CN117388525A - 机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质，属于纹影成像技术领域。该系统包括：出光模组，用于生成出射光；光处理模组，用于根据出射光得到第一处理光；第一分隔玻璃，与光处理模组耦合连接,第二分隔玻璃，与第一分隔玻璃耦合连接；第一分隔玻璃和所二分隔玻璃构成目标空间；反光板，与第二分隔玻璃耦合连接，用于根据第一处理光得到反射光；光处理模组还用于根据反射光得到第二处理光；光成像模组，与光处理模组耦合连接，用于根据第二处理光得到流场结构图；处理模块，用于根据流场结构图得到目标空间中气体的气流速度。本申请实施例能够提升系统的空间适应性，实现对发动机燃烧室中气体流速的检测。
Description
技术领域
本申请涉及纹影成像技术领域，尤其涉及一种机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质。
背景技术
纹影法是一种用纹影仪系统进行流场显示与测量的最常用的光学测试方法。纹影法利用光在待测流场中的折射率梯度正比于流场中的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为光强的变化并记录在相机中。
然而相关技术中，在面向超燃发动机燃烧室等极端流动环境，一般的纹影成像结构占用较大的空间，无法搭载在发动机燃烧室内壁，如此无法对发动机中的高速气流进行测速。因此，如何提供一种机载气流测速系统，以能够对发动机中的高速气流进行测速，成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请实施例的主要目的在于提出一种机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质，旨在提升系统的空间适应性，实现对喷气发动机燃烧室中气体流速的检测。
为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了一种机载气流测速系统，所述系统用于搭载在喷气发动机上，所述系统包括：
出光模组，用于生成出射光；
光处理模组，与所述出光模组耦合连接，用于对所述出射光进行光偏振处理，得到第一处理光；
第一分隔玻璃，与所述光处理模组耦合连接,所述第一分隔玻璃设置在所述喷气发动机的燃烧室的内壁上；
第二分隔玻璃，与所述第一分隔玻璃耦合连接；所述第二分隔玻璃设置在所述喷气发动机的所述燃烧室的内壁上；其中，所述第一分隔玻璃和所述第二分隔玻璃构成目标空间，所述喷气发动机的所述燃烧室用于朝所述目标空间喷射气体；
反光板，与所述第二分隔玻璃耦合连接，用于对所述第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，所述光处理模组还用于对所述反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光；
光成像模组，与所述光处理模组耦合连接，用于根据所述第二处理光得到所述目标空间的流场结构图；
处理模块，用于根据所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度；
其中，所述出光模组、所述光处理模组、所述光成像模组和所述处理模块设置于根据所述第一分隔玻璃所隔离的所述燃烧室的内壁空间中，所述反光板设置于根据所述第二分隔玻璃所隔离的所述燃烧室的内壁空间中。
在一些实施例，所述出光模组包括：
光源模块，用于根据所述目标空间中的预测气流速度切换光源状态，并用于根据切换后的光源状态生成LED光；其中，所述光源状态包括单色双帧输出状态和双色双帧输出状态；
透镜组，与所述光源模块耦合连接；
线偏振片，与所述透镜组耦合连接，所述线偏振片用于对第一子光进行透射，并用于对第二子光进行过滤；其中，所述第一子光是光偏振方向与所述线偏振片的设备偏振方向相同的所述LED光，所述第二子光是所述光偏振方向与所述设备偏振方向垂直的所述LED光；
源格栅，与所述线偏振片耦合连接，得到所述出射光。
在一些实施例，所述光处理模组包括：
偏振分光棱镜，与所述出光模组耦合连接，用于接收所述出射光；
1/4波片，与所述偏振分光棱镜耦合连接，用于对所述出射光进行光偏振处理，得到所述第一处理光；
场镜，与所述1/4波片耦合连接；
其中，所述1/4波片还用于对经过所述场镜的所述反射光进行光偏振处理，所述偏振分光棱镜还用于对经过进行光偏振处理后的反射光进行反射处理，得到所述第二处理光。
在一些实施例，所述光成像模组包括：
截止格栅，与所述光处理模组耦合连接；
采集模块，与所述截止格栅耦合连接，用于根据经过所述截止格栅的所述第二处理光生成所述目标空间中气体的流场结构图；
同步装置，用于控制所述出光模组和所述采集模块同步工作，使得所述第二处理光以预设频率射入所述采集模块的曝光时间中。
为实现上述目的，本申请实施例的第二方面提出了一种机载气流测速方法，所述方法包括：
出光模组生成出射光；
光处理模组对所述出射光进行光偏振处理，得到第一处理光；
反光板对所述第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，所述光处理模组还用于对所述反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光；
