CN116399551B - 一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，属于高超声速气动技术领域。本发明解决了现有技术中二维纹影技术难以分析展向激波扰动现象的问题。技术要点：步骤1.纹影系统搭建及光路调节；步骤2.压力稳定后滚转模型进行图像与相位同步采集；步骤3.断层全周正弦图像提取；步骤4.断层密度分布重构；步骤5.全空间三维重构。本发明的方法无需进行特殊的光路搭建与改造，仅通过常规/标定纹影系统对绕轴旋转的高超声速模型连续同步地进行相位与图像的采集，即可实现高超声速风洞试验模型空间三维密度分布的定性观测或定量测量分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间三维密度场测量方法，具体涉及一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，属于高超声速气动技术领域。
背景技术
高超声速飞行器因其速度优势而作为未来飞行器的主要战略发展方向，其工作能力将覆盖宽速域、大空域范围。此条件下高超声速飞行器将面临气动力/热、推进系统、结构、材料、控制等多种复杂问题。目前我国的高超气动技术领域，风洞测量技术的发展与设计需求的差距比较突出，需要精细化的风洞试验测量手段用于分析研究高超声速飞行器头部三维曲面激波与进气道唇口干涉、级间分离中的多体干扰激波耦合作用等问题。空间三维密度场测量方法，对于建立认识典型高超声速气动现象手段，完善风洞试验能力，支撑高超飞行器的研发具有重要作用。
高超声速风洞乃至亚跨超声速风洞中最常用的密度场测量手段是基于将光线通过流场区域后产生的偏折光区分开来的纹影法，该方法具有高空间分辨率、高灵敏度、高频率（配合高速相机系统）、对环境振动不敏感等优点，已经成为生产型风洞最广泛使用的光学流动显示技术。环境受限的高超声速风洞通常使用二维纹影进行流场的叠加显示，获得飞行器模型空间二维截面的流场密度变化，无法满足三维波系干扰流动的观测与分析需求。因此，亟待开发一种基于纹影设备的高超声速风洞模型三维密度场测量方法，用以高效地获得三维复杂激波结构定性观测或定量测量的需求，解决二维纹影技术难以分析展向激波扰动现象的问题。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术中二维纹影技术难以分析展向激波扰动现象的问题，实现高超声速风洞模型的空间三维密度场构建能力，提供了一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，包括以下步骤：
步骤1，纹影系统搭建及光路调节：将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，调节光路，使得光源发出的光线最终汇聚到相机上形成清晰的纹影图像；
步骤2，压力稳定后滚转模型进行图像与相位同步采集：开始高超声速风洞吹风试验，试验过程中流场判稳后，模型做全周360°的绕轴滚转运动，进行模型相位测量，同步使用相机进行纹影图像采集；
步骤3，断层全周正弦图像提取：高超声速风洞试验结束后，提取同一断层的模型全周正弦图像；
步骤4，断层密度分布重构：进行Radon逆变换，获得断层密度分布灰度图像；
步骤5，全空间三维重构：计算所有断层密度分布的灰度图像，即获得吹风过程中模型的全空间密度分布。
在上述技术方案中，所述步骤1，具体步骤为：在试验前，根据模型条件状态与风洞现场安装条件，将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，根据高超声速风洞试验段的纹影窗口的中心高度对纹影系统中心高进行调整，使纹影系统中心高度与高超声速风洞试验段的纹影窗口中心高一致；调节狭缝及各纹影组件间的距离，使点光源发出的光形成平行光无遮挡的穿过高超声速风洞试验段的纹影窗口抵达成像光路一侧的纹影镜，最终汇聚投射到相机，调节相机镜头的焦距与光圈，使形成清晰的、模型位置尺寸合适的纹影图像。
在上述技术方案中，所述步骤2，具体步骤为：开始高超声速风洞试验，压力稳定后，控制滚转机构带动模型做全周360°滚转绕轴运动，通过电机自身码盘、光学编码器或非接触式光学角度测量对模型进行相位监控，定位试验过程中模型的实时滚转角，同时相机与电机码盘或光学编码器同步进行图像采集，获得模型周围密度引起的光物理特征的投影图像，全周采集360组图像序列 。
具体地：滚转角定位误差小于6′。
在上述技术方案中，所述步骤3，具体步骤为：高超声速风洞试验结束后，根据以下公式提取同一断层的模型全周正弦图像：
（1）
其中：表示纹影图像共有n列像素；M表示纹影图像共有m行像素；
n为试验纹影图像的像素列序列值；
m为图像的像素行序列值，即表示图像的第m行像素；
为相位序列值；
i为试验纹影图像的时间序列值，对应模型相位；
表示纹影图像序列中的第i张图像；
为第i张纹影图像的第m行第n列像素值；
为为对应模型相位/>时的第n个断层的全周正弦图的第m行数值；
为第n个断层全周正弦图像的第m行第i列数值。
在上述技术方案中，所述步骤4，具体步骤为：对步骤3所得的通过反投影法或傅里叶逆变换法进行Radon逆变换，获得关于第n个断层密度分布的灰度图像/>，Radon逆变换的数学表达式如下：
（2）
其中：公式的左侧表示的傅里叶逆变换，右侧表示/>的二维傅里叶逆变换，/>表示在实数域进行二重积分，e是自然常数，i表示虚数单位，/> 表示第n个断成密度分布的灰度图像/>的第x行第y列对应的数值，x为对应行序列值，y为对应列序列值，k为k次谐波的数字频率。
