CN117928875A - 一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法，该方法包括：对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定获得标定参数；确定偏振相机阵列的排布方式；将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正；将进行水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取标定板图像和预拍摄原始图像；根据标定参数和标定板图像对预拍摄原始图像进行图像处理，获得预拍摄结果；根据预拍摄结果评估偏振相机阵列是否满足测量一致性要求，若满足则利用偏振相机阵列获取风洞流场的时间分辨偏振图像。本发明获得的时间分辨偏振图像可以进行定量化分析，且抗干扰能力强，能够提供准确的流场信息。

Description

一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及风洞流场测量技术领域，具体涉及一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法。

背景技术

风洞是开展飞行器地面试验研究的重要设备，在风洞中进行飞行器气动性能研究，通常需要对模拟飞行器飞行环境的风洞流场进行可视化成像测量，研究飞行器的与周围流场的相互作用。时间分辨流场成像技术是指应用流场成像方法去拍摄一系列具有时间关联性的流场图像，利用时间分辨流场图像分析流场随着时间的变化过程，进一步研究飞行器的空气动力特性随时间变化规律。但是该技术都是基于光强进行成像，由于光强信号易受到背景干扰同时难以量化，导致时间分辨的流场图像除了流场自身变化带来的信号改变，还存在光强不均匀、成像角度差异等问题带来的信号误差，不利于对时间分辨流场图像的定量化分析处理。

偏振成像技术作为传统探测技术与偏振光学原理相结合的新兴交叉学科发展迅速，其利用偏振信息(偏振度、偏振角等)代替光强信息，可以弥补传统光强可视化技术的不足，具有广阔的应用前景和发展潜力。但是利用单一偏振成像系统连续拍摄序列化时间分辨图像，无法满足对风洞流场成像的需求，风洞流场(特别是高速风洞流场)随时间变化速率很快，要求时间分辨成像测量必须在非常短时间间隔内完成，一方面现有成熟的偏振成像产品，其成像速率跟不上时间分辨测试的要求；另一方面，从定量化角度分析要求时间分辨的成像结果除了流场本身变化外，没有其它因素的干扰，但是现有时间分辨测试技术，通常采用的多相机阵列拍摄方式，其成像视角差异、不同观察角度偏振信号是否一致等问题还没有得到解决。因此，目前亟需一种可以进行风洞流场的时间分辨所需序列化偏振成像的方法和系统。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法，有效解决现有偏振成像技术在风洞的时间分辨流场成像中成像速率跟不上时间分辨测试的要求，同时由于成像视角差异、不同观察角度偏振信号不一致造成无法定量化分析的问题。

第一方面，本发明提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置，该装置包括：风洞、粒子发生器、多腔激光器、同步控制器、控制系统、偏振相机阵列，所述控制系统连接所述同步控制器和所述偏振相机阵列，所述同步控制器连接所述多腔激光器和所述偏振相机阵列，其中：

所述粒子发生器用于向所述风洞提供粒子作为示踪剂；

所述多腔激光器用于按照第一工作时序依次照明风洞流场；

所述偏振相机阵列用于按照第二工作时序依次成像获取时间序列图像，所述偏振相机阵列包括多台分焦平面偏振相机，每台所述分焦平面偏振相机设置X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移调节机构，同时设置俯仰、滚转和偏航三个角度方向的微调机构，并且每台所述分焦平面偏振相机配备相同规格的成像镜头，所述分焦平面偏振相机和所述成像镜头之间设置倾斜-移轴TS结构；

所述控制系统和所述同步控制器用于控制所述多腔激光器和所述偏振相机阵列的协同工作。

第二方面，本发明提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像方法，该方法应用于本发明第一方面所述风洞流场的时间分辨偏振成像装置，所述方法包括如下步骤：

对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，获得每台所述偏振相机的标定参数；

根据风洞的实验段尺寸和待测量的流场区域确定所述偏振相机阵列的排布方式；

将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个所述偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正；

将进行所述水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取每台所述偏振相机的标定板图像和预拍摄原始图像；

根据所述标定参数和所述标定板图像对所述预拍摄原始图像进行相机误差校正、偏振信息解算和图像畸变校正处理，获得预拍摄结果；

根据所述预拍摄结果评估所述偏振相机阵列拍摄同一目标信息是否满足测量一致性要求，若不满足则重复上述步骤，若满足则利用所述偏振相机阵列获取风洞流场的时间分辨偏振图像。

进一步的，对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，获得每台所述偏振相机的标定参数，具体包括：