光成像模组根据所述第二处理光得到目标空间的流场结构图；
处理模块对所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度。
在一些实施例，所述出光模组还包括光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅，所述光源模块、所述透镜组、所述线偏振片和所述源格栅依次耦合连接，所述光源模块用于生成LED光，所述LED光经过光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅变换为所述出射光，所述方法还包括：
获取所述目标空间的预测气流速度；
若所述预测气流速度小于预设的气流速度阈值，所述光源模块切换至单色双帧输出状态，所述光源模块根据所述单色双帧输出状态生成所述LED光；
若所述预测气流速度大于或等于所述气流速度阈值，所述光源模块切换至双色双帧输出状态，所述光源模块根据所述双色双帧输出状态生成所述LED光。
在一些实施例，所述光成像模组包括同步装置和采集模块，所述LED光为光脉冲对，所述光脉冲对包括第一光脉冲和第二光脉冲，光源模块根据所述单色双帧输出状态生成LED光，包括：
所述同步装置控制所述采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
所述同步装置控制所述光源模块根据预设频率生成所述第一光脉冲和所述第二光脉冲，以使所述第二处理光以所述预设频率射入所述采集模块的所述预设曝光时间中。
在一些实施例，所述光成像模组包括同步装置和采集模块，所述LED光为光脉冲对，所述光脉冲对包括第三光脉冲和第四光脉冲，所述光源模块根据所述双色双帧输出状态生成LED光，包括：
所述同步装置控制所述采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
所述同步装置控制所述光源模块根据预设频率和第一颜色生成所述第三光脉冲，并根据所述预设频率和第二颜色生成所述第四光脉冲，以使所述第二处理光以所述预设频率射入所述采集模块的所述预设曝光时间中。
在一些实施例，所述处理模块对所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度，包括：
处理模块对流场结构图进行时间相关性判断，得到判断结果；
若所述判断结果表示所述流场结构图具有时间相关性，获取所述光成像模组的第一工作参数和所述出光模组的第二工作参数；
根据所述流场结构图、所述第一工作参数和所述第二工作参数得到所述目标空间中气体的流动速度。
为实现上述目的，本申请实施例的第三方面提出了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的系统。
为实现上述目的，本申请实施例的第四方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的系统。
本申请提出的机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质,其通过出光模块生成出射光。通过光处理模组，对所述出射光进行光偏振处理得到第一处理光；通过反光板对所述第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，所述光处理模组还对所述反射光进行光偏振处理和反射处理，得到第二处理光；光成像模组根据所述第二处理光得到目标空间的流场结构图；处理模块对所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度。由此可知，本申请通过在喷气发动机的燃烧室搭载具备空间适应性的纹影成像系统，得到喷气发动机燃烧室中气体的流场结构图，从而实现对喷气发动机燃烧室中气体流速的检测。
附图说明
图1是本申请实施例提供的机载气流测速系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的机载气流测速系统的另一结构示意图；
图3是本申请实施例提供的机载气流测速方法的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的机载气流测速方法的另一实施例流程示意图
图5是图4中的步骤S402的流程图；
图6是步骤S402方法的具体实施例示意图；
图7是图4中的步骤S403的流程图；
图8是步骤S403方法的具体实施例示意图；
图9是图3中的步骤S305的流程图；
图10A是本申请实施例提供的单色双帧状态下得到的一帧流场结构示意图；
图10B是本申请实施例提供的单色双帧状态下得到的另一帧流场结构示意图；
图11是本申请实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在结构示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于结构中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
相关技术中，纹影法是一种用纹影仪系统进行流场显示与测量的最常用的光学测试方法。纹影法利用光在待测流场中的折射率梯度正比于流场中的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为光强的变化并记录在相机中。
