一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)，包括示蹤粒子發(fā)生器、圖像處理子系統(tǒng)和PIV測量子系統(tǒng)，示蹤粒子發(fā)生器設(shè)置在待測流場上游，圖像處理子系統(tǒng)采集流場中示蹤粒子圖像，傳遞給PIV測量子系統(tǒng)。方法，根據(jù)前一次測量，計(jì)算空間分辨率調(diào)整信息和時(shí)間分辨率調(diào)整信息，調(diào)整查詢窗口參數(shù)和圖像采集速度，在后一次測量時(shí)，根據(jù)調(diào)整后的圖像采集速度采集流場粒子圖像，對該幅圖像和上幅圖像，采用調(diào)整后的查詢窗口參數(shù)，通過粒子圖像測速方法獲得當(dāng)前全流場速度矢量。本發(fā)明提供的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法，對于流速高，尤其是高超音速流場、變化劇烈的流場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，精確度高。
【專利說明】一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在對流場內(nèi)部流動(dòng)的模擬及其測試的研究中，以往的測試方法，如探針法、LDV系統(tǒng)等對流場有很大的干擾，從而使測試的結(jié)果和研究結(jié)論與實(shí)際有較大的出入。
[0003]在流場測速領(lǐng)域，尤其是在高超音速流場測速領(lǐng)域，精確的流體動(dòng)力學(xué)測量顯得更加重要。超高速運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下遇到阻礙物會(huì)出現(xiàn)激波、膨脹波、附面層等復(fù)雜流場現(xiàn)象，其氣動(dòng)特性呈現(xiàn)出超高速、非定常、高度非均勻等特點(diǎn)。現(xiàn)在對流場全場動(dòng)力學(xué)特性精確測量技術(shù)與儀器提出挑戰(zhàn):(1)需要測量儀器具有非接觸、無干擾、全場瞬時(shí)速度測量功能；(2)流場速度在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為非定常特性，即同一測量點(diǎn)的流體速度具有大范圍的時(shí)變特性，需要測量儀器能夠?qū)崟r(shí)在線觀測空氣流場時(shí)序變化的能力；(3)流場速度在空間尺度上表現(xiàn)為高度非均勻特性，即在同一測量窗口的不同測量區(qū)域內(nèi)，示蹤粒子濃度差別很大，需要測量儀器具有自適應(yīng)調(diào)整測量模式的功能。研制高速，尤其是高超音速、非定常、高度非均勻流場的精確測量儀器已成為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)及方法，其目的在于通過時(shí)間分辨率和空間分辨率自適應(yīng)的流場測量，由此解決目前時(shí)間分辨率和空間分辨率固定的流場測量系統(tǒng)對于變化劇烈的流場測量精度較低、誤差大、不能實(shí)時(shí)反應(yīng)流場，尤其是高超音速流場的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種流場全場動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確測量的系統(tǒng)，包括:示蹤粒子發(fā)生器、圖像處理子系統(tǒng)和PIV測量子系統(tǒng)；其中:
[0006]示蹤粒子發(fā)生器，用于產(chǎn)生示蹤粒子并釋放到待測流場，設(shè)置在待測流場上游；
[0007]圖像處理子系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元和圖像采集裝置，所述激光發(fā)射單元，用于產(chǎn)生多束激光并合束后調(diào)制成高能薄片狀激光片光，激光片光沿流場方向布置，照亮示蹤粒子；圖像采集裝置，設(shè)置在激光發(fā)射單元照亮區(qū)域，用于采集流場縱剖面的示蹤粒子反射的激光，并將激光分束按照圖像采集時(shí)間間隔成像，從而得到流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)并傳送給PIV測量子系統(tǒng)；
[0008]PIV測量子系統(tǒng)，用于接受圖像采集裝置采集的流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)，測量全流場速度矢量，并按照流場變化越劇烈示圖像采集時(shí)間間隔越短的原則，計(jì)算圖像采集時(shí)間間隔傳送給所述圖像采集裝置。
[0009]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其激光發(fā)射單元包括激光發(fā)生器、光學(xué)組件和片光源發(fā)生器；其中:
[0010]激光發(fā)生器，用于發(fā)射多束柱狀激光束激光；
