实时信号监测与分析的具体方法包括：采集系统运行测试正常后，开始风洞试验，启动风洞，各采集系统根据设置的参数启动采集，并将数据保存到相应的文件组中，试验结束后停止采集；

试验过程中，监测系统对发布组的数据进行监测与实时分析，比如对天平载荷和标准压力通道进行监视，通过对载荷数据进行频谱分析确定模型振动频率；进气道试验系统对压力和流量数据进行实时计算和分析。

优选的是，其中，所述步骤六中，数据对齐处理的具体方法为：所述步骤六中，数据对齐处理的具体方法为：由于各采集系统、采集卡采样频率不同，且通过通讯获取的数据无法进行外触发同步，为确保数据的同步性，需要将数据进行对齐处理，包括硬件同步数据预处理、软件同步数据预处理两类同步和数据预处理方法，具体步骤包括：

S61、硬件同步数据预处理，对外触发方式获得的数据进行预处理，包括四种对齐策略：对齐到最低采样率、对齐到最高采样率、对齐到指定设备的采样率、对齐到指定采样率；外触发对齐通过插补手段使各个设备采集数据对齐到同步外触发信号的时间轴，处理流程为：

S611、确定对齐策略，并根据同步外触发信号开始路由时间、结束路由时间和对齐后采样率构建对齐时间序列T，时间间隔为△T；

S612、获取使用同步外触发信号进行触发采集的采集通道数据序列D，其中DT为D的时间序列，不同采集系统由于固有延时的差异，DT起始时间点存在差异；

S613、对使用同步外触发信号的采集通道，将D按时间序列T插值，插值可选用线性插值、最小二乘法插值、样条插值，得到对齐后的数据；如将PCO 4000采集的图像作为对齐通道，可直接插值到相机曝光周期的中间时间点，也可将相机曝光周期内覆盖的数据求平均，作为对齐后的数据；

S614、重复步骤S612、步骤S613，将所有采集通道的数据对齐到时间序列T；对于扫描式的采集系统，为减少数据对齐预处理复杂度，简化为同一采集系统的所有通道使用同一时间序列；

S62、软件同步数据预处理，软件同步的策略：试验过程中，同时启动所有采集系统，每个采集系统的采集任务均在独立的线程中运行，同时通过计算机系统时间记录每个通道的时间序列，计算机系统时间存在不稳定的问题，记录的时间序列与实际采集时间序列可能存在误差；在对齐策略上和硬件外触发对齐类似，通过插值将所有数据对齐到一个统一的时间序列；

通过计算通道信号间的互相关函数对信号的同步情况进行分析，如通道间有信号延迟，可以为其设置通道延迟参数，在对齐时会平移其时间轴，实现信号的同步对齐修正。

优选的是，其中，所述步骤七中，连续数据自动识别与提取具体方法包括：各采集系统数据完成对齐处理后，需根据数据分析要求对数据进行自动识别与分割处理，以常规测力试验和连续变迎角测力试验为例进行说明；外围子系统的标志信号也可作为分割信号；具体步骤包括：

S71、常规测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S711、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S712、根据试验的阶梯延时和迎角通道的采样率确定阶梯位置对应直线的理论长度L，直线长度在0.8~1.2L且斜率小于0.1的直线作为候选阶梯直线；

S713、根据迎角序列的值和连续变化趋势，如阶梯直线间的间隔，递增或递减趋势，确定阶梯直线的拓扑关系，然后对候选阶梯直线进行进一步筛选，并最终确定所有阶梯直线；

S714、将流场判稳信号和阶梯直线求与，得到试验中所有阶梯的可用时间段；

S715、针对某通道数据，根据需要选择所有阶梯用时间段内的部分数据，求平均值，作为阶梯数据，一般使用30%~80%之间的数据；

S72、连续变迎角测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S721、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S722、根据试验参数，确定迎角运行的斜率，从检测到的直线中筛选出斜率相近的直线，直线斜率偏差小于5%，其对应的就是正常连续变迎角的时间区间，从而得到试验数据的有效区间；