然而相关技术中，在面向超燃发动机燃烧室等极端流动环境，一般的纹影成像结构占用较大的空间，无法搭载在发动机燃烧室内壁，如此无法对发动机中的高速气流进行测速。因此，如何提供一种机载气流测速系统，以能够对发动机中的高速气流进行测速，成为了亟待解决的技术问题。
基于此，本申请实施例提供了一种机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质，旨在实现湍流环境中气体流速的记录。
本申请实施例提供的机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质，具体通过如下实施例进行说明，首先描述本申请实施例中的机载气流测速系统。
图1是本申请实施例提供的一个机载气流测速系统的结构示意图，该系统包括：
出光模组101，用于生成出射光。光处理模组102，与出光模组101耦合连接，用于对出射光进行光偏振处理，得到第一处理光。第一分隔玻璃103，与光处理模组102耦合连接，第一分隔玻璃103设置在喷气发动机的燃烧室内壁上。第二分隔玻璃104与第一分隔玻璃103耦合连接，第二分隔玻璃104设置在喷气发动机的燃烧室内壁上。其中，第一分隔玻璃103和第二分隔玻璃104构成目标空间105，喷气发动机的燃烧室用于朝目标空间105喷射气体。反光板106，与第二分隔玻璃104耦合连接，反光板106设置在燃烧室的内壁空间中，用于对第一处理光进行反射处理，得到反射光。其中，光处理模组102还用于对反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光。图1中所示的入射光线包括出射光和第一处理光，反射光线包括反射光和第二处理光。光成像模组107，与光处理模组102耦合链接，用于根据第二处理光得到目标空间105的流场结构图。处理模块108，用于根据流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间105中气体的气流速度。其中，出光模组101、光处理模组102、光成像模组107和处理模块108设置于根据第一分隔玻璃103所隔离的燃烧室的内壁空间中，反光板106设置于根据第二分隔玻璃104所隔离的燃烧室的内壁空间中。其中，本领域技术人员可以理解的,耦合连接表示各光学元件之间对准放置，以实现光的有效传播。耦合连接也可以称为耦合对接，此处以实现光的有效传播为准，不对光学元件的摆放连接词做限定。
示例性的，在喷气发动机的燃烧室中设两个相对的空间，以第一分隔玻璃和第二分隔玻璃进行封闭，第一分隔玻璃所封闭的空间中设置机载气流测速系统的出光模组、光处理模组、光成像模组和处理模块，第二分隔玻璃所封闭的空间中设置机载气流测速系统的反光板，由此可以实现将纹影成像系统搭载在喷气发动机的燃烧室中。
本实施例中，通过光处理模组对光的传播方向进行调整，让出光模组和光光成像模组可以在光的不同传播方向上铺展放置，因此在搭建申请实施例的机载气流测速系统时，占用空间更小，具有一定的空间适应性。从而实现搭载在喷气发动机中，记录喷气发动机燃烧室中气体的气流速度。
根据本申请实施例的机载气流测速系统，通过出光模块生成出射光。通过光处理模组，对出射光进行光偏振处理得到第一处理光。通过反光板对第一处理光进行反射处理，得到反射光。其中，光处理模组还对反射光进行光偏振处理和反射处理，得到第二处理光。光成像模组根据第二处理光得到目标空间的流场结构图。处理模块对流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间中气体的气流速度。由此可知，本申请通过在喷气发动机的燃烧室搭载具备空间适应性的纹影成像系统，得到喷气发动机燃烧室中气体的流场结构图，从而实现对喷气发动机燃烧室中气体流速的检测。
参阅图2，在一些实施例中，机载气流测速系统中的出光模组还包括：光源模块201，用于根据目标空间105中的预测气流速度切换光源状态，并用于根据切换后的光源状态生成LED光。其中，预测气流速度，可以是相关对象根据经验、预测、历史数据等方式给出对目标空间105中气体流动速度的预测数值。光源状态包括单色双帧输出状态和双色双帧输出状态。透镜组202，与光源模块201耦合连接,透镜组202包括凸透镜、菲涅尔透镜，也可以是多个透镜的组合，用于调整LED光的光路，使光源模块201生成的LED光聚集起来穿过系统。线偏振片203，与透镜组202耦合连接，线偏振片203用于对第一子光进行透射，并用于对第二子光进行过滤。其中，第一子光是光偏振方向与线偏振片203的设备偏振方向相同的LED光，第二子光是光偏振方向与设备偏振方向垂直的LED光。源格栅204，与透镜组202耦合连接，用于遮挡第一子光的部分光源，得到出射光。
机载气流测速系统中的光处理模组还包括：偏振分光棱镜205，与出光模组耦合连接，具体与源格栅204耦合连接，用于接收出射光。1/4波片206，与偏振分光棱镜205耦合连接，用于对出射光进行光偏振处理，得到第一处理光。场镜207，与1/4波片206耦合连接。其中，1/4波片206还用于对经过场镜207的反射光进行光偏振处理，偏振分光棱镜205还用于对经过进行光偏振处理后的反射光进行反射处理，得到第二处理光。
