本發(fā)明涉及高超聲速流場測量顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體指代一種用于高超聲速流場紋影顯示中的激波定位方法。

背景技術(shù)：

高超聲速飛行器是目前國內(nèi)外的熱點(diǎn)研究之一，隨著美國X-43、X-51等高超聲速飛行器相繼進(jìn)行的試飛試驗(yàn)，各航天大國爭相發(fā)展高速臨近空間飛行器。國內(nèi)眾多學(xué)者對高超聲速飛行器也展開了大量研究。在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的研究過程中，流場結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是必不可少的環(huán)節(jié)，激波之間的相互作用、復(fù)雜流場的相互干擾、激波串結(jié)構(gòu)特性等均是目前的熱點(diǎn)研究內(nèi)容。

在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)研究中，流場監(jiān)控和測量技術(shù)是認(rèn)識流場結(jié)構(gòu)的有效途徑。其中紋影技術(shù)是較常用的流場顯示技術(shù)之一。紋影測量屬于非侵入式流場診斷技術(shù)，能夠清晰、直觀的顯示流場特征，被廣泛應(yīng)用于高速流場的顯示測量中。在高超聲速進(jìn)氣道研究中，不起動現(xiàn)象是重要的學(xué)術(shù)問題之一。通過紋影及高速攝影技術(shù)，可以有效還原進(jìn)氣道從起動到不起動過程中流場結(jié)構(gòu)的變化，對激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性研究。然而通過對紋影圖像的定量處理，如對激波位置的描述和定位，將可以從定量的角度分析激波振蕩的位移特性及頻率變化特征，更細(xì)節(jié)性地認(rèn)識激波之間相互作用的機(jī)理及影響方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對于上述現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于高超聲速流場紋影顯示中的激波定位方法，將紋影圖像中的激波位置，通過灰度提取并計(jì)算的方式給出精確的位移大小，實(shí)現(xiàn)大批量紋影數(shù)據(jù)的定量化數(shù)字處理，以提高對紋影圖像數(shù)據(jù)的利用率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種用于高超聲速流場紋影顯示中的激波定位方法，包括步驟：設(shè)定激波零點(diǎn)位置，沿一直線方向提取圖像灰度值后采用歸一化互相關(guān)函數(shù)算法，將計(jì)算得到的偏移像素值換算成實(shí)際發(fā)生的位移大小，實(shí)現(xiàn)對激波的位移定位；具體步驟如下：

1)選取某一瞬時流場狀態(tài)激波位置作為零點(diǎn)位置，設(shè)定圖片中某一固定線段，保證該線段始終貫穿激波可能出現(xiàn)的任一位置；

2)基于上述確定的線段位置及長度，提取所有紋影圖片中該線段所掃過的灰度值數(shù)據(jù)，并生成二維數(shù)組；

3)上述得到的二維數(shù)組按順序?qū)⒚恳辉嘏c定義零點(diǎn)位置的灰度元素進(jìn)行計(jì)算任一偏差位移的歸一化互相關(guān)函數(shù)，并挑選出使得歸一化互相關(guān)性最大的偏差，將所有元素計(jì)算出的該偏差生成一組一維數(shù)組；

4)將上述得到的一維數(shù)組乘以實(shí)際位移與像素位移的比率，得出任一時間激波發(fā)生的實(shí)際位移。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明基于圖像灰度提取及歸一化互相關(guān)函數(shù)算法的激波定位方式，能夠精確定位任一時間刻激波偏移的位置，完成了紋影圖像顯示從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了海量紋影試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化分析處理，大大提高紋影數(shù)據(jù)的研究利用率。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例中紋影圖片所定義的零點(diǎn)激波位置示意圖；

圖2為激波偏移后在水平方向上產(chǎn)生的位移示意圖；

圖3為實(shí)施例全部紋影圖像進(jìn)行激波定位的位移數(shù)據(jù)與同時采集的壓力數(shù)據(jù)示意圖；

圖4為圖3數(shù)據(jù)在3s至3.5s之間的局部放大圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。