S723、在有效区间内，根据“角度－时间”数据，按照指定的迎角步长生成阶梯采样角度序列[a ₀,a ₁,…,a _n ]，通过插值得到阶梯采样时刻序列[t ₀,t ₁,…,t _n ]，其中a是模型迎角，t是采样时刻，n是采样序列数；

S724、针对某通道数据X，在[t ₀,t ₁,…,t _n ]中某一个时刻点t _i ，取其临近邻域的一组数据进行线性拟合，然后在t _i 处对拟合结果进行取样，得到通道X第i阶梯数据X _i ，依次取样得到通道X的阶梯数据序列[X ₀,X ₁,…,X _n ]；采样点邻域连续数据个数取值根据采样率调整设置，采样点邻域连续数据个数一般设置为20～50；

S725、重复步骤S724，对其他通道数据进行同样处理。

优选的是，其中，所述步骤八中，数据存储与分析的具体方法包括：完成步骤六和步骤七后，根据步骤S23文件组配置参数，将数据存储到不同处理与分析需求的文件中；根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

优选的是，其中，所述多信号源采集环境被搭建后，使用的多信号源采集系统包括PXI数据采集系统、DEWESoft动态数据采集系统、Initium电子扫描阀系统、Optimus电子扫描阀系统、PSI 9116电子扫描阀系统、CCD/CMOS相机；采集的信号源包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强；应用的测量传感器按测量点数分为单点传感器和多点传感器；

所述步骤一中，多信号源采集环境搭建时，进行校准使用的校准仪器包括标准信号源FLUKE5522、标准压力源PACE 6000和PPC 4、Agilent 33220A信号发生器，通过本地或远程控制这些仪器。

本发明至少包括以下有益效果：本发明提出了不同类型多采集设备的同步采集方法和数据对齐方法；提出了基于图像模式识别的连续数据自动识别与提取算法；提出了通道逻辑分组配置方法，通过监视组实现数据查看，发布组实现数据实时共享，通过文件组对数据进行分类存储。

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为本发明提供的风洞多信号源数据同步采集与处理的方法步骤流程示意图；

图2为实施例1搭建的多信号源采集环境硬件结构示意图；

图3为采用本发明的本发明方法进行常规测力试验和连续变迎角测力试验时，迎角连续变化自动识别提取前模型迎角随时间的变化示意图；

图4为迎角变化自动识别提取后模型迎角随时间的变化示意图。

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其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据风洞试验需求选取相应的采集系统和标准计量仪器，完成多信号源采集环境的搭建，其中，多信号源采集环境采集的多信号源包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强；

步骤二、对搭建的多信号源采集环境，进行采集环境参数设置和采集测试；

步骤三、风洞试验项目参数设置；

步骤四、对多信号源采集环境内的采集系统进行运行测试；

步骤五、使用多信号源采集环境内的采集系统进行风洞试验数据采集与实时信号监测与分析；

步骤六、对步骤五采集到的风洞试验数据进行数据对齐处理；

步骤七、各采集系统采集到的实验数据对齐后，进行连续数据自动识别与提取；

步骤八、数据存储与分析，根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

在上述技术方案中，所述步骤一中，多信号源采集环境搭建包括：采集系统硬件连接、自检测试和校准，具体步骤包括：

S11、采集系统硬件连接，将各类型传感器、压力电子扫描阀输出线缆连接到对应的采集系统；将标准计量仪器输出接入相应的数据采集系统，常用的标准计量仪器有标准压力源和标准电信号源；将各采集系统的输出通过电缆、光纤、以太网的方式连接到计算机；将PXI采集系统时钟卡的输出接入到具有硬件同步接口的采集系统；

S12、自检测试和校准，对所有采集系统进行自检和校准，例如：PXI、DEWESoft采集系统各板卡自检，当采集系统硬件配置有变化或者校准证书过期，则需要对采集通道进行通道校准；Optimus电子扫描阀系统零点校准和全量程校准，Initium和PSI 9116电子扫描阀系统零点校准，对三个电子扫描阀系统进行精度测试；相机自检和背景白噪声图像测试；当所有采集系统自检结果无异常，且校准结果和精度测试结果满足试验要求时，方可进行后续步骤；

