Piv流場速度修正方法
【專利摘要】一種PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正PIV系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差。所述方法先利用PIV系統(tǒng)對一個空的風洞在實驗速度下進行速度場測量，以此獲得每個位置所對應(yīng)的實驗速度下的偏差值。然后，將實驗物體置于風洞中用實驗速度進行吹風，同樣利用PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的速度，將此時獲得的速度減掉空風洞中測量獲得的每個位置的偏差值，基本上就可以消除掉測量偏差了。本發(fā)明的PIV流場速度修正方法無需對現(xiàn)有PIV系統(tǒng)以及風洞等試驗設(shè)備進行任何調(diào)整，僅僅在實驗之前對著空風洞利用PIV系統(tǒng)測量一遍即可獲得畸變速度偏差值，也就可以利用這個偏差值對測量結(jié)果進行修正。
【專利說明】PIV流場速度修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種PIV流場速度修正方法，用于飛機風洞試驗過程中，修正Piv系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差。
【背景技術(shù)】
[0002]風洞試驗是空氣動力學(xué)研究的基本手段之一，其依據(jù)空氣動力學(xué)原理，
[0003]將飛機模型或其部件固定在風洞中，通過施加人工氣流流過飛機模型，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取試驗數(shù)據(jù)。采用顆粒示蹤和圖像處理的方法測量風洞試驗的流場速度已得到廣泛的應(yīng)用。
[0004]粒子成像測速(Particle Image Velocimetry)又稱粒子圖像測速法,是七十年代末發(fā)展起來的一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的流體力學(xué)測速方法。近幾十年來得到了不斷完善與發(fā)展，PIV技術(shù)能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點上的速度分布信息，并可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性。PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場。另外Piv技術(shù)具有較高的測量精度。由于PIV技術(shù)的上述優(yōu)點，已成為當今流體力學(xué)測量研究中的熱門課題，因而日益得到重視。
[0005]PIV技術(shù)在本質(zhì)上是圖象分析技術(shù)的一種，它采用兩個時間間隔很短的兩個脈沖光源照亮所需要測量的流場，利用攝像機將所照明的流場中的示蹤粒子記錄下來，利用計算機進行圖象處理得到速度場的信息。其中，現(xiàn)有技術(shù)文獻《PIV的原理與應(yīng)用》(《水道港口》2002年OI期，孫鶴泉等)中，對PIV技術(shù)的原理進行了詳細的描述，在此弓I用作為參考。另外，為了獲得流場的三維速度信息，現(xiàn)有技術(shù)文獻《三維粒子圖像測速(3D-PIV)實驗裝置的研制》(《實驗技術(shù)與管理》2005年01期，羅鵬等)中，對于PIV技術(shù)也進行了深入的講解，同樣在此引用作為參考。
[0006]本領(lǐng)域技術(shù)人員基于上述現(xiàn)有技術(shù)所公開的內(nèi)容應(yīng)當很容易理解本發(fā)明的基礎(chǔ)，因此關(guān)于PIV技術(shù)的原理部分不再詳細描述。
[0007]然而，同樣基于現(xiàn)有技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)文獻《PIV流場量測中圖像變形的修正》(《泥沙研究》2001年05期，禹明忠等)中提到了 PIV技術(shù)存在的一個問題，即由于PIV技術(shù)需要利用攝像機來記錄流場圖像，無論攝像機的攝像頭的精度有多高，其不可避免會存在鏡頭畸變，尤其是對于風洞實驗來說，攝像機鏡頭只能設(shè)置在風洞內(nèi)部或風洞出口附近，因此無論鏡頭的廣角多大，距離鏡頭光軸較遠部分的圖像畸變會非常嚴重，因此獲得的全流場速度信息偏差會比較大，對于空氣動力學(xué)研究十分不利。
[0008]針對上述問題，該現(xiàn)有技術(shù)基于圖像處理技術(shù)提供了一種實驗方法，以此消除由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差。然而上述方法需要布置相應(yīng)的實驗進行精密的調(diào)整，然后針對PIV系統(tǒng)過程中的圖片計算出畸變數(shù)值進行校正，雖然精度較高，但是前期的實驗布置、調(diào)整工作相對繁瑣，對于精度的要求也很高，并且該實驗方法還需要對PIV系統(tǒng)進行改動，對于實驗來說仍然是很不方便。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種PIV流場速度修正方法，以減少或避免前面所提到的問題。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正Piv系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差，所述方法包括如下步驟:
[0011]步驟(A):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述Piv系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度；
[0012]步驟(B):將所述第二速度減去所述第一速度，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值；
[0013]步驟(C):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度；
[0014]步驟(D):將所述第三速度減去所述對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
[0015]另外，本發(fā)明還提供了另外一種更精確的PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正PIV系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差，所述方法包括如下步驟:
[0016]步驟(E):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到不同的速度Vn，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場對應(yīng)于不同速度Vn的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度；
[0017]步驟(F):將所述第二速度減去所述速度Vn，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述速度Vn的畸變速度偏差值；以不同的速度Vn為橫軸，以對應(yīng)于該速度Vn的畸變速度偏差值為縱軸，擬合一條對應(yīng)于該位置P的不同速度Vn下所對應(yīng)的畸變速度偏差值的曲線；
[0018]步驟(G):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度；
[0019]步驟(H):對應(yīng)于所述位置P處的所述曲線上的第三速度，獲得該曲線上對應(yīng)于位置P的所述第三速度的畸變速度偏差值，將所述第三速度減去對應(yīng)于所述第三速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
[0020]本發(fā)明的PIV流場速度修正方法無需對現(xiàn)有PIV系統(tǒng)以及風洞等試驗設(shè)備進行任何調(diào)整，僅僅在實驗之前對著空風洞利用PIV系統(tǒng)測量一遍即可獲得畸變速度偏差值，也就可以利用這個偏差值對測量結(jié)果進行修正。另外，只要風洞的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，PIV系統(tǒng)的攝像機鏡頭位置不變，利用空風洞測量獲得的畸變速度偏差值就是固定的，可以應(yīng)用于今后的實驗過程中對測量結(jié)果進行修正。
【具體實施方式】
[0021]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0022]本發(fā)明涉及一種PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正PIV系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差。不同于現(xiàn)有技術(shù)的是，本發(fā)明的PIV流場速度修正方法無需設(shè)置新的實驗設(shè)備進行校正，而且也不需要對現(xiàn)有PIV系統(tǒng)進行任何調(diào)整。也就是說，本發(fā)明的方法，可以將PIV系統(tǒng)看作是個黑匣子，不用管其工作原理，只需要利用該Piv系統(tǒng)，并對其輸出結(jié)果進行處理即可。亦即，本發(fā)明所述的方法中，可以采用任何一種現(xiàn)有的PIV系統(tǒng)測量流場速度，所述PIV系統(tǒng)至少包括一個片光源，一個用于PIV測量的攝像機，同步器，圖像分析系統(tǒng)以及計算機等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參照【背景技術(shù)】部分所列舉的PIV系統(tǒng)進行理解。
[0023]本發(fā)明的上述PIV流場速度修正方法簡單的來說，就是先利用PIV系統(tǒng)對一個空的風洞在實驗速度下進行速度場測量，由于風洞中沒有任何物品，因此風洞流場中每個位置P處的速度應(yīng)該是完全相同的，都等于風洞的實驗速度。然而，由于PIV系統(tǒng)的攝像機鏡頭畸變是不可避免的，因此，通過PIV系統(tǒng)測量獲得的整個風洞流場的速度必然會存在畸變速度偏差。我們用PIV系統(tǒng)測量獲得的每個位置P處的速度與風洞流場的實際速度相減就會發(fā)現(xiàn)，沒有畸變的地方，速度差為零，而存在畸變的地方，速度差就不會為零，我們將每個位置P處的這個速度差記錄下來，就可以獲得每個位置P所對應(yīng)的實驗速度下的偏差值。