采用标准光源作为输入，通过测量每台所述偏振相机在标准光源信号条件下的输出，获得每台所述偏振相机的标定参数；

根据所述标准光源和所述标定参数对每台所述偏振相机的标定效果进行检验，确定标定合格的偏振相机。

进一步的，所述标定参数包括微偏振片角度修正值、响应度修正系数和响应偏移。

进一步的，所述偏振相机阵列的排布方式包括：多台所述偏振相机并排布置、多台所述偏振相机分成上下两排并列布置、多台所述偏振相机在风洞实验段两侧对称布置。

进一步的，将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个所述偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正，具体包括：

根据风洞流场内示踪粒子的状态参数设置水槽中示踪粒子的状态参数；

调整多腔激光器的激光片光照明水槽的位置、所述偏振相机阵列距离所述激光片光的位置以及所述偏振相机阵列的拍摄位置；

通过所述偏振相机阵列对同一时刻激光照明下参数已知的示踪粒子散射光偏振信息进行测量，每个所述偏振相机获得同一目标在不同视角下的偏振信号；

根据每个所述偏振相机的偏振信号差异和相机视角对所述偏振信号进行修正。

进一步的，将进行所述水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取每台所述偏振相机的标定板图像和预拍摄原始图像，具体包括：

调整多腔激光器的激光片光照明风洞流场的位置、所述偏振相机阵列距离所述激光片光的位置以及所述偏振相机阵列拍摄位置与所述水槽标定实验中相应的位置一致；

在拍摄区域放置用于不同偏振相机角度修正的标定板，获得标定板图像；

运行风洞和时间分辨偏振成像装置拍摄同一个激光片光照明时刻的流场图像，获取每台偏振相机的预拍摄原始图像。

进一步的，根据所述标定参数和所述标定板图像对所述预拍摄原始图像进行相机误差校正、偏振信息解算和图像畸变校正处理，获得预拍摄结果，具体包括：

利用所述标定参数对所述预拍摄原始图像进行校正，消除每台所述偏振相机的系统误差；

根据分焦平面偏振成像方法解算消除偏振相机系统误差后图像的偏振信息，再对解算偏振信息后的图像进行降噪处理；

利用所述标定板图像对经过降噪处理后的图像进行空间位置畸变的修正，获得每台所述偏振相机的预拍摄结果。

进一步的，所述偏振相机的系统误差包括微偏振片角度误差、传感器响应度误差和偏移误差。

进一步的，根据所述预拍摄结果评估所述偏振相机阵列拍摄同一目标信息是否满足测量一致性要求采用图像一致性处理方法进行评估，所述图像一致性处理方法包括均方误差算法、峰值信噪比算法和余弦相似度算法中的一种或多种。

本发明提供的风洞流场的时间分辨偏振成像装置采用分焦平面偏振相机阵列替代普通光强成像相机阵列，以高精度同步控制器实现各系统的协同工作，偏振相机阵列可以自由精确调节，当物面和像面不平行时，采用倾斜-移轴TS结构实现整个成像平面清晰聚焦。通过该装置获得的时间分辨偏振图像可以进行定量化分析，且抗干扰能力强，时间分辨偏振图像在进行图像定量化分析、计算以及机器学习时，能够提供比传统光强图像更加准确的流场信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置示意图；

图2是本发明实施例提供的多台偏振相机并联布局示意图；

图3是本发明实施例提供的时间分辨偏振成像装置对整个成像平面是否聚焦的效果对比示意图；

图4是本发明实施例提供的时间分辨偏振成像装置的工作时序图；

图5是本发明实施例提供的传统方法获得时间分辨激波流场光强图像；

图6是本发明实施例提供的偏振成像方法获得时间分辨的激波流场偏振图像；

图7是本发明实施例提供的传统相机阵列获得的同一时刻激波流场光强图像；

图8是本发明实施例提供的偏振相机阵列获得的同一时刻激波流场光强图像。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前利用单一偏振成像系统连续拍摄序列化时间分辨图像，无法满足对风洞流场成像的需求，风洞流场(特别是高速风洞流场)随时间变化速率很快，要求时间分辨成像测量必须在非常短时间间隔内完成，一方面现有成熟的偏振成像产品，其成像速率跟不上时间分辨测试的要求；另一方面，从定量化角度分析要求时间分辨的成像结果除了流场本身变化外，没有其它因素的干扰，但是现有时间分辨测试技术，通常采用的多相机阵列拍摄方式，其成像视角差异、不同观察角度偏振信号是否一致等问题还没有得到解决。本发明提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法，有效解决现有偏振成像技术在风洞的时间分辨流场成像中的上述问题。