通道校准和全量程校准过程类似，即根据相应计量规范，使用标准计量仪器，得到采集通道线性度、误差限指标。

在上述技术方案中，所述步骤二中，采集环境参数设置和采集测试包括：采集系统/采集卡参数设置、采集通道参数设置、通道逻辑分组配置、同步外触发信号设置、标准计量仪器设置，具体步骤包括：

S21、采集系统/采集卡参数设置，对采集系统/采集卡的采样率、平均点数、量程参数进行配置，不同采集系统/板卡由于性能和通讯方式有差异，采样率相差较大，可根据试验需求设置；本实施例的多信号源采集系统如图2所示，包括PXI数据采集系统、DEWESoft动态数据采集系统、Initium电子扫描阀系统、Optimus电子扫描阀系统、PSI 9116电子扫描阀系统、CCD/CMOS相机，信号源包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强等物理量，应用的测量传感器按测量点数可分为单点传感器和多点传感器。多信号源采集系统除采集传感器输出，同时需要采集通过串口、共享变量、Profinet、OPC等通讯协议传输的数据。其中PXI和DEWESoft采集系统主要负责采集模拟量输出的传感器，通过通讯卡完成数字量输出传感器、共享变量、Profinet、OPC传输数据的采集；Initium和Optimus为ESP-64HDDTC压力电子扫描阀的采集系统，可支持多个扫描阀的采集，PSI 9116为具备模数转换模块的集成式压力电子扫描阀系统，可独立工作；PCO 4000相机实现光强的采集，输出为二维灰度或彩色图像。

以本实施例为例，采集风洞流场参数的PXI采集系统，可作为风洞多信号源采集系统的主采集系统，在PXI系统上配置时钟卡，将时钟卡作为多信号源采集系统的基准时钟，将该时钟信号路由给支持外触发的设备，如DEWESoft、Initium、Optimus和其他PXI系统等，也可将支持时钟路由的其它设备作为多信号源采集系统的基准时钟。试验中使用的校准仪器包括标准信号源FLUKE5522、标准压力源PACE 6000和PPC 4、Agilent 33220A信号发生器，可通过本地或远程控制这些仪器。

S22、采集通道参数设置，模拟量采集通道设置，需设置参数包括：地址、通道标识、滤波参数、放大倍数、通道量程、传感器类型、传感器证书，传感器证书包括传感器数据转换为物理量的公式类型和系数；数字量采集通道包括扫描阀通道，串口、共享变量、Profinet、OPC通道，数字量采集通道需设置参数包括：地址、通道标识、协议类型参数；

S23、通道逻辑分组配置，对于大型风洞试验，采集通道可达几千个，为便于通道分类管理与显示分析，将通道分为监视组、发布组和文件组三类；监视组包括风洞核心流场相关和重点关注的采集通道，一般需要在采集程序主界面进行显示；发布组通过共享变量、数据缓存或数据广播的方式实现数据共享，发布组配置发布组名、发布频率、发布协议参数，风洞试验中其他子系统通过订阅的方式访问感兴趣通道数据；文件组配置数据存储方式，一个文件组对应一个数据存储文件格式，根据数据类型和数据处理需求，将采集通道分配到不同的文件组，同一采集通道可在多个文件组；一般将同类型采集通道分到一个文件组，不同采样率的通道也可分到同一文件组；对于图像文件，将文件地址加名称存储于数据文件，图像文件单独存储；

S24、同步外触发信号设置，以PXI-6674T时钟卡为例，将该时钟卡设置为PXI系统时钟源，将该时钟卡的时钟路由到PXI背板，作为PXI系统所有板卡的基准时钟；通过PXI背板接线端或者分频器将时钟信号路由到其他支持外触发的采集设备，作为同步外触发信号；

S25、标准计量仪器设置，设置标准计量仪器工作模式、量程、输出单位，风洞试验前通过标准计量仪器对监测通道进行测试，判断系统工作是否正常。

在上述技术方案中，所述步骤三中，风洞试验项目参数设置，主要包括：风洞试验项目基本信息、试验类型、通讯类采集系统和标准计量仪器通讯地址、与风洞控制系统的通讯地址与交互方式、数据文件保存格式与存储目录、数据提取与分割方法。