[0011]光學(xué)組件，用于將多束柱狀激光束激光合束；[0012]片光源發(fā)生器，用于將激光束調(diào)制成薄片狀；
[0013]多束激光發(fā)生器發(fā)出的柱狀光束激光經(jīng)過柱透鏡組，形成單數(shù)高頻大功率脈沖激光，經(jīng)片光源發(fā)生器調(diào)制成薄片狀激光片光。
[0014]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其激光發(fā)射單元的光學(xué)組件包括與水平面成45°放置的條紋鏡以及設(shè)置于條紋鏡的出射光路上的偏振合束原件。
[0015]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其片光源發(fā)生器包括用于將合束后的激光束轉(zhuǎn)換為激光偏光的柱面透鏡組以及用于將激光片光進(jìn)行多次反射使得激光亮度增強(qiáng)的反射鏡腔組。
[0016]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其圖像采集裝置，包括鏡頭、棱鏡組、高速圖像傳感器陣列和控制器；
[0017]工作時(shí)，入射光線經(jīng)過所述鏡頭入射至所述棱鏡組，所述棱鏡組將入射光線分成N個(gè)光強(qiáng)各不相同的子光束，N個(gè)子光束分別聚焦在與所述入射光線垂直的高速圖像傳感器陣列中N個(gè)圖像傳感器上，控制器接收PIV測量子系統(tǒng)傳送的圖像采集時(shí)間間隔，并根據(jù)采集圖像時(shí)間間隔，分別控制各個(gè)圖像傳感器依次分時(shí)觸發(fā)曝光，獲得不同時(shí)刻物體的圖像。
[0018]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其PIV測量子系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，其中:所述上位機(jī)，采用CPU+GPU的運(yùn)行處理環(huán)境，用于接受圖像采集裝置采集的流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)并傳遞給下位機(jī)進(jìn)行處理，還用于實(shí)時(shí)顯示全流場速度矢量；所述下位機(jī)，采用多DSP和多FPGA疊加的方案，用于并行處理流場粒子圖像從而計(jì)算時(shí)間分辨率調(diào)整信息和空間分辨率調(diào)整信息,并根據(jù)時(shí)間分辨率調(diào)整信息計(jì)算圖像采集時(shí)間間隔傳遞給圖像處理子系統(tǒng)的圖像采集裝置、根據(jù)空間分辨率調(diào)整信息計(jì)算當(dāng)前查詢窗口參數(shù)從而估計(jì)全流場速度矢量；所述上位機(jī)與下位機(jī)通過通信接口相連。
[0019]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種流場實(shí)時(shí)精確測量的方法，包括以下步驟:
[0020](I)根據(jù)第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像與第η時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像之間的時(shí)間間隔Atn，采集第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像，并對第η時(shí)刻和第n+1時(shí)刻的流場縱剖面粒子圖像進(jìn)行降噪處理；
[0021](2)計(jì)算第η時(shí)刻的空間分辨率調(diào)整信息，并根據(jù)該信息更新第n+1時(shí)刻的查詢窗口參數(shù)；
[0022](3)根據(jù)第n+1時(shí)刻的查詢窗口參數(shù)，對第η時(shí)刻和第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像進(jìn)行PIV流場矢量估計(jì)，得到全流場速度矢量，并計(jì)算時(shí)間分辨率調(diào)整信息的速度場X' (n+1)和加速度場a(n+l)；
[0023](4)根據(jù)時(shí)間分辨率調(diào)整信息，獲取第n+2時(shí)刻與第n+1時(shí)刻圖像采集時(shí)間之間的時(shí)間間隔Atn+1。
[0024]優(yōu)選地，所述流場實(shí)時(shí)精確測量方法，所述查詢窗口參數(shù)包括更新的查詢窗口長度、查詢窗口寬度、查詢窗口角度和重疊率，采用自適應(yīng)迭代算法更新查詢窗口參數(shù)，具體過程為:
[0025]將前一次查詢窗口參數(shù)作為初始查詢窗口參數(shù)，使用互相關(guān)方法計(jì)算全流場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強(qiáng)度，并根據(jù)全流場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強(qiáng)度計(jì)算查詢窗口參數(shù)估計(jì),如果查詢窗口參數(shù)估計(jì)與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，則將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為后一次查詢窗口參數(shù)，否則將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為初始查詢窗口參數(shù),再次調(diào)整，直至查詢窗口參數(shù)估計(jì)與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為后一次查詢窗口參數(shù)；
[0026]計(jì)算查詢窗口參數(shù)估計(jì)的方法包括以下步驟:
[0027](a)按照初始查詢窗口參數(shù)，進(jìn)行粒子圖像測速矢量估計(jì)，得到全流場速度矢量U及空間分辨率調(diào)整信息，空間分辨率調(diào)整信息包括:速度梯度Ux、Uy和峰值強(qiáng)度P ；
[0028](b)計(jì)算速度矢量的海瑟(Hessian)矩陣的特征向量,獲得當(dāng)前時(shí)刻流場動(dòng)態(tài)特性信息:
[0029]海瑟張量矩陣:
【權(quán)利要求】
1.一種流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:示蹤粒子發(fā)生器、圖像處理子系統(tǒng)和PIV測量子系統(tǒng)；其中: 示蹤粒子發(fā)生器，用于產(chǎn)生示蹤粒子并釋放到待測流場，設(shè)置在待測流場上游； 圖像處理子系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元和圖像采集裝置，所述激光發(fā)射單元，用于產(chǎn)生多束激光并合束后調(diào)制成高能薄片狀激光片光，激光片光沿流場方向布置，照亮示蹤粒子；圖像采集裝置，設(shè)置在激光發(fā)射單元照亮區(qū)域，用于采集流場縱剖面的示蹤粒子反射的激光，并將激光分束按照圖像采集時(shí)間間隔成像，從而得到流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)并傳送給PIV測量子系統(tǒng)； PIV測量子系統(tǒng)，用于接受圖像采集裝置采集的流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)，測量全流場速度矢量，并按照流場變化越劇烈示圖像采集時(shí)間間隔越短的原則，計(jì)算圖像采集時(shí)間間隔傳送給所述圖像采集裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括激光發(fā)生器、光學(xué)組件和片光源發(fā)生器；其中: 激光發(fā)生器，用于發(fā)射多束柱狀激光束激光； 光學(xué)組件，用于將多束柱狀激光束激光合束； 片光源發(fā)生器，用于將激光束調(diào)制成薄片狀； 多束激光發(fā)生器發(fā)出的柱狀光束激光經(jīng)過柱透鏡組，形成單數(shù)高頻大功率脈沖激光，經(jīng)片光源發(fā)生器調(diào)制成薄 片狀激光片光。
3.如權(quán)利要求2所述的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元的光學(xué)組件包括與水平面成45°放置的條紋鏡以及設(shè)置于條紋鏡的出射光路上的偏振合束原件。
4.如權(quán)利要求2所述的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，所述片光源發(fā)生器包括用于將合束后的激光束轉(zhuǎn)換為激光偏光的柱面透鏡組以及用于將激光片光進(jìn)行多次反射使得激光亮度增強(qiáng)的反射鏡腔組。
5.如權(quán)利要求1所述的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集裝置，包括鏡頭、棱鏡組、高速圖像傳感器陣列和控制器； 工作時(shí)，入射光線經(jīng)過所述鏡頭入射至所述棱鏡組，所述棱鏡組將入射光線分成N個(gè)光強(qiáng)各不相同的子光束，N個(gè)子光束分別聚焦在與所述入射光線垂直的高速圖像傳感器陣列中N個(gè)圖像傳感器上，控制器接收PIV測量子系統(tǒng)傳送的圖像采集時(shí)間間隔，并根據(jù)采集圖像時(shí)間間隔，分別控制各個(gè)圖像傳感器依次分時(shí)觸發(fā)曝光，獲得不同時(shí)刻物體的圖像。