机载气流测速系统中的光成像模组还包括：截止格栅208，与光处理模组耦合连接，具体与偏振分光棱镜205耦合连接。采集模块209，可以是高速相机，与截止格栅208耦合连接，用于根据经过截止格栅208的第二处理光生成目标空间105中气体的流场结构图。同步装置210，用于控制光源模块201和采集模块209同步工作，使得第二处理光以预设的频率射入采集模块209的曝光时间中。
源格栅204与截止格栅208，都是用于遮挡LED光的部分光源，实现纹影结构中“刀口”的作用。源格栅204与截止格栅208会遮挡住LED光的部分光源，导致采集模块209在视场上收到的光减弱。源格栅204可以有黑色的条纹格栅，截止格栅208可以有透明的条纹格栅，当源格栅204的黑色条纹与截止格栅208的透明条纹相互重合，此时，源格栅204与截止格栅208完全不透光，将采集模块209的全部视场覆盖，会得到全黑的场，但是，由于目标空间105存在较强的密度梯度，LED光在透过目标空间105时，LED光会发生偏折，使得原本相互重合的格栅，不能够遮挡住偏折的LED光，由此进入到采集模块209中，从而在采集模块可以得到对比度更高的流场结构图。
场镜207，由于场镜207的存在，只有聚焦平面的像才能存在于采集模块209中，气体平面的像会被模糊，进而形成景深。场镜207的作用还包括但不限于扩大视场、放大成像、调节和控制LED光的传播方向和聚焦位置。
同步装置210，可以用于同步采集模块209与光源模块201工作。目标空间105是喷气发动机燃烧室这样的湍流环境，想要得到具有时间相关性的流场结构图，采集模块209需要以非常短的快门时间间隔进行成像，光源模块201要精准地发出光脉冲对，与采集模块209的快门时间间隔对应。在这种需要高精度协同工作的情况下,通过同步装置210来使光源模块201和采集模块209能够协调工作，使LED光以预设频率射入采集模块209的曝光时间中,从而让光脉冲对在曝光时间中落在目标位置。
在本实施例中，通过设立透镜组、线偏振片、偏振分光棱镜、1/4波片和场镜器件，减少了LED光在系统中传播时的减损量，使得最终入射进采集模块的光能够保证不会损失超过75%的光强，保证了足够的光进入采集模块进行成像。同时，通过对光偏振方向的处理，可以过滤掉来自其他背景的杂乱光，减少其他光线的干扰，实现在得到流场结构图时，可以获得更加清晰的图像。
在本实施例中，光的整体路线为：光源模块201发出LED光，LED光穿过透镜组202、线偏振片203、源格栅204后，得到出射光。出射光以一定的偏振角通过偏振分光棱镜205，然后经过1/4波片206和场镜207，在经过1/4波片时，出射光从线偏振光变为了圆偏振光，得到第一处理光。第一处理光穿过第一分隔玻璃103和第二分隔玻璃104，到达反光板106，并原路返回得到反射光。反射光再次经过第二分隔玻璃104、第一分隔玻璃103、场镜207和1/4波片206，此时反射光从圆偏振光变回了线偏振光，且偏振方向与出射光的偏振方向垂直。这时，经过处理的反射光无法通过偏振分光棱镜205而被反射到另一个方向，得到第二处理光。第二处理光通过截止格栅208后进入采集模块209。
根据本申请实施例的机载气流测速系统，通过光源模块根据目标空间的预测气流速度切换光源状态，生成LED光。LED光经过透镜组、源格栅、场镜、截止格栅，到达采集模块，根据光源状态的不同而采用不同的成像方式，得到目标空间中气体的流场结构图。通过处理模块对流场结构图进行时间相关性处理得到目标空间中的气体的气流速度。由此可知，本申请基于目标空间的预测气流速度的不同，切换不同的光源状态，使用不同的成像方式，实现在喷气发动机燃烧室环境中也能够得到具有时间相关性的流场结构图，从而得到喷气发动机气体的流动速度。
在一些实施例中，本申请实施例还提供了机载气流测速方法，如图3所示，根据本申请实施例的机载气流测速方法可以包括但不限于步骤S301至步骤S305：
步骤S301，出光模组生成出射光；
步骤S302，光处理模组对出射光进行光偏振处理，得到第一处理光；
步骤S303，反光板对第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，光处理模组还对反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光；
步骤S304，光成像模组根据第二处理光得到目标空间的流场结构图;
步骤S305，处理模块对流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间中气体的气流速度。
在一些实施例的步骤S301中，出射光指从出光模组生成的光，出射光可以进行预处理，例如，对光进行聚合处理以减少光的损耗，或对光进行偏振处理以得到偏振方向特定的光。
在一些实施例的步骤S302中，光处理模组对出射光进行光偏振处理，可以是对出射光进行偏振方向上的过滤，也可以是对出射光的偏振方向进行改变，得到第一处理光。可参阅图2所示的系统图，光处理模组中的1/4波片对出射光进行光偏振处理。出射光从线偏振光变为了圆偏振光，得到第一处理光。
在一些实施例的步骤S303中，第一处理光在反光板处被反射，得到反射光；反射光返回光处理模组，被进行偏振反射处理，其中，偏振反射处理指的是进行光偏振处理和反射处理。可参阅图2所示的系统图，反射光在1/4波片处进行了光偏振处理，反射光变为了线偏振光，但是偏振方向已经与出射光的偏振方向垂直，从而在经过偏振分光棱镜时，被反射得到第二处理光。