实施例一

本发明实施例提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置，图1是本发明实施例提供的一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置示意图，如图1所示，该装置包括：风洞、粒子发生器、多腔激光器、同步控制器、控制系统、偏振相机阵列。

在本发明实施例中，偏振相机阵列由八台分焦平面偏振相机并排组成，每台分焦平面偏振相机体积很小，减小了偏振相机阵列所占空间。每台分焦平面偏振相机都配备X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移调节机构和俯仰、滚转和偏航三个角度方向的微调机构，可以实现每台分焦平面偏振相机6个自由度精确调节。同时每台分焦平面偏振相机配备相同规格的成像镜头，减小由镜头带来的成像误差。

由于风洞流场拍摄区域一般为平面，图2是本发明实施例提供的多台偏振相机并联布局示意图，如图2所示，为了拍摄同一区域，偏振相机阵列中每台相机与拍摄平面都存在一定角度，偏振相机无法实现对整个平面的完全清晰对焦，因此在每台偏振相机和成像镜头之间安装具有倾斜-移轴(Tilt-Shift，TS)功能的TS结构，通过调整物镜或透镜与成像平面之间的倾角，使得物镜或透镜的焦深扩展到整个成像平面。图3是本发明实施例提供的时间分辨偏振成像装置对整个成像平面是否聚焦的效果对比示意图，其中图3中的(a)是未使用TS结构的偏振相机阵列成像平面聚焦效果，图3中的(b)是使用TS结构的偏振相机阵列成像平面聚焦效果，对比发现使用TS结构可以得到更加清晰、准确的图像，这种区别对于不规则形状的物体或者不在同一平面上的物体进行成像时，效果更加明显。

在本发明实施例中，粒子发生器采用纳米示踪粒子发生器，多腔激光器采用八腔脉冲激光器，控制系统采用计算机系统，计算机系统连接同步控制器和偏振相机阵列，同步控制器连接多腔激光器和偏振相机阵列，从而通过高精度同步控制器实现整个装置的协同工作。具体的，通过纳米示踪粒子发生器在超声速或高超声速流场中加入纳米粒子作为示踪剂，图4是本发明实施例提供的时间分辨偏振成像装置的工作时序图，如图4所示，利用八腔脉冲激光器按照指定的第一工作时序依次照明流场，偏振相机阵列按照指定的第二工作时序依次成像获取时间序列图像，其中Δt表示激光之间的间隔时间，Δt具体参数可以根据待测流场的主流速度确定。

进一步的，本发明实施例还可以采用分光棱镜的方式，将成像信号分到偏振相机阵列的每个相机，采用分光棱镜结合多相机的方式，可以消除视差，为解算偏振信息带来方便，但需要专门设计的分光棱镜和成像光路，每个偏振相机需要具备精确定位调节结构。

本发明实施例提供的风洞流场的时间分辨偏振成像装置采用分焦平面偏振相机阵列替代普通光强成像相机阵列，以高精度同步控制器实现整个装置的协同工作，偏振相机阵列的相机并联放置，结构简单，可以自由精确调节，当物面和像面不平行时，采用倾斜-移轴TS结构实现整个成像平面清晰聚焦。

实施例二

本发明实施例提供一种风洞流场的时间分辨偏振成像方法，该成像方法应用于实施例一中的风洞流场的时间分辨偏振成像装置，该方法包括如下步骤：

步骤S1、对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，获得每台偏振相机的标定参数；具体包括：

对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，以降低相机本身对偏振成像的误差，相关标定方法可以采用当前常用的偏振相机标定方法，本发明实施例中采用参数已知标准光源作为输入，其中该参数为斯托克斯参数，标准光源包括积分球光源、积分球光源加线偏振镜等光源，通过测量偏振相机在标准光源信号条件下的输出，获得每台偏振相机的标定参数，该标定参数包括微偏振片角度修正值、响应度修正系数和响应偏移等。

再通过标准光源和标定参数对每台偏振相机的标定效果进行检验，具体的通过对已知斯托克斯参数的入射光源测量结果与理论值的对比，确定偏振相机的标定是否合格，满足要求才能认为偏振相机标定合格。