在上述技术方案中，所述步骤5，具体步骤为：重复步骤3和步骤4，直至获得所有N个断层密度分布灰度图像，即获得关于全空间的三维密度分布。
进一步地：在上述技术方案的步骤1中，采用标定纹影系统，利用二维刀口或滤色片对光线畸变偏角的敏感特性，基于分光光路或滤色片，通过地面标定获得图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，本发明的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法还包括步骤6，三维密度定量转换：根据步骤1所获得的图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，将步骤5重构的三维空间密度分布转换为光线偏角，获得空间位置的密度值。
本发明有益效果体现在：
相对于现有技术，本发明无需进行特殊的光路搭建与改造，仅通过纹影系统对绕轴旋转的高超声速模型连续同步地进行相位与图像的采集，即可实现高超声速风洞试验模型空间三维密度分布的定性观测或定量测量分析，解决二维纹影技术难以分析展向激波扰动现象的问题。对于建立认识典型高超声速气动现象手段，完善风洞试验能力，支撑高超飞行器的研发起到重要作用。
附图说明
图1为本发明一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法的流程图；
图2为纹影系统示意图。
图中：1-光源；2-狭缝；3-小平面反射镜；4-准直镜；5-主平面反射镜；6-高超声速风洞；7-模型；8-高超声速风洞试验段的纹影窗口；9-纹影镜；10-次平面反射镜；11-刀口；12-相机。
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了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1，结合图1-图2说明本实施例，实施例1提供了一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，步骤1，纹影系统搭建及光路调节：将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，调节光路，使得光源发出的光线最终汇聚到相机上形成清晰的纹影图像；步骤2，压力稳定后滚转模型进行图像与相位同步采集：开始高超声速风洞吹风试验，试验过程中流场判稳后，模型做全周360°的绕轴滚转运动，进行模型相位测量，同步使用相机进行纹影图像采集；步骤3，断层全周正弦图像提取：高超声速风洞试验结束后，提取同一断层的模型全周正弦图像；步骤4，断层密度分布重构：进行Radon逆变换，获得断层密度分布灰度图像；步骤5，全空间三维重构：计算所有断层密度分布的灰度图像，即获得吹风过程中模型的全空间密度分布。
具体实现过程是：
所述步骤1，纹影系统搭建及光路调节，具体步骤为：
在试验前，根据模型条件状态与风洞现场安装条件，将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，根据高超声速风洞试验段的纹影窗口的中心高度对纹影系统中心高进行调整，使纹影系统中心高度与高超声速风洞试验段的纹影窗口中心高一致；调节狭缝及各纹影组件间的距离，使点光源发出的光形成平行光无遮挡的穿过高超声速风洞试验段的纹影窗口抵达成像光路一侧的纹影镜，最终汇聚投射到相机，调节相机镜头的焦距与光圈，使形成清晰的、模型位置尺寸合适的纹影图像；如图2所示，成像光路具体为：光源1发出的光线依次经过狭缝2、小平面反射镜3、准直镜4、主平面反射镜5形成平行光，平行光无遮挡的穿过高超声速风洞试验段的纹影窗口8抵达成像光路一侧的纹影镜9，再经次平面反射镜10、刀口11最终汇聚投射到相机12；
所述步骤2，压力稳定后滚转模型进行图像与相位同步采集，具体步骤为：
开始高超声速风洞试验，压力稳定后，控制滚转机构带动模型做全周360°滚转绕轴运动，通过电机自身码盘、光学编码器或非接触式光学角度测量对模型进行相位监控，定位试验过程中模型的实时滚转角，滚转角定位误差小于6′，同时相机与电机码盘或光学编码器同步进行图像采集，获得模型周围密度引起的光物理特征的投影图像，全周采集360组图像序列 ；
所述步骤3，断层全周正弦图像提取，具体步骤为：
高超声速风洞试验结束后，根据以下公式提取同一断层的模型全周正弦图像：
（1）
其中：表示纹影图像共有n列像素；M表示纹影图像共有m行像素；
n为试验纹影图像的像素列序列值；
m为图像的像素行序列值，即表示图像的第m行像素；
为相位序列值；
i为试验纹影图像的时间序列值，对应模型相位；
表示纹影图像序列中的第i张图像；
为第i张纹影图像的第m行第n列像素值；
为对应模型相位/>时的第n个断层的全周正弦图的第m行数值；
为第n个断层全周正弦图像的第m行第i列数值；
所述步骤4，断层密度分布重构，具体步骤为：
对步骤3所得的通过反投影法或傅里叶逆变换法进行Radon逆变换，获得关于第n个断层密度分布的灰度图像/>，Radon的数学表达式如下：
（2）
其中：公式的左侧表示的傅里叶逆变换，右侧表示/>的二维傅里叶逆变换,/>表示在实数域进行二重积分，e是自然常数，i表示虚数单位，/> 表示第n个断成密度分布的灰度图像/>的第x行第y列对应的数值，x为对应行序列值，y为对应列序列值，k为k次谐波的数字频率。