在一些实施例的步骤S304中，光成像模组根据第二处理光得到目标空间的流场结构图;光成像模组包括采集模块，如高速相机、高速摄影机等，由于目标空间中会有喷气发动机出来的高速气流，因此光成像模组中的采集模块一般为高快门、快门间隔极短的高速相机。流场结构图指的是记录了目标空间中气体的流动结构的图像。
请参阅图4，在一些实施例中，出光模组还包括光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅，光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅依次耦合连接，光源模块用于生成LED光，LED光经过光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅变换为出射光，在步骤S304之前还包括但不限于包括步骤S401至步骤S403：
步骤401，获取目标空间的预测气流速度；
步骤402，若预测气流速度小于预设的气流速度阈值，光源模块切换至单色双帧输出状态，光源模块根据单色双帧输出状态生成LED光；
步骤403，若预测气流速度大于或等于气流速度阈值，光源模块切换至双色双帧输出状态，光源模块根据双色双帧输出状态生成LED光。
在一些实施例的步骤S401中，其中，目标空间指的是第一分隔玻璃和第二分隔玻璃之间的空间，喷气发动机的燃烧室会朝目标空间喷射气体。预测气流速度可以是相关对象根据经验、预测、历史数据等方式给出对目标空间中气体流动速度的预测数值。
在一些实施例的步骤S402中，若给出的预测气流速度小于预设的气流速度阈值，即预测目标空间的气流速度并没有超过气流速度阈值，光源模块则根据给出的预测气流速度，切换至单色双帧输出状态，生成LED光。单色双帧输出状态指的是光源模块仅输出一种颜色的光，且输出的LED光为光脉冲对，一个光脉冲对会在采集模块中生成两个流场结构图。
请参阅图5与图6，在一些实施例中，光成像模组还包括同步装置和采集模块，LED光为光脉冲对，光脉冲对包括第一光脉冲和第二光脉冲，步骤S402中“光源模块根据单色双帧输出状态生成LED光”，包括但不限于包括步骤S501至步骤S502：
步骤S501，同步装置控制采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
步骤S502，同步装置控制光源模块根据预设频率生成第一光脉冲和第二光脉冲，以使第二处理光以预设频率射入采集模块的预设曝光时间中。
在一些实施例的步骤S501中，采集模块调整曝光时间为预设曝光时间。预设曝光时间为根据测速环境设定的高速相机曝光时间，一般会与光源模块输出光脉冲的频率对应，更好协调工作。参阅图6的实施例，高速相机快门信号频率为76KHz，一个曝光时间大约为13μs（微秒）。
在一些实施例的步骤S502中，同步装置控制光源模块根据预设频率生成第一光脉冲和第二光脉冲。参阅图6，光源模块根据预设频率生成光脉冲对,发出一个光脉冲对的频率为38KHz，则时间约为26μs，刚好是两个曝光时间，同步装置根据采集模块的曝光时间和光源模块生成光脉冲对的预设频率，控制采集模块与光源模块协调工作，使得第一光脉冲和第二光脉冲都在预设曝光时间内，且分别在一个曝光时间中。如图6的实施例所示，第一光脉冲和第二光脉冲在相邻的两个曝光时间中，第一光脉冲在前一个曝光时间的末端位置，第二光脉冲在紧接后面的一个曝光时间的最前端位置，第一光脉冲和第二光脉冲的间隔略大于两个曝光时间的间隔。由于在湍流环境中，气体的流动速度很快，因此，第一光脉冲与第二光脉冲之间的时间间隔，仅略微长于采集模块的曝光时间间隔，且第一光脉冲和第二光脉冲的时间也很短。图7所示的实施例中，第一光脉冲与第二光脉冲仅相差500ns（纳秒），光脉冲时间仅100ns，以此来得到更短时间内目标空间的气体的流场结构图。相比现有技术，可以观测到更快的气流速度的流场结构图。
通过步骤S501至步骤S502，通过光源模块调整为单色双帧输出状态，生成光脉冲对，通过同步装置控制光源模块发出的第一光脉冲和第二光脉冲都以预设频率输入采集模块的预设曝光时间中，以得到在低于气流速度阈值的气体的流场结构图。
在一些实施例的步骤S403中，若给出的预测气流速度大于或等于预设的气流速度阈值，即预测目标空间的气流速度已经超过气流速度阈值，则将光源模块切换至双色双帧输出状态。光源模块根据双色双帧输出状态生成LED光。双色双帧输出状态指的是光源模块会以一定的频率输出两种颜色的光，且输出的LED光为光脉冲对，一个光脉冲对在采集模块中会生成一个流场结构图。
请参阅图7和图8，在一些实施例中，光成像模组还包括同步装置和采集模块，LED光为光脉冲对，光脉冲对包括第三光脉冲和第四光脉冲，步骤S403中“光源模块根据双色双帧输出状态生成LED光”，包括但不限于包括步骤S701至步骤S702：
步骤S701，同步装置控制采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
步骤S702，同步装置控制光源模块根据预设频率和第一颜色生成第三光脉冲，并根据预设频率和第二颜色生成第四光脉冲，以使第二处理光以预设频率射入采集模块的预设曝光时间中。