步骤S2、根据风洞的实验段尺寸和待测量的流场区域确定偏振相机阵列的排布方式。

根据开展实验风洞的实验段尺寸和所需测量的流场区域，确定偏振相机阵列的偏振相机的排布方式，其中偏振相机都是经过相机标定合格后的偏振相机。如果拍摄区域较大，可以将多台偏振相机并排布置，如果拍摄区域较小，多台偏振相机并排布置时，可能导致两侧的偏振相机与成像平面的角度较大，从而成像畸变较大，不利于后期图像分析处理，这时可以考虑将偏振相机分成上下两排的方式并排布置。同时为了满足偏振相机阵列通过实际风洞光学窗口对风洞流场制定区域的成像，可以在风洞实验段两侧对称布置偏振相机阵列，同时确定各偏振相机之间的相对夹角。

步骤S3、将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个所述偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正。

实验研究发现，群体示踪粒子散射光中偏振信号在空间不同角度下分布存在差异，这就导致了不同角度下相同偏振相机拍摄同一目标所得到的偏振信号可能不一致。在传统光强信号测量中，由于光强信号难以定量化，一般只关心信号反映的流场空间结构，很少关心不同相机对同一空间位置下拍摄得到的光强信号是否一致。但是偏振成像可以将成像信号定量化，因此，不同偏振相机拍摄角度对偏振成像的影响，会导致偏振相机阵列进行偏振成像的测量精度受到影响。

针对上述难题，根据步骤S2设定好的多台偏振相机分布方式确定好每台偏振相机的位置后，对当前偏振相机阵列进行水槽标定实验。水槽标定实验就是在水槽中添加亲水纳米尺度示踪粒子形成纳米粒子水溶液，其纳米粒子种类、尺寸、浓度等根据待测量的风洞流场内示踪粒子的种类、尺寸和浓度确定，水槽中纳米粒子用来模拟风洞流场中纳米粒子，水介质代替风洞流场中的空气介质。除了水的折射率与空气折射率不同会导致散射光强的影响外，对偏振信号没有影响。同时采用激光器来照明水槽，调整并记录激光片光照明水槽位置、偏振相机阵列距离激光片光位置、偏振相机阵列拍摄位置，以保证标定试验结果可靠性。通过偏振相机阵列对同一时刻激光照明下纳米示踪粒子散射光偏振信息进行测量，每个偏振相机获得同一目标在不同视角下的偏振信号，在同一时刻下纳米粒子散射光偏振信息在相同空间位置是一致的，每个偏振相机接受到的偏振信号差异，就是偏振信号本身在不同偏振相机视场角度下的差异，根据偏振信号差异和相机时间对每个偏振相机获取的偏振信号进行修正。通过水槽标定实验可以保证同一时刻下，对同一散射光偏振信号，各偏振相机获得的偏振信息是一致的，从而解决偏振相机角度引起的对偏振信号的测量误差。

步骤S4、将进行水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取每台偏振相机的标定板图像和预拍摄原始图像。

将经过水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，调节多腔激光器的激光片光在风洞流场拍摄位置，偏振相机阵列距离激光片光位置、偏振相机阵列拍摄位置与水槽标定实验中相应的位置一致。装置的各设备安装完成后，在对应拍摄区域放置用于不同相机角度修正的标定板，本发明实施例中采用棋盘格标定板，获得标定板图像并存储。然后运行风洞和装置的各个设备，开展预拍摄测量，各个偏振相机拍摄同一个激光片光照明时刻流场图像，用于验证拍摄方法和测量系统可信性，从而获取偏振相机阵列中各个偏振相机的预拍摄原始图像。

步骤S5、根据步骤S1中的标定参数和步骤S4中的标定板图像对预拍摄原始图像进行相机误差校正、偏振信息解算和图像畸变校正处理，获得预拍摄结果，具体包括：

首先利用步骤S1中相机标定获得的微偏振片角度修正值、响应度修正系数和响应偏移等标定参数对预拍摄原始图像进行校正，消除每台偏振相机自身导致的微偏振片角度误差、各传感器响应度误差和偏移误差等系统误差。

然后根据分焦平面偏振成像方法解算消除偏振相机系统误差后图像的偏振信息，再对解算偏振信息后的图像进行降噪处理，降噪处理的方法包括常用的空间滤波降噪方法，基于注意力机制的降噪方法以及基于深度学习网络的降噪方法中的一种或多种。