6.如權(quán)利要求5所述的流場實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)，其特征在于，所述PIV測量子系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，其中:所述上位機(jī)，采用CPU+GPU的運(yùn)行處理環(huán)境，用于接受圖像采集裝置采集的流場縱剖面示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)并傳遞給下位機(jī)進(jìn)行處理，還用于實(shí)時(shí)顯示全流場速度矢量；所述下位機(jī)，采用多DSP和多FPGA疊加的方案，用于并行處理流場粒子圖像從而計(jì)算時(shí)間分辨率調(diào)整信息和空間分辨率調(diào)整信息,并根據(jù)時(shí)間分辨率調(diào)整信息計(jì)算圖像采集時(shí)間間隔傳遞給圖像處理子系統(tǒng)的圖像采集裝置、根據(jù)空間分辨率調(diào)整信息計(jì)算當(dāng)前查詢窗口參數(shù)從而估計(jì)全流場速度矢量；所述上位機(jī)與下位機(jī)通過通信接口相連。
7.一種流場實(shí)時(shí)精確測量方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)根據(jù)第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像與第η時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像之間的時(shí)間間隔Λ tn，采集第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像，并對第η時(shí)刻和第n+1時(shí)刻的流場縱剖面粒子圖像進(jìn)行降噪處理； (2)計(jì)算第η時(shí)刻的空間分辨率調(diào)整信息，并根據(jù)該信息更新第n+1時(shí)刻的查詢窗口參數(shù)； (3)根據(jù)第n+1時(shí)刻的查詢窗口參數(shù)，對第η時(shí)刻和第n+1時(shí)刻流場縱剖面粒子圖像進(jìn)行PIV流場矢量估計(jì)，得到全流場速度矢量，并計(jì)算時(shí)間分辨率調(diào)整信息的速度場X' (n+1)和加速度場a (n+1)； (4)根據(jù)時(shí)間分辨率調(diào)整信息，獲取第n+2時(shí)刻與第n+1時(shí)刻圖像采集時(shí)間之間的時(shí)間間隔Δ tn+1。
8.如權(quán)利要求7所述的流場實(shí)時(shí)精確測量方法，其特征在于，所述查詢窗口參數(shù)包括更新的查詢窗口長度、查詢窗口寬度、查詢窗口角度和重疊率，采用自適應(yīng)迭代算法更新查詢窗口參數(shù),具體過程為: 將前一次查詢窗口參數(shù)作為初始查詢窗口參數(shù)，使用互相關(guān)方法計(jì)算全流場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強(qiáng)度，并根據(jù)全流場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強(qiáng)度計(jì)算查詢窗口參數(shù)估計(jì)，如果查詢窗口參數(shù)估計(jì)與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，則將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為后一次查詢窗口參數(shù)，否則將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為初始查詢窗口參數(shù),再次調(diào)整,直至查詢窗口參數(shù)估計(jì)與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，將查詢窗口參數(shù)估計(jì)作為后一次查詢窗口參數(shù)； 計(jì)算查詢窗口參數(shù)估計(jì)的方法包括以下步驟: (a)按照初始查詢窗口參數(shù)，進(jìn)行粒子圖像測速矢量估計(jì)，得到全流場速度矢量U及空間分辨率調(diào)整信息，空間分辨率調(diào)整信息包括:速度梯度Ux、Uy和峰值強(qiáng)度P ； (b)計(jì)算速度矢量的海瑟(Hessian)矩陣的特征向量，獲得當(dāng)前時(shí)刻流場動(dòng)態(tài)特性信息: 海瑟張量矩陣:

9.如權(quán)利要求8所述的流場實(shí)時(shí)精確測量方法，其特征在于，對所述rmax/rmin進(jìn)行閾值約束，rmax/rmin的閾值等于4。
10.如權(quán)利要求7所述的流場實(shí)時(shí)精確測量方法，其特征在于，所述獲取第n+2時(shí)刻與第n+1時(shí)刻圖像采集時(shí)間之間的時(shí)間間隔Atn+1的具體方法為:

【文檔編號】G01P5/22GK103698554SQ201310693222
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】楊華, 尹周平, 熊有倫, 梅爽, 鐘強(qiáng)龍, 張步陽, 李勇 申請人:華中科技大學(xué)