CN208673037U - 超高速飞行模型前光及阴影成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超高速飞行模型前光及阴影成像装置。所述成像装置的时序控制器用于按时序触发光源的出光和所有相机的启动，并使所有相机同步启动；光源产生的脉冲激光束通过光纤耦合输出，经一号准直透镜准直后照射到处于测试区域的飞行模型，越过飞行模型的准直光束采用二号准直透镜汇聚，阴影相机设置在二号准直透镜的焦点外1cm～10cm处；一号前光相机和二号前光相机成像主轴呈镜像对称设置，用于对飞行模型的光照面成像。本实用新型用于对飞行模型同时获得前光图像和阴影图像。

Description

超高速飞行模型前光及阴影成像装置

技术领域

本实用新型涉及成像技术领域，尤其涉及一种超高速飞行模型前光及阴影成像装置。

背景技术

为了在模型超高速自由飞实验时获取其姿态、流场及模型外形图像，以改进模型的设计参数，通常会分别采用前光成像系统和阴影成像系统来获取飞行模型的各种图像。其中所述前光成像系统是指从物体的光照面成像的系统，阴影成像系统是指从物体的相对于光照面的背面，也就是阴影面成像的系统。

前光成像系统通常具有定位精度高、测试视场大及可获得模型表面损伤情况的特点；阴影成像系统则具有能显著消除测试区域流场自发光、获得流场信息及定位精度高的特点。

目前，前光成像系统和阴影成像系统各自独立工作，一方面，两个成像系统需要各自独立布设光源，会增加系统的成本，并造成测量空间的拥挤；另一方面，由于在操作过程中很难保证两个系统成像时刻的一致性，从而造成二者成像时飞行模型测量位置的不同，这又使将前光图像和阴影图像进行关联获取到的飞行模型信息准确性受到极大的影响。

因此，针对以上不足，需要提供一种用于飞行模型的成像系统，使前光图像和阴影图像能在同一时刻、针对同一测量位置获取，从而更好的为模型的气动特性分析和设计改进提供基础数据。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有飞行模型的前光成像系统和阴影成像系统各自独立工作，成像时刻很难一致，使相关联的前光图像和阴影图像并不对应模型的同一测量位置，造成还原的模型飞行信息不准确的缺陷，提供一种超高速飞行模型前光及阴影成像装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超高速飞行模型前光及阴影成像装置，所述成像装置包括：时序控制器、光源、一号前光相机、二号前光相机、一号准直透镜、二号准直透镜和阴影相机，

时序控制器用于按时序触发光源的出光和所有相机的启动，并使所有相机同步启动；

光源产生的脉冲激光束通过光纤耦合输出，经一号准直透镜准直后照射到处于测试区域的飞行模型，越过飞行模型的准直光束采用二号准直透镜汇聚，阴影相机设置在二号准直透镜的焦点外1cm～10cm处；

一号前光相机和二号前光相机成像主光轴呈镜像对称设置，用于对飞行模型的光照面成像。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述一号前光相机和二号前光相机的摄像头的连线与一号准直透镜和二号准直透镜的中心连线垂直。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述一号前光相机和二号前光相机的成像主光轴相交并处于两个准直透镜的中心连线上。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述光源为脉冲激光器发射的脉冲激光束。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述光源产生的脉冲激光束为可见光、脉冲宽度小于10ns、输出能量至少为40mJ。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述一号前光相机和二号前光相机成像主光轴夹角的范围为30°～90°。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述成像装置还包括控制单元，用于根据检测到的飞行模型信号控制时序控制器按时序输出对光源和所有相机的触发信号。

在根据本实用新型所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置中，所述光源的出光时刻处于相机的曝光时间范围内。

实施本实用新型的超高速飞行模型成像装置，具有以下有益效果：本实用新型装置中，飞行模型的前光成像和阴影成像共用一个光源，节约了系统成本，并解决了测量位置空间拥挤的问题；在时序控制器的触发信号控制下，确保了前光成像和阴影成像时刻的一致性，使同一采样时刻获取的图像在同一测量位置，前光图像和阴影图像的关联性更好，据此可获得模型的位姿与模型周围流场的关系，为飞行模型的气动特性分析和设计提供更准确的数据基础。