最后利用标定板图像对经过降噪处理后的图像进行空间位置畸变的修正，让每个相机获得的图像在物理空间上完全一致，获得每台偏振相机的预拍摄结果。

步骤S6、根据预拍摄结果评估偏振相机阵列拍摄同一目标信息是否满足测量一致性要求，若不满足则重复上述步骤S1-S5，若满足则利用所述偏振相机阵列获取风洞流场的时间分辨偏振图像。

根据理论情况，预拍摄结果是同一时刻流场结果，其结果应该是一致的，本发明实施例采用图像一致性处理方法对预拍摄结果进行评估，图像一致性处理算法包括采用均方误差算法MSE、峰值信噪比算法PSNR和余弦相似度算法等图像分析方法中的一种或多种。其中采用均方误差算法MSE其测量一致性要求为测量的MSE值接近0，具体数值要求根据实际情况设置；采用峰值信噪比算法PSNR其测量一致性要求为测量的PSNR值越大越好，具体数值要求根据实际情况设置；采用余弦相似度算法其测量一致性要求为测量的余弦相似度值接近1，具体数值要求根据实际情况设置。如果预拍摄结果不满足测量一致性要求，重复前面步骤S1-S5，直到满足测量一致性要求为止。如果各偏振相机拍摄的结果满足测量一致性要求，则可以开展风洞试验测量，获取风洞流场的时间分辨偏振图像并进行分析。

为了验证本发明提供的风洞流场的时间分辨偏振成像装置及方法的可行性，本发明实施例进行采用上述装置和方法获取时间分辨偏振图像并进行分析，结果如下：

图5是本发明实施例提供的传统方法获得时间分辨激波流场光强图像，其中每幅图像时间间隔t为15μs，可用于定性(肉眼主观)分析流场随时间变化过程；图6是本发明实施例提供的偏振成像方法获得时间分辨的激波流场偏振图像，同样每幅图像时间间隔t为15μs，图像可以进行定量化分析。对比图5和图6分析，本发明实施例的时间分辨偏振成像技术达到传统时间分辨成像技术的要求，可以获取时间分辨的风洞流场图像，偏振图像是定量化结果，且不借助任何人工处理方法，而光强图像无法定量化，只能直接显示对应光强灰度值。

同时采用4台传统相机和4台偏振相机对同一时刻流场进行成像测量，图7是本发明实施例提供的传统相机阵列获得的同一时刻激波流场光强图像，图8是本发明实施例提供的偏振相机阵列获得的同一时刻激波流场光强图像。理论上，同一时刻的流场是一致的，所以偏振相机阵列获取的图像理论上应该是一致的，本发明实施例中采用均方误差算法MSE、峰值信噪比算法PSNR和余弦相似度算法对传统相机阵列和偏振相机阵列获得的图像进行图像一致性处理，图像一致性分析是两两图像进行对比，获得分析结果如下表所示：

上表中，将传统相机阵列的4台相机和偏振相机阵列的4台相机，对应获取的图像分别记为P1、P2、P3和P4。

其中，均方误差算法MSE中数值越小，代表两幅图像相似度越高，理论上两幅一样图像的MSE值为0。峰值信噪比算法PSNR数值越大，代表两幅图像相似度越高，理论上两幅一样图像的PSNR值为∞。余弦相似度结果中数值越大，代表两幅图像相似度越高，理论上两幅一样图像的余弦相似度值为1。从分析结果来看，对同一时刻的相同流场，偏振成像的各图像之间的一致性优于传统光强成像结果，说明偏振成像在定量化分析和抗干扰方面更具优势。

综上所述，本发明提供的风洞流场的时间分辨偏振成像装置采用偏振相机阵列替代普通光强成像相机阵列，以高精度同步控制器实现各系统的协同工作，偏振相机阵列可以自由精确调节，当物面和像面不平行时，采用倾斜-移轴TS结构实现整个成像平面清晰聚焦。通过该装置获得的时间分辨偏振图像可以进行定量化分析，且抗干扰能力强，时间分辨偏振图像在进行图像定量化分析、计算以及以后的机器学习时，能够提供比传统光强图像更加准确的流场信息。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风洞流场的时间分辨偏振成像装置，其特征在于，该装置包括：风洞、粒子发生器、多腔激光器、同步控制器、控制系统、偏振相机阵列，所述控制系统连接所述同步控制器和所述偏振相机阵列，所述同步控制器连接所述多腔激光器和所述偏振相机阵列，其中：