本發(fā)明的一種用于高超聲速流場紋影顯示中的激波定位方法，包括步驟：設(shè)定激波零點(diǎn)位置，沿一直線方向提取圖像灰度值后采用歸一化互相關(guān)函數(shù)算法，將計(jì)算得到的偏移像素值換算成實(shí)際發(fā)生的位移大小，實(shí)現(xiàn)對激波的位移定位；具體步驟如下：

1)選取某一瞬時流場狀態(tài)激波位置作為零點(diǎn)位置，設(shè)定圖片中某一固定線段，保證該線段始終貫穿激波可能出現(xiàn)的任一位置；

2)基于上述確定的線段位置及長度，提取所有紋影圖片中該線段所掃過的灰度值數(shù)據(jù)，并生成二維數(shù)組；

3)上述得到的二維數(shù)組按順序?qū)⒚恳辉嘏c定義零點(diǎn)位置的灰度元素進(jìn)行計(jì)算任一偏差位移的歸一化互相關(guān)函數(shù)，并挑選出使得歸一化互相關(guān)性最大的偏差，將所有元素計(jì)算出的該偏差生成一組一維數(shù)組；

4)將上述得到的一維數(shù)組乘以實(shí)際位移與像素位移的比率，得出任一時間激波發(fā)生的實(shí)際位移。

將本發(fā)明方法應(yīng)用于某一高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)采集得到的一組紋影圖片中，圖片數(shù)量大于3000張，具體實(shí)施步驟如下：

(1)如圖1，選取某一瞬時流場狀態(tài)激波位置作為零點(diǎn)位置x₀，設(shè)定圖片中某一固定線段g₀，保證該線段始終貫穿激波可能出現(xiàn)的任一位置；

(2)基于上述確定的線段位置及長度，提取所有紋影圖片中該線段所掃過的灰度值數(shù)據(jù)，并生成二維數(shù)組G[m][n]，其中m為紋影圖像的總張數(shù)，n為每張圖像所提取的灰度的數(shù)據(jù)量；

(3)上述得到的二維數(shù)組G[m][n]按順序?qū)⒚恳辉谿[x][n]與定義零點(diǎn)位置的灰度元素G[0][n]進(jìn)行計(jì)算任一偏差位移τ的歸一化互相關(guān)函數(shù)：

其中，E(G_x)、E(G₀)是G[x][n]與G[0][n]的均值，σ(G_x)、σ(G₀)是二者的標(biāo)準(zhǔn)差，挑選出使得歸一化互相關(guān)性最大的偏差：

將所有元素計(jì)算出的該偏差τ_max生成一組一維數(shù)組SD[m]；

(4)將上述得到的一維數(shù)組SD[m]乘以實(shí)際位移與像素位移的比率η，由此得出任一時間激波發(fā)生的實(shí)際位移SD_x[t]。

參照圖2，本實(shí)施例中，x₁是激波偏移后的位置，Δ₁是激波發(fā)生的像素位移，某一紋影圖像通過人為測量發(fā)現(xiàn)激波在水平方向上向前偏移55-59像素的距離，利用本發(fā)明的方法計(jì)算值為57。將全部紋影圖像中激波發(fā)生的位移偏移量與同時采集的壁面壓力做對比，如圖3和4，在同一時間軸上，1是實(shí)施例中全部紋影圖像定位出的激波位移數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)代表像素位移大小，向前移動為負(fù)，向后移動為正；2是同時間段采集得到的壁面壓力數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)代表壁面絕對壓力值大小；3是激波位移數(shù)據(jù)的局部展示，4是壁面壓力數(shù)據(jù)的局部展示，3和4均表達(dá)了瞬態(tài)特征，隨時間推移均發(fā)生周期性跳動；位移與壓力有著一致的變化規(guī)律(壓力數(shù)據(jù)為真實(shí)可靠數(shù)據(jù)，所發(fā)生的脈動代表真實(shí)的激波偏移，每個脈動都同時刻對應(yīng)著計(jì)算得到的一個激波跳動位移)，本發(fā)明方法得出與壓力一致的時域變化趨勢，以上證實(shí)了本發(fā)明方法的準(zhǔn)確性及實(shí)現(xiàn)大批量紋影圖像處理的可行性。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。