在一些实施例的步骤S701中，采集模块调整曝光时间为预设曝光时间。预设曝光时间为根据测速环境设定的高速相机曝光时间，一般会与光源模块输出光脉冲的频率对应，更好协调工作。参阅图8的实施例，高速相机快门信号频率为76KHz，一个曝光时间大约为13μs（微秒）。
在一些实施例的步骤S702中，同步装置控制光源模块以预设频率生成第一颜色的第三光脉冲，并以预设频率生成第二颜色的第四光脉冲。参阅图8，光源模块根据预设频率和第一颜色生成第三光脉冲，根据预设频率和第二颜色生成第四光脉冲，第三光脉冲和第四光脉冲为一个光脉冲对，都在预设曝光时间内，且都在同一个曝光时间内。如图8的实施例所示，发出一个光脉冲对的频率为76KHz，时间约为13μs，与曝光时间一致，一个光脉冲对刚好落在一个曝光时间中。由于在湍流环境中，气体的流动速度过快，超过了气流速度阈值，以至于即便是在采集模块最快的曝光时间，也无法得到两张具有时间相关性的流场结构图。因此，只能在一个曝光时间的流场结构图，通过不同的颜色通道，也就是第一颜色和第二颜色，来记录气体的流场结构变化。如图8的实施例所示，一个曝光时间内，有第一颜色的第三光脉冲和第二颜色的第四光脉冲，第三光脉冲与第四光脉冲仅相差200ns，光脉冲时间仅100ns，可以记录更快流动速度的气体的流场结构图。
通过步骤S701至步骤S702，通过光源模块调整为双色双帧输出状态，生成第一颜色的第三光脉冲和第二颜色的第四光脉冲，通过同步装置控制第三光脉冲和第四光脉冲都落在采集模块的同一预设曝光时间内，以得到在大于或等于气流速度阈值的气体的流场结构图。
在一些实施例中，预设的气流速度阈值可以是2000m/s，这是因为在相关技术中，最好的高速相机（采集模块）的两帧之间的间隔大概是300ns，如果是用于光源模块在单色双帧输出状态进行采集成像，也只能在气流速度低于2000m/s的目标空间中得到具有时间相关性的流场结构图。若气流速度高于气流速度阈值，采集模块则不能够得到具有时间相关性的流场结构图了。
在一些实施例中，光源状态为双色双帧输出状态，从而成像得到流场结构图的方式，也可以应用于目标空间的气体低于气流速度阈值的情况。可以理解的，双色双帧输出状态下的成像方式，可以应用在超过气流速度阈值的环境中，也当然可以应用在没有超过气流速度阈值的环境中。但在上面的实施例中，在低于气流速度阈值的情况下，使用单色双帧输出状态下的成像方式，是因为在低于气流速度阈值的环境中，单色双帧输出状态下的成像方式精度会比双色双帧输出状态下的成像方式高。
在一些实施例的步骤S305中，处理模块根据得到的流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间中气体的气流速度。
请参阅图9，步骤S305还包括但不限于包括步骤S901至步骤S903：
步骤S901，处理模块对流场结构图进行时间相关性判断，得到判断结果；
步骤S902，若判断结果表示流场结构图具有时间相关性，获取光成像模组的第一工作参数和出光模组的第二工作参数；
步骤S903，根据流场结构图、第一工作参数和第二工作参数得到目标空间中气体的流动速度。
在一些实施例的步骤S901至步骤S902中，处理模块对得到的流场结构图进行时间方面的相关性判断，以判断得到流场结构图中的气体结构变换是否具有可观测性和可计量性。若流场结构图满足条件具备时间相关性，则得到当时在获取流场结构图时，采集模块的第一工作参数和光源模块的第二工作参数。示例性的，第一工作参数可以是高速相机的曝光时间（快门时间）和曝光间隔时间，第二工作参数可以是光源模块发出光脉冲对的频率。
在一些实施例的步骤S903中，根据具有时间相关性的流场结构图、第一工作参数、第二工作参数得到目标空间中气体的流动速度。可以理解的是，若光源模块是以单色双帧输出状态输出LED光的，则根据第一光脉冲所得到的流场结构图和第二光脉冲所得到的流场结构图，来得到目标空间中气体的流动速度。若光源模块是以双色双帧输出状态输出LED光的，则根据第三光脉冲和第四光脉冲所得到流场结构图，通过第一颜色下的流场结构图和第二颜色下的流场结构图，来得到目标空间中气体的流动速度。
在一个具体的实施例中，以超燃发动机中的气流情况为例，燃烧室内气体流速约1500m/s，光源模块选用电功率为200W的高频LED光源，波长为532nm的单色绿光阵列芯片，透镜组选用直径为300nm的菲涅尔透镜，源格栅选用线密度为2lp/mm，边长为150mm的光绘掩膜板，场镜选用焦段为75mm~210mm的变焦镜头，截止格栅选用线密度为10lp/mm，边长为50mm的石英掩膜板，选用满像素工作下帧率可达76KHz的高速相机为采集模块，预设气流速度阈值为2000m/s，由于预测气流速度低于气流速度阈值，因此光源模块采用单色双帧输出状态，最终可得流场结构图，如图10A和图10B，两个流场结构图中的流场的位移不高于5个像素点，通过图10A和图10B的两个流场结构图可以得到燃烧室内气体的流动速度。由此可以推出，当采用双色控制系统时，通过将双色光线脉冲间隔设置约为100ns，能够实现对最高流速达6000m/s流场的测速，对应发动机在气流速度20Ma（马赫）左右工作，测速范围略大于现有的超高声速飞行器的理论极限。