在上述技术方案中，所述步骤四中，采集系统运行测试的方法包括；完成步骤二和步骤三的参数设置后，启动采集环境内的所有采集系统，运行60秒后，停止采集；采集过程中观察软件试验流程、对外通讯、监视通道是否正常，观察各采集系统工作是否正常；采集结束后，检查通道数据是否按文件组存储。

在上述技术方案中，所述步骤五中，风洞试验数据采集与实时信号监测与分析的具体方法包括：采集系统运行测试正常后，开始风洞试验，启动风洞，各采集系统根据设置的参数启动采集，并将数据保存到相应的文件组中，试验结束后停止采集；

试验过程中，监测系统对发布组的数据进行监测与实时分析，比如对天平载荷和标准压力通道进行监视，通过对载荷数据进行频谱分析确定模型振动频率；进气道试验系统对压力和流量数据进行实时计算和分析。

在上述技术方案中，所述步骤六中，数据对齐处理的具体方法为：由于各采集系统、采集卡采样频率不同，且通过通讯获取的数据无法进行外触发同步，为确保数据的同步性，需要将数据进行对齐处理，包括两类同步和数据预处理方法：硬件同步数据预处理、软件同步数据预处理，具体步骤包括：

S61、硬件同步数据预处理，对外触发方式获得的数据进行预处理，包括四种对齐策略：对齐到最低采样率、对齐到最高采样率、对齐到指定设备的采样率、对齐到指定采样率；外触发对齐通过插补手段使各个设备采集数据对齐到同步外触发信号的时间轴，处理流程为：

S611、确定对齐策略，并根据同步外触发信号开始路由时间、结束路由时间和对齐后采样率构建对齐时间序列T，时间间隔为△T；

S612、获取使用同步外触发信号进行触发采集的采集通道数据序列D，其中DT为D的时间序列，不同采集系统由于固有延时的差异，DT起始时间点存在差异；

S613、对使用同步外触发信号的采集通道，将D按时间序列T插值，插值可选用线性插值、最小二乘法插值、样条插值，得到对齐后的数据；如将PCO 4000采集的图像作为对齐通道，可直接插值到相机曝光周期的中间时间点，也可将相机曝光周期内覆盖的数据求平均，作为对齐后的数据；

S614、重复步骤S612、步骤S613，将所有采集通道的数据对齐到时间序列T；对于扫描式的采集系统，为减少数据对齐预处理复杂度，简化为同一采集系统的所有通道使用同一时间序列；

S62、软件同步数据预处理，软件同步的策略：试验过程中，同时启动所有采集系统，每个采集系统的采集任务均在独立的线程中运行，同时通过计算机系统时间记录每个通道的时间序列，计算机系统时间存在不稳定的问题，记录的时间序列与实际采集时间序列可能存在误差；在对齐策略上和硬件外触发对齐类似，通过插值将所有数据对齐到一个统一的时间序列；

通过计算通道信号间的互相关函数对信号的同步情况进行分析，如通道间有信号延迟，可以为其设置通道延迟参数，在对齐时会平移其时间轴，实现信号的同步对齐修正。

在上述技术方案中，所述步骤七中，连续数据自动识别与提取具体方法包括：各采集系统数据完成对齐处理后，需根据数据分析要求对数据进行自动识别与分割处理，以常规测力试验和连续变迎角测力试验为例进行说明；外围子系统的标志信号也可作为分割信号；具体步骤包括：

S71、常规测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S711、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S712、根据试验的阶梯延时和迎角通道的采样率确定阶梯位置对应直线的理论长度L，直线长度在0.8~1.2L且斜率小于0.1的直线作为候选阶梯直线；