附图说明

图1是根据本实用新型的超高速飞行模型成像装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型的超高速飞行模型成像装置的阴影成像静态图；

图3是对应于图2的前光成像静态图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种超高速飞行模型成像装置，结合图1所示，所述成像装置包括：时序控制器1、光源2、一号前光相机3、二号前光相机4、一号准直透镜5、二号准直透镜6和阴影相机7，时序控制器1用于按时序触发光源2的出光和所有相机的启动，并使所有相机同步启动；所有相机同步启动可以在同一测试位置同时获得飞行模型的前光图像和阴影图像；

光源2产生的脉冲激光束通过光纤耦合输出，经一号准直透镜5准直后照射到处于测试区域的飞行模型9，越过飞行模型的准直光束采用二号准直透镜6汇聚，阴影相机7设置在二号准直透镜6的焦点外1cm～10cm处，在此距离范围内，阴影相机7能对测试区域的飞行模型清晰成像；所述阴影相机7具有镜头及滤光片；一号准直透镜5和二号准直透镜6的透镜参数相同。

一号前光相机3和二号前光相机4的成像主光轴以一号准直透镜5的中心线为对称轴呈镜像对称设置，用于对飞行模型的光照面成像。每个前光相机都安装有镜头及滤光片，两个前光相机的公共视场作为目标的测试区域；对飞行模型双目前光成像后，可根据模型表面的特征标记点获得模型的位姿信息。

本公开中，采用一个光源同时为飞行模型的前光成像和阴影成像提供照明，结合时序控制器1的控制，使两个前光相机和一个阴影相机在同一时刻对飞行模型成像。所述时序控制器1可以包括一个FPGA逻辑控制电路，其控制时序根据三个相机以及光源的响应延时差异，预先计算获得；通过时序控制器1按时序输出的控制信号可实现对光源2和所有相机适的时触发。当飞行模型进入测试区域中心时，控制光源出光，并使出光时刻在三个相机的有效曝光时间内即可完成高质量成像。对时序控制器1的驱动可以采用传统的TTL信号驱动控制方式。所述前光相机及阴影相机可以选择高像素、曝光时间短的工业相机，相机像素越高成像越清晰，短曝光时间可有效消除测试区域的杂光对成像的影响。

本公开装置在使用前，可以对所有相机的曝光时长进行预设置，以使在时序控制器1时序控制下的相机曝光时，对应于光源2的出光。

本公开中的两个前光相机构成了双目前光成像系统；两个准直透镜和一个阴影相机构成了阴影成像系统，由于准直透镜对光线的准直功能，在两个准直透镜之间的光束为平行光束，平行光束对测试区域的前光面照度均匀，可确保前光图像清晰；经二号准直透镜6再将光束会聚，此时阴影相机获得的图像与前光图像的比例一致，测试视场可达

作为示例，所述一号前光相机3和二号前光相机4的摄像头的连线与一号准直透镜5和二号准直透镜6的中心连线垂直；所述一号前光相机3和二号前光相机4的摄像头的连线处于一号准直透镜5与飞行模型之间，以使前光相机在平行光束区对飞行模型成像。

作为示例，所述一号前光相机3和二号前光相机4的成像主光轴相交并处于两个准直透镜的中心连线上。

作为示例，可以采用脉冲激光器发射的脉冲激光束作为光源2。

所述光源2产生的脉冲激光束可以为可见光,例如可以选择人眼敏感的532nm波长、脉冲宽度小于10ns、输出能量不小于40mJ。光源2的脉冲宽度越小，测试区域飞行模型的拖影越小，成像越清晰。在使用中可根据实际需求进行选择。40mJ的光源输出能量能够满足相机成像的基本要求，若光源能量进一步提高可消除测试区域内杂光对成像的影响，但也会造成光源的研制成本提高。