[0024]然后，將實驗物體置于風洞中用實驗速度進行吹風，同樣利用PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的速度，因為畸變的存在，這時測量獲得的速度肯定也是有偏差的，我們只要將此時獲得的速度，減掉空風洞中測量獲得的每個位置P的偏差值，基本上就可以消除掉測量偏差了。
[0025]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的一種Piv流場速度修正方法歸納表述如下，所述方法包括如下步驟:
[0026]步驟(A):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述Piv系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度；
[0027]步驟(B):將所述第二速度減去所述第一速度，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值；
[0028]步驟(C):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度；
[0029]步驟(D):將所述第三速度減去所述對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
[0030]從本實施例的上述表述來看，本發(fā)明的PIV流場速度修正方法無需對現(xiàn)有PIV系統(tǒng)以及風洞等試驗設(shè)備進行任何調(diào)整，僅僅在實驗之前對著空風洞測量一遍即可獲得畸變速度偏差值，也就可以利用這個偏差值對測量結(jié)果進行修正。另外，只要風洞的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，PIV系統(tǒng)的攝像機鏡頭位置不變，利用空風洞測量獲得的畸變速度偏差值就是固定的，可以應(yīng)用于今后的實驗過程中對測量結(jié)果進行修正。
[0031]當然，本發(fā)明的上述方法也有一定的局限性。具體表現(xiàn)在，上述方法所獲得的畸變速度偏差值是對應(yīng)于實驗速度(第一速度)的，如果實驗速度發(fā)生改變，則對應(yīng)的畸變速度偏差值會發(fā)生改變，也就不能用了。另外，在將實驗物品放置到風洞中之后，雖然實驗速度跟空風洞中是一樣的，但是實驗物品所造成的氣流變化會導(dǎo)致整個風洞流場的速度有高有低，也就是說，風洞流場的速度等于實驗速度的位置，對應(yīng)于實驗速度下的畸變速度偏差值還是可以使用的，而風洞流場的速度大于或者小于實驗速度的位置，對應(yīng)于該位置的風洞流場的速度下的畸變速度偏差值應(yīng)該是不一樣的，如果還是用實驗速度下的畸變速度偏差值進行修正，只能說是一種可以接受的近似的修正方法，畢竟還是不十分精確的。
[0032]基于上述實施例的局限性，本發(fā)明提供了另一個優(yōu)選實施例的PIV流場速度修正方法。該方法與前述實施例的PIV流場速度修正方法的主要區(qū)別體現(xiàn)在獲得畸變速度偏差值的步驟中。
[0033]簡單來說，在空風洞實驗過程中，不再是僅僅針對實驗速度進行速度場測量，而是針對實驗過程中可能存在的速度范圍進行吹風，通過一系列實驗速度下的PIV測量，可以獲得同一位置P處對應(yīng)于不同速度下的畸變速度偏差值。當然，對于實驗來說，不可能做到對無數(shù)個實驗速度進行吹風，只能對某些實驗數(shù)據(jù)進行吹風獲得對應(yīng)速度下的畸變速度偏差值，之后可以對每個位置P處的不同速度下的畸變速度偏差值擬合曲線，從而獲得該位置P處的連續(xù)的不同實驗速度下的畸變速度偏差值?？梢韵胂笠幌?，通過上述實驗處理，對應(yīng)于風洞中的每個位置P，都可以獲得任意速度下的畸變速度偏差值，將這些數(shù)據(jù)存儲起來，今后任何一種速度下的風洞實驗，都可以利用這些畸變速度偏差值進行結(jié)果修正。
[0034]后面的過程與第一個實施例中有些類似，不同的是，當實驗物品放置到風洞中之后，已經(jīng)不需要嚴格按照某個特定的實驗速度(第一速度)進行吹風了。也就是無論吹風速度以及風洞流場中各個位置P處的速度是多少，由于每個位置P處對應(yīng)于任意速度下的畸變速度偏差值都已經(jīng)計算并存儲起來了，因此當實驗中獲得了速度場之后，針對每個位置P的測量速度，將該速度下對應(yīng)的畸變速度偏差值減去就獲得了該位置此時的精確測量結(jié)果了。
[0035]因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的一種Piv流場速度修正方法歸納表述如下，所述方法包括如下步驟:
[0036]步驟(E):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到不同的速度Vn，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場對應(yīng)于不同速度Vn的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度；
[0037]步驟(F):將所述第二速度減去所述速度Vn，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述速度Vn的畸變速度偏差值；以不同的速度Vn為橫軸，以對應(yīng)于該速度Vn的畸變速度偏差值為縱軸，擬合一條對應(yīng)于該位置P的不同速度Vn下所對應(yīng)的畸變速度偏差值的曲線；
[0038]步驟(G):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度；
[0039]步驟(H):對應(yīng)于所述位置P處的所述曲線上的第三速度，獲得該曲線上對應(yīng)于位置P的所述第三速度的畸變速度偏差值，將所述第三速度減去對應(yīng)于所述第三速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
[0040]從本實施例的上述表述來看，本發(fā)明的PIV流場速度修正方法除了具備第一個實施例的優(yōu)點外，還可以應(yīng)用于任意不同的實驗速度下的速度偏差修正，而且對應(yīng)的修正結(jié)果更精確。
[0041]另外，本實施例所獲得的畸變速度偏差值是針對整個風洞任意速度范圍的，只要進行一次不同實驗速度下的空風洞PIV測量，就可以獲得風洞中的每個位置P任意速度下的畸變速度偏差值，這些數(shù)據(jù)存儲起來后可以應(yīng)用于今后的任何一種速度下的風洞實驗結(jié)果的修正。
[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，雖然本發(fā)明是按照多個實施例的方式進行描述的，但是并非每個實施例僅包含一個獨立的技術(shù)方案。說明書中如此敘述僅僅是為了清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體加以理解，并將各實施例中所涉及的技術(shù)方案看作是可以相互組合成不同實施例的方式來理解本發(fā)明的保護范圍。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正PIV系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟(A):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度； 步驟(B):將所述第二速度減去所述第一速度，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值； 步驟(C):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的第一速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度； 步驟(D):將所述第三速度減去所述對應(yīng)于所述第一速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
2.—種PIV流場速度修正方法，用于風洞試驗過程中，修正PIV系統(tǒng)測量流場速度時，由于攝像機鏡頭畸變所產(chǎn)生的測量偏差，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟(E):在風洞中沒有放置任何物品的情況下，調(diào)整風洞中流場速度達到不同的速度vn,通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場對應(yīng)于不同速度Vn的第一速度場，所述第一速度場中每個位置P的速度定義為第二速度； 步驟(F):將所述第二速度減去所述速度Vn，其結(jié)果定義為該位置P處對應(yīng)于所述速度Vn的畸變速度偏差值；以不同的速度Vn為橫軸，以對應(yīng)于該速度Vn的畸變速度偏差值為縱軸，擬合一條對應(yīng)于該位置P的不同速度Vn下所對應(yīng)的畸變速度偏差值的曲線； 步驟(G):在所述風洞中放置實驗物品，調(diào)整風洞中流場速度達到風洞實驗要求的速度，通過所述PIV系統(tǒng)測量獲得整個風洞流場的第二速度場，所述第二速度場中每個位置P的速度定義為第三速度； 步驟(H):對應(yīng)于所述位置P處的所述曲線上的第三速度，獲得該曲線上對應(yīng)于位置P的所述第三速度的畸變速度偏差值，將所述第三速度減去對應(yīng)于所述第三速度的畸變速度偏差值，即可獲得所述位置P所對應(yīng)的修正后的流場速度。
【文檔編號】G01M9/02GK103674470SQ201310723378
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】黎軍, 趙霞, 李晨, 王孜孜, 宗寧, 韓江旭, 金棟林, 王木國 申請人:中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所, 中國航空工業(yè)集團公司沈陽空氣動力研究所