S713、根据迎角序列的值和连续变化趋势，如阶梯直线间的间隔，递增或递减趋势，确定阶梯直线的拓扑关系，然后对候选阶梯直线进行进一步筛选，并最终确定所有阶梯直线；

S714、将流场判稳信号和阶梯直线求与，得到试验中所有阶梯的可用时间段；

S715、针对某通道数据，根据需要选择所有阶梯用时间段内的部分数据，求平均值，作为阶梯数据，一般使用30%~80%之间的数据；

S72、连续变迎角测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S721、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S722、根据试验参数，确定迎角运行的斜率，从检测到的直线中筛选出斜率相近的直线，直线斜率偏差小于5%，其对应的就是正常连续变迎角的时间区间，从而得到试验数据的有效区间；迎角连续变化自动识别提取前、后的模型迎角随时间的变化示意图分别如图3和图4所示，其中，图3和图4的横坐标表示时间，纵坐标表示模型迎角的角度；图3有a、b、c、d、e、f、g7条模型迎角随时间的变化线段，根据直线斜率偏差小于5％的原则，从其中提取出线段b，线段b对应的横坐标区间即为正常连续变迎角的时间区间，纵坐标即为试验数据的有效区间，即得到图4。

S723、在有效区间内，根据“角度－时间”数据，按照指定的迎角步长生成阶梯采样角度序列[a ₀,a ₁,…,a _n ]，通过插值得到阶梯采样时刻序列[t ₀,t ₁,…,t _n ]，其中a是模型迎角，t是采样时刻，n是采样序列数；

S724、针对某通道数据X，在[t ₀,t ₁,…,t _n ]中某一个时刻点t _i ，取其临近邻域的一组数据进行线性拟合，然后在t _i 处对拟合结果进行取样，得到通道X第i阶梯数据X _i ，依次取样得到通道X的阶梯数据序列[X ₀,X ₁,…,X _n ]；采样点邻域连续数据个数取值根据采样率调整设置，采样点邻域连续数据个数一般设置为20～50；

S725、重复步骤S724，对其他通道数据进行同样处理。

在上述技术方案中，所述步骤八中，数据存储与分析的具体方法包括：完成步骤六和步骤七后，根据步骤S23文件组配置参数，将数据存储到不同处理与分析需求的文件中；根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

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 (10)

1.一种风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据风洞试验需求选取相应的采集系统和标准计量仪器，完成多信号源采集环境的搭建；其中，多信号源采集环境采集的多信号源包括：包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强；

步骤二、对搭建的多信号源采集环境，进行采集环境参数设置和采集测试；

步骤三、风洞试验项目参数设置；

步骤四、对多信号源采集环境内的采集系统进行运行测试；

步骤五、使用多信号源采集环境内的采集系统进行风洞试验数据采集与实时信号监测与分析；

步骤六、对步骤五采集到的风洞试验数据进行数据对齐处理；

步骤七、各采集系统采集到的实验数据对齐后，进行连续数据自动识别与提取；

步骤八、数据存储与分析，根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

2.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤一中，多信号源采集环境搭建包括：采集系统硬件连接、自检测试和校准，具体步骤包括：

S11、采集系统硬件连接，将各类型传感器、压力电子扫描阀输出线缆连接到对应的采集系统；将标准计量仪器输出接入相应的数据采集系统，常用的标准计量仪器有标准压力源和标准电信号源；将各采集系统的输出通过电缆、光纤、以太网的方式连接到计算机；将PXI采集系统时钟卡的输出接入到具有硬件同步接口的采集系统；

S12、自检测试和校准，对所有采集系统进行自检和校准，具体方法包括：PXI、DEWESoft采集系统各板卡自检，当采集系统硬件配置有变化或者校准证书过期，则需要对采集通道进行通道校准；Optimus电子扫描阀系统零点校准和全量程校准，Initium和PSI 9116电子扫描阀系统零点校准，对三个电子扫描阀系统进行精度测试；相机自检和背景白噪声图像测试；当所有采集系统自检结果无异常，且校准结果和精度测试结果满足试验要求时，方可进行后续步骤；

通道校准和全量程校准过程类似，即根据相应计量规范，使用标准计量仪器，得到采集通道线性度、误差限指标。

3.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤二中，采集环境参数设置和采集测试包括：采集系统/采集卡参数设置、采集通道参数设置、通道逻辑分组配置、同步外触发信号设置、标准计量仪器设置，具体步骤包括：

S21、采集系统/采集卡参数设置，对采集系统/采集卡的采样率、平均点数、量程参数进行配置，不同采集系统/板卡由于性能和通讯方式有差异，采样率相差较大，根据试验需求设置；