进一步，所述一号前光相机3和二号前光相机4成像主光轴夹角的范围为30°～90°，可优选45°夹角。

进一步，结合图1所示，所述成像装置还包括控制单元8，用于根据检测到的飞行模型信号控制时序控制器1按时序输出对光源2和所有相机的触发信号。在使用中，沿飞行模型的飞行方向布置有多站模型测速的探测器，各探测器输出模型到达时刻的信号，根据至少两个探测器距离及输出信号间隔快速计算出模型达到测试区域的时刻，控制单元8据此输出对时序控制器1的对应控制信号。

本公开在实施的过程中，时序控制器1的触发信号输出时刻与飞行模型的位置有关。可以结合预设的飞行模型飞行速度，确定当飞行模型到达什么位置时，输出触发信号，能使相机启动曝光时，飞行模型恰好进入到测试区域，并且光源2恰好配合出光。

举一例进行说明：假设飞行模型的飞行速度为V，光源的外触发相应延时为t₁，三个相机的响应延时均为t₂、最短曝光时间t_e，最靠近测试区域的模型探测器与测试区域的距离为S，S需大于：

V×max(t₁，t₂)；

可根据测试区域前的两站模型探测器计算得到V，进而获得模型到达测试区域的时刻t＝(S/V)；通过控制单元8控制时序控制器1延时t-t₁提供光源的触发信号，延时t-t₂-0.5×t_e提供相机触发信号。

进一步，所述光源2的出光时刻处于相机的曝光时间范围内。

通过同步控制使相机的曝光与光源2的出光相配合即可。优选方式为：使光源的出光时刻位于相机有效曝光时间的中点能获得更好的前光及阴影图像。

完成前光及阴影成像后，如图2和图3所示，由双目前光图像可直接获得飞行模型的外形信息，根据双目视觉定位原理可获得模型的位姿，根据阴影图像可获得模型周围流场分布信息，从而可建立模型位姿与周围流场的关系。其中图2所示为静止模型，未见流场信息。

本实用新型的工作过程：进行飞行试验时，光源2和两套成像系统首先处于待触发状态；根据超高速飞行模型进入测试区域的时刻，控制单元8通过对时序控制器1的控制，输出时序信号控制光源2的出光和相机的开启和关闭，使光源2的出光时刻位于相机的曝光时间范围内，相机成像时脉冲光束照亮测试区域。相机曝光完成后，可采集获取的前光图像和阴影图像，进行后续的图像处理。

综上所述，本实用新型能够在单一光源的照射下，针对飞行模型的测量位置同时获得前光图像和阴影图像；将获得的两种图像有效结合，进行关联，建立模型的位姿与模型周围流场的关系，对飞行模型的气动特性分析和设计具有重要意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述成像装置包括：时序控制器(1)、光源(2)、一号前光相机(3)、二号前光相机(4)、一号准直透镜(5)、二号准直透镜(6)和阴影相机(7)，

时序控制器(1)用于按时序触发光源(2)的出光和所有相机的启动，并使所有相机同步启动；

光源(2)产生的脉冲激光束通过光纤耦合输出，经一号准直透镜(5)准直后照射到处于测试区域的飞行模型，越过飞行模型的准直光束采用二号准直透镜(6)汇聚，阴影相机(7)设置在二号准直透镜(6)的焦点外1cm～10cm处；

一号前光相机(3)和二号前光相机(4)成像主光轴呈镜像对称设置，用于对飞行模型的光照面成像。

2.根据权利要求1所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述一号前光相机(3)和二号前光相机(4)的摄像头的连线与一号准直透镜(5)和二号准直透镜(6)的中心连线垂直。

3.根据权利要求2所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述一号前光相机(3)和二号前光相机(4)的成像主光轴相交并处于两个准直透镜的中心连线上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述光源(2)为脉冲激光器发射的脉冲激光束。

5.根据权利要求4所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：

所述光源(2)产生的脉冲激光束为可见光、脉冲宽度小于10ns、输出能量至少为40mJ。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：

所述一号前光相机(3)和二号前光相机(4)成像主光轴夹角的范围为30°～90°。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述成像装置还包括控制单元(8)，用于根据检测到的飞行模型信号控制时序控制器(1)按时序输出对光源(2)和所有相机的触发信号。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的超高速飞行模型前光及阴影成像装置，其特征在于：所述光源(2)的出光时刻处于相机的曝光时间范围内。