本申请实施例所示意的步骤S301至步骤S305，通过光处理模组，对出射光进行光偏振处理得到第一处理光。通过反光板对第一处理光进行反射处理，得到反射光。其中，光处理模组还对反射光进行光偏振处理和反射处理，得到第二处理光。光成像模组根据第二处理光得到目标空间的流场结构图。处理模块对流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间中气体的气流速度。由此可知，本申请通过在喷气发动机的燃烧室搭载具备空间适应性的纹影成像系统，得到喷气发动机燃烧室中气体的流场结构图，从而实现对喷气发动机燃烧室中气体流速的检测。
本申请实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述机载气流测速方法。该电子设备可以为包括平板电脑、车载电脑等任意智能终端。
请参阅图11，图11示意了另一实施例的电子设备的硬件结构，电子设备包括：
处理器1101，可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案；
存储器1102，可以采用只读存储器（Read Only Memory，ROM）、静态存储设备、动态存储设备或者随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等形式实现。存储器1102可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1102中，并由处理器1101来调用执行本申请实施例的机载气流测速方法；
输入/输出接口1103，用于实现信息输入及输出；
通信接口1104，用于实现本设备与其他设备的通信交互，可以通过有线方式（例如USB、网线等）实现通信，也可以通过无线方式（例如移动网络、WIFI、蓝牙等）实现通信；
总线1105，在设备的各个组件（例如处理器1101、存储器1102、输入/输出接口1103和通信接口1104）之间传输信息；
其中处理器1101、存储器1102、输入/输出接口1103和通信接口1104通过总线1105实现彼此之间在设备内部的通信连接。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述机载气流测速方法。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
本申请实施例提供的机载气流测速系统、方法、电子设备及存储介质，通过光处理模组，对出射光进行光偏振处理得到第一处理光。通过反光板对第一处理光进行反射处理，得到反射光。其中，光处理模组还对反射光进行光偏振处理和反射处理，得到第二处理光。光成像模组根据第二处理光得到目标空间的流场结构图。处理模块对流场结构图进行时间相关性处理，得到目标空间中气体的气流速度。由此可知，本申请通过在喷气发动机的燃烧室搭载具备空间适应性的纹影成像系统，得到喷气发动机燃烧室中气体的流场结构图，从而实现对喷气发动机燃烧室中气体流速的检测。
本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本申请实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元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，本申请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全部或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，包括多指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例的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(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序的介质。
以上参照附图说明了本申请实施例的优选实施例，并非因此局限本申请实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请实施例的权利范围之内。
Claims (11)
1.一种机载气流测速系统，其特征在于，所述系统用于搭载在喷气发动机上，所述系统包括：
出光模组，用于生成出射光；
光处理模组，与所述出光模组耦合连接，用于对所述出射光进行光偏振处理，得到第一处理光；
第一分隔玻璃，与所述光处理模组耦合连接,所述第一分隔玻璃设置在所述喷气发动机的燃烧室的内壁上；
第二分隔玻璃，与所述第一分隔玻璃耦合连接；所述第二分隔玻璃设置在所述喷气发动机的所述燃烧室的内壁上；其中，所述第一分隔玻璃和所述第二分隔玻璃构成目标空间，所述喷气发动机的所述燃烧室用于朝所述目标空间喷射气体；
反光板，与所述第二分隔玻璃耦合连接，用于对所述第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，所述光处理模组还用于对所述反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光；
光成像模组，与所述光处理模组耦合连接，用于根据所述第二处理光得到所述目标空间的流场结构图；
处理模块，用于根据所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度；