S22、采集通道参数设置，模拟量采集通道设置，需设置参数包括：地址、通道标识、滤波参数、放大倍数、通道量程、传感器类型、传感器证书，传感器证书包括传感器数据转换为物理量的公式类型和系数；数字量采集通道包括扫描阀通道，串口、共享变量、Profinet、OPC通道，数字量采集通道需设置参数包括：地址、通道标识、协议类型；

S23、通道逻辑分组配置，将通道分为监视组、发布组和文件组三类；监视组包括风洞核心流场相关和重点关注的采集通道，一般需要在采集程序主界面进行显示；发布组通过共享变量、数据缓存或数据广播的方式实现数据共享，发布组配置发布组名、发布频率、发布协议参数，风洞试验中其他子系统通过订阅的方式访问感兴趣通道数据；文件组配置数据存储方式，一个文件组对应一个数据存储文件格式，根据数据类型和数据处理需求，将采集通道分配到不同的文件组，同一采集通道分配在多个文件组；一般将同类型采集通道分到一个文件组，不同采样率的通道分到同一文件组；对于图像文件，将文件地址加名称存储于数据文件，图像文件单独存储；

S24、同步外触发信号设置，以PXI-6674T时钟卡为例，将该时钟卡设置为PXI系统时钟源，将该时钟卡的时钟路由到PXI背板，作为PXI系统所有板卡的基准时钟；通过PXI背板接线端或者分频器将时钟信号路由到其他支持外触发的采集设备，作为同步外触发信号；

S25、标准计量仪器设置，设置标准计量仪器工作模式、量程、输出单位，风洞试验前通过标准计量仪器对监测通道进行测试，判断系统工作是否正常。

4.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法， 其特征在于，所述步骤三中，风洞试验项目参数设置，主要包括：风洞试验项目基本信息、试验类型、通讯类采集系统和标准计量仪器通讯地址、与风洞控制系统的通讯地址与交互方式、数据文件保存格式与存储目录、数据提取与分割方法。

5.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤四中，采集系统运行测试的方法包括；完成步骤二和步骤三的参数设置后，启动采集环境内的所有采集系统，运行60秒后，停止采集；采集过程中观察软件试验流程、对外通讯、监视通道是否正常，观察各采集系统工作是否正常；采集结束后，检查通道数据是否按文件组存储。

6.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤五中，风洞试验数据采集与实时信号监测与分析的具体方法包括：采集系统运行测试正常后，开始风洞试验，启动风洞，各采集系统根据设置的参数启动采集，并将数据保存到相应的文件组中，试验结束后停止采集；

试验过程中，监测系统对发布组的数据进行监测与实时分析，包括对天平载荷和标准压力通道进行监视，通过对载荷数据进行频谱分析确定模型振动频率；进气道试验系统对压力和流量数据进行实时计算和分析。

7.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤六中，数据对齐处理的具体方法为：由于各采集系统、采集卡采样频率不同，且通过通讯获取的数据无法进行外触发同步，为确保数据的同步性，需要将数据进行对齐处理，包括硬件同步数据预处理、软件同步数据预处理两类同步和数据预处理方法，具体步骤包括：

S61、硬件同步数据预处理，对外触发方式获得的数据进行预处理，包括四种对齐策略：对齐到最低采样率、对齐到最高采样率、对齐到指定设备的采样率、对齐到指定采样率；外触发对齐通过插补手段使各个设备采集数据对齐到同步外触发信号的时间轴，处理流程为：

S611、确定对齐策略，并根据同步外触发信号开始路由时间、结束路由时间和对齐后采样率构建对齐时间序列T，时间间隔为△T；

S612、获取使用同步外触发信号进行触发采集的采集通道数据序列D，其中DT为D的时间序列，不同采集系统由于固有延时的差异，DT起始时间点存在差异；

S613、对使用同步外触发信号的采集通道，将D按时间序列T插值，插值选用线性插值、最小二乘法插值、样条插值中的一种，得到对齐后的数据；将PCO 4000采集的图像作为对齐通道，直接插值到相机曝光周期的中间时间点，或将相机曝光周期内覆盖的数据求平均，作为对齐后的数据；

S614、重复步骤S612、步骤S613，将所有采集通道的数据对齐到时间序列T；对于扫描式的采集系统，为减少数据对齐预处理复杂度，简化为同一采集系统的所有通道使用同一时间序列；