所述步骤5，全空间三维重构，具体步骤为：
重复步骤3和步骤4，直至获得所有N个断层密度分布灰度图像，即获得关于全空间的三维密度分布。
实施例2，本实施例与实施例1提供的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法的不同点在于：步骤1中，采用标定纹影系统，利用二维刀口或滤色片对光线畸变偏角的敏感特性，基于分光光路或滤色片，通过地面标定获得图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，本发明的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法还包括步骤6，三维密度定量转换：根据步骤1所获得的图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，将步骤5重构的三维空间密度分布转换为光线偏角，获得空间位置的密度值。
以上所述的实施例，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，纹影系统搭建及光路调节：将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，调节光路，使得光源发出的光线最终汇聚到相机上形成清晰的纹影图像；
步骤2，压力稳定后滚转模型进行图像与相位同步采集：开始高超声速风洞吹风试验，试验过程中流场判稳后，模型做全周360°的绕轴滚转运动，进行模型相位测量，同步使用相机进行纹影图像采集；
步骤3，断层全周正弦图像提取：高超声速风洞试验结束后，提取同一断层的模型全周正弦图像；
具体为：高超声速风洞试验结束后，根据以下公式提取同一断层的模型全周正弦图像：
（1）
其中：表示纹影图像共有n列像素；M表示纹影图像共有m行像素；
n为试验纹影图像的像素列序列值；
m为图像的像素行序列值，即表示图像的第m行像素；
为相位序列值；
i为试验纹影图像的时间序列值，对应模型相位；
表示纹影图像序列中的第i张图像；
为第i张纹影图像的第m行第n列像素值；
为对应模型相位/>时的第n个断层的全周正弦图的第m行数值；
为第n个断层全周正弦图像的第m行第i列数值；
步骤4，断层密度分布重构：进行Radon逆变换，获得断层密度分布灰度图像；
具体为：对步骤3所得的进行Radon逆变换，获得关于第n个断层密度分布的灰度图像，Radon的数学表达式如下：
（2）
其中：公式的左侧表示的傅里叶逆变换，公式的右侧表示/>的二维傅里叶逆变换，/>表示在实数域进行二重积分，e是自然常数，i表示虚数单位，/> 表示第n个断成密度分布的灰度图像/>的第x行第y列对应的数值，x为对应行序列值，y为对应列序列值，k为k次谐波的数字频率；
步骤5，全空间三维重构：计算所有断层密度分布的灰度图像，即获得吹风过程中模型的全空间密度分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于：所述步骤1，具体步骤为：在试验前，根据模型条件状态与风洞现场安装条件，将纹影系统布置在高超声速风洞试验段的纹影窗口外侧，根据高超声速风洞试验段的纹影窗口的中心高度对纹影系统中心高进行调整，使纹影系统中心高度与高超声速风洞试验段的纹影窗口中心高一致；调节狭缝及各纹影组件间的距离，使点光源发出的光形成平行光无遮挡的穿过高超声速风洞试验段的纹影窗口抵达成像光路一侧的纹影镜，最终汇聚投射到相机，调节相机镜头的焦距与光圈，使形成清晰的、模型位置尺寸合适的纹影图像。
3.根据权利要求2所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于：所述步骤2，具体步骤为：开始高超声速风洞试验，压力稳定后，控制滚转机构带动模型做全周360°绕轴滚转运动，通过电机自身码盘、光学编码器或非接触式光学角度测量对模型进行相位监控，定位试验过程中模型的实时滚转角，同时相机与电机码盘或光学编码器同步进行图像采集，获得模型周围密度引起的光物理特征的投影图像，全周采集360组图像序列 。
4.根据权利要求3所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于：滚转角定位误差小于6′。
5.根据权利要求4所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于：所述步骤5，具体步骤为：重复步骤3和步骤4，直至获得所有N个断层密度分布灰度图像，即获得关于全空间的三维密度分布。
6.根据权利要求5所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法，其特征在于：所述步骤1中，采用标定纹影系统，利用二维刀口或滤色片对光线畸变偏角的敏感特性，基于分光光路或滤色片，通过地面标定获得图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，所述的一种用于高超声速风洞的模型三维密度场测量方法还包括步骤6，三维密度定量转换：根据步骤1所获得的图像色调变化与光线畸变偏角的数值或函数关系，将步骤5重构的三维空间密度分布转换为光线偏角，获得空间位置的密度值。
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