其中，所述出光模组、所述光处理模组、所述光成像模组和所述处理模块设置于根据所述第一分隔玻璃所隔离的所述燃烧室的内壁空间中，所述反光板设置于根据所述第二分隔玻璃所隔离的所述燃烧室的内壁空间中。
2.根据权利要求1所述的机载气流测速系统，其特征在于，所述出光模组包括：
光源模块，用于根据所述目标空间中的预测气流速度切换光源状态，并用于根据切换后的光源状态生成LED光；其中，所述光源状态包括单色双帧输出状态和双色双帧输出状态；
透镜组，与所述光源模块耦合连接；
线偏振片，与所述透镜组耦合连接，所述线偏振片用于对第一子光进行透射，并用于对第二子光进行过滤；其中，所述第一子光是光偏振方向与所述线偏振片的设备偏振方向相同的所述LED光，所述第二子光是所述光偏振方向与所述设备偏振方向垂直的所述LED光；
源格栅，与所述线偏振片耦合连接，得到所述出射光。
3.根据权利要求1所述的机载气流测速系统，其特征在于，所述光处理模组包括：
偏振分光棱镜，与所述出光模组耦合连接，用于接收所述出射光；
1/4波片，与所述偏振分光棱镜耦合连接，用于对所述出射光进行光偏振处理，得到所述第一处理光；
场镜，与所述1/4波片耦合连接；
其中，所述1/4波片还用于对经过所述场镜的所述反射光进行光偏振处理，所述偏振分光棱镜还用于对经过进行光偏振处理后的反射光进行反射处理，得到所述第二处理光。
4.根据权利要求1所述的机载气流测速系统，其特征在于，所述光成像模组包括：
截止格栅，与所述光处理模组耦合连接；
采集模块，与所述截止格栅耦合连接，用于根据经过所述截止格栅的所述第二处理光生成所述目标空间中气体的流场结构图；
同步装置，用于控制所述出光模组和所述采集模块同步工作，使得所述第二处理光以预设频率射入所述采集模块的曝光时间中。
5.一种机载气流测速方法，应用于如权利要求1至4任一项所述的一种机载气流测速系统，包括：
出光模组生成出射光；
光处理模组对所述出射光进行光偏振处理，得到第一处理光；
反光板对所述第一处理光进行反射处理，得到反射光；其中，所述光处理模组还用于对所述反射光进行偏振反射处理，得到第二处理光；
光成像模组根据所述第二处理光得到目标空间的流场结构图；
处理模块对所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述出光模组还包括光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅，所述光源模块、所述透镜组、所述线偏振片和所述源格栅依次耦合连接，所述光源模块用于生成LED光，所述LED光经过光源模块、透镜组、线偏振片和源格栅变换为所述出射光，所述方法还包括：
获取所述目标空间的预测气流速度；
若所述预测气流速度小于预设的气流速度阈值，所述光源模块切换至单色双帧输出状态，所述光源模块根据所述单色双帧输出状态生成所述LED光；
若所述预测气流速度大于或等于所述气流速度阈值，所述光源模块切换至双色双帧输出状态，所述光源模块根据所述双色双帧输出状态生成所述LED光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光成像模组包括同步装置和采集模块，所述LED光为光脉冲对，所述光脉冲对包括第一光脉冲和第二光脉冲，光源模块根据所述单色双帧输出状态生成LED光，包括：
所述同步装置控制所述采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
所述同步装置控制所述光源模块根据预设频率生成所述第一光脉冲和所述第二光脉冲，以使所述第二处理光以所述预设频率射入所述采集模块的所述预设曝光时间中。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光成像模组包括同步装置和采集模块，所述LED光为光脉冲对，所述光脉冲对包括第三光脉冲和第四光脉冲，所述光源模块根据所述双色双帧输出状态生成LED光，包括：
所述同步装置控制所述采集模块的曝光时间为预设曝光时间；
所述同步装置控制所述光源模块根据预设频率和第一颜色生成所述第三光脉冲，并根据所述预设频率和第二颜色生成所述第四光脉冲，以使所述第二处理光以所述预设频率射入所述采集模块的所述预设曝光时间中。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述处理模块对所述流场结构图进行时间相关性处理，得到所述目标空间中气体的气流速度，包括：
处理模块对所述流场结构图进行时间相关性判断，得到判断结果；
若所述判断结果表示所述流场结构图具有时间相关性，获取所述光成像模组的第一工作参数和所述出光模组的第二工作参数；
根据所述流场结构图、所述第一工作参数和所述第二工作参数得到所述目标空间中气体的气流速度。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至9任一项所述的机载气流测速方法。
11.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至9中任一项所述的机载气流测速方法。
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| CN117388525B (zh) | 2024-02-13 |
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