所述粒子发生器用于向所述风洞提供粒子作为示踪剂；

所述多腔激光器用于按照第一工作时序依次照明风洞流场；

所述偏振相机阵列用于按照第二工作时序依次成像获取时间序列图像，所述偏振相机阵列包括多台分焦平面偏振相机，每台所述分焦平面偏振相机设置X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移调节机构，同时设置俯仰、滚转和偏航三个角度方向的微调机构，并且每台所述分焦平面偏振相机配备相同规格的成像镜头，所述分焦平面偏振相机和所述成像镜头之间设置倾斜-移轴TS结构；

所述控制系统和所述同步控制器用于控制所述多腔激光器和所述偏振相机阵列的协同工作。

2.一种风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述风洞流场的时间分辨偏振成像装置，所述方法包括如下步骤：

对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，获得每台所述偏振相机的标定参数；

根据风洞的实验段尺寸和待测量的流场区域确定所述偏振相机阵列的排布方式；

将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个所述偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正；

将进行所述水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取每台所述偏振相机的标定板图像和预拍摄原始图像；

根据所述标定参数和所述标定板图像对所述预拍摄原始图像进行相机误差校正、偏振信息解算和图像畸变校正处理，获得预拍摄结果；

根据所述预拍摄结果评估所述偏振相机阵列拍摄同一目标信息是否满足测量一致性要求，若不满足则重复上述步骤，若满足则利用所述偏振相机阵列获取风洞流场的时间分辨偏振图像。

3.根据权利要求2所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，对偏振相机阵列的每台偏振相机进行标定，获得每台所述偏振相机的标定参数，具体包括：

采用标准光源作为输入，通过测量每台所述偏振相机在标准光源信号条件下的输出，获得每台所述偏振相机的标定参数；

根据所述标准光源和所述标定参数对每台所述偏振相机的标定效果进行检验，确定标定合格的偏振相机。

4.根据权利要求3所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，所述标定参数包括微偏振片角度修正值、响应度修正系数和响应偏移。

5.根据权利要求2所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，所述偏振相机阵列的排布方式包括：多台所述偏振相机并排布置、多台所述偏振相机分成上下两排并列布置、多台所述偏振相机在风洞实验段两侧对称布置。

6.根据权利要求2所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，将排布完成后的偏振相机阵列进行水槽标定实验对每个所述偏振相机不同成像视角下获取的偏振信号进行修正，具体包括：

根据风洞流场内示踪粒子的状态参数设置水槽中示踪粒子的状态参数；

调整多腔激光器的激光片光照明水槽的位置、所述偏振相机阵列距离所述激光片光的位置以及所述偏振相机阵列的拍摄位置；

通过所述偏振相机阵列对同一时刻激光照明下参数已知的示踪粒子散射光偏振信息进行测量，每个所述偏振相机获得同一目标在不同视角下的偏振信号；

根据每个所述偏振相机的偏振信号差异和相机视角对所述偏振信号进行修正。

7.根据权利要求6所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，将进行所述水槽标定实验后的偏振相机阵列安装到风洞测量现场，获取每台所述偏振相机的标定板图像和预拍摄原始图像，具体包括：

调整多腔激光器的激光片光照明风洞流场的位置、所述偏振相机阵列距离所述激光片光的位置以及所述偏振相机阵列拍摄位置与所述水槽标定实验中相应的位置一致；

在拍摄区域放置用于不同偏振相机角度修正的标定板，获得标定板图像；

运行风洞和时间分辨偏振成像装置拍摄同一个激光片光照明时刻的流场图像，获取每台偏振相机的预拍摄原始图像。

8.根据权利要求2所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，根据所述标定参数和所述标定板图像对所述预拍摄原始图像进行相机误差校正、偏振信息解算和图像畸变校正处理，获得预拍摄结果，具体包括：

利用所述标定参数对所述预拍摄原始图像进行校正，消除每台所述偏振相机的系统误差；

根据分焦平面偏振成像方法解算消除偏振相机系统误差后图像的偏振信息，再对解算偏振信息后的图像进行降噪处理；

利用所述标定板图像对经过降噪处理后的图像进行空间位置畸变的修正，获得每台所述偏振相机的预拍摄结果。

9.根据权利要求8所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，所述偏振相机的系统误差包括微偏振片角度误差、传感器响应度误差和偏移误差。

10.根据权利要求2所述的风洞流场的时间分辨偏振成像方法，其特征在于，根据所述预拍摄结果评估所述偏振相机阵列拍摄同一目标信息是否满足测量一致性要求采用图像一致性处理方法进行评估，所述图像一致性处理方法包括均方误差算法、峰值信噪比算法和余弦相似度算法中的一种或多种。