S62、软件同步数据预处理，软件同步的策略：试验过程中，同时启动所有采集系统，每个采集系统的采集任务均在独立的线程中运行，同时通过计算机系统时间记录每个通道的时间序列，计算机系统时间存在不稳定的问题，记录的时间序列与实际采集时间序列可能存在误差；在对齐策略上和硬件外触发对齐类似，通过插值将所有数据对齐到一个统一的时间序列；

通过计算通道信号间的互相关函数对信号的同步情况进行分析，若通道间有信号延迟，为其设置通道延迟参数，在对齐时会平移其时间轴，实现信号的同步对齐修正。

8.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤七中，连续数据自动识别与提取具体方法包括：各采集系统数据完成对齐处理后，需根据数据分析要求对数据进行自动识别与分割处理，以常规测力试验和连续变迎角测力试验为例进行说明；外围子系统的标志信号也能作为分割信号；具体步骤包括：

S71、常规测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S711、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S712、根据试验的阶梯延时和迎角通道的采样率确定阶梯位置对应直线的理论长度L，直线长度在0.8~1.2L且斜率小于0.1的直线作为候选阶梯直线；

S713、根据迎角序列的值和连续变化趋势，包括阶梯直线间的间隔，递增或递减趋势，确定阶梯直线的拓扑关系，然后对候选阶梯直线进行进一步筛选，并最终确定所有阶梯直线；

S714、将流场判稳信号和阶梯直线求与，得到试验中所有阶梯的可用时间段；

S715、针对某通道数据，根据需要选择所有阶梯用时间段内的部分数据，求平均值，作为阶梯数据，一般使用30%~80%之间的数据；

S72、连续变迎角测力试验连续数据自动识别与提取，具体方法包括：

S721、基于模型迎角通道数据生成“角度－时间”曲线的位图图像，通过绘图函数在窗口中进行绘图，然后保存为位图图像，图像分辨率应大于1920*1080，根据Hough变换识别其中所有的直线线段；

S722、根据试验参数，确定迎角运行的斜率，从检测到的直线中筛选出斜率相近的直线，直线斜率偏差小于5%，其对应的就是正常连续变迎角的时间区间，从而得到试验数据的有效区间；

S723、在有效区间内，根据“角度－时间”数据，按照指定的迎角步长生成阶梯采样角度序列[a ₀,a ₁,…,a _n ]，通过插值得到阶梯采样时刻序列[t ₀,t ₁,…,t _n ]，其中a是模型迎角，t是采样时刻，n是采样序列数；

S724、针对某通道数据X，在[t ₀,t ₁,…,t _n ]中某一个时刻点t _i ，取其临近邻域的一组数据进行线性拟合，然后在t _i 处对拟合结果进行取样，得到通道X第i阶梯数据X _i ，依次取样得到通道X的阶梯数据序列[X ₀,X ₁,…,X _n ]；采样点邻域连续数据个数取值根据采样率调整设置，采样点邻域连续数据个数一般设置为20～50；

S725、重复步骤S724，对其他通道数据进行同样处理。

9.如权利要求3所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述步骤八中，数据存储与分析的具体方法包括：完成步骤六和步骤七后，根据步骤S23文件组配置参数，将数据存储到不同处理与分析需求的文件中；然后根据存储的数据文件、风洞流场参数和模型参数，计算出气动系数、压力系数、流量、马赫数。

10.如权利要求1所述的风洞多信号源数据同步采集与集成处理的方法，其特征在于，所述多信号源采集环境被搭建后，使用的多信号源采集系统包括PXI数据采集系统、DEWESoft动态数据采集系统、Initium电子扫描阀系统、Optimus电子扫描阀系统、PSI 9116电子扫描阀系统、CCD/CMOS相机；采集的信号源包括压力、温度、角度、速度、加速度、位移、力和力矩、光强；应用的测量传感器按测量点数分为单点传感器和多点传感器；

所述步骤一中，多信号源采集环境搭建时，进行校准使用的校准仪器包括标准信号源FLUKE5522、标准压力源PACE 6000和PPC4、Agilent 33220A信号发生器。

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