[發明專利]一種可獲得連續多幅微秒級時間相關的流場實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 202010547041.8
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111707440B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 顧瑞;孫明波;趙玉新;蔡尊;陳健;姚軼智;王泰宇;董澤宇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 董惠文

本發明公開一種可獲得連續多幅微秒級時間相關的流場實驗裝置及方法，包括用于供氣流流動形成伴有示蹤粒子流場的實驗段，用于輸出激光脈沖的多腔激光器，用于拍攝流場圖像的拍攝裝置，用于設置多腔激光器和多個拍攝單元的觸發時序的時間同步器，用于修正圖像畸變的畸變校準板以及用于獲取不同拍攝單元各自捕獲的互相關區域的公共識別區標定板。本發明通過并聯多個拍攝單元，采用畸變校準板獲得拍攝單元拍攝流場時圖像畸變的像素坐標修正函數，采用公共識別區標定板獲得不同拍攝單元拍攝圖像的互相關區域和縮放平移函數；通過二者結合將拍攝的流場圖像中實驗系統的固有光學誤差定量化給予修正，從而提高了本發明的準確性和實驗測量的精度和效果。

技術領域

本發明涉及光學流動顯示實驗技術領域，具體是一種可獲得連續多幅微秒級時間相關的流場實驗裝置及方法。

背景技術

為了推進航空航天技術的不斷進步，連續多幅微秒級時間相關的細節流場結構將有助于揭示復雜流場內部各種渦發展的全過程，尤其是超音速湍流附面層，激波串，混合層，激波附面層相互影響等流動力學領域中復雜的流動過程。

目前現有的技術主要有兩種：一、利用雙腔激光器和跨幀相機進行PIV拍攝和NPLS拍攝，但是采用這種方式的缺點是只能獲得每組兩張的微秒級時間相關的細節流場圖像，不再適用于觀測復雜流動過程中渦的生成全過程及非定常特性較強的流場結構；二、采用高速攝像機進行拍攝，采用這種方式雖然能夠獲得多張微秒級時間相關的細節流場圖像，可以觀測流場的動態特性，但是限于目前高速攝像機的技術水平在滿足時間相關的前提下，拍攝的圖像像素分辨率較低(一般只能達到320*320)，難以用于科學研究。

中國專利CN110095246A公開了用于風洞實驗中拍攝流場結構的拍攝系統及實驗系統，其拍攝裝置包括多個跨幀相機，跨幀相機與雙腔激光器一一對應設置，每個跨幀相機的輸入端均設有用于通過特定波長的光的濾光組件。該技術方案中為了防止第二幀過曝使用了濾光組件等輔助光學器件，大大提高了系統的復雜性，且系統對跨幀相機過于依賴，可替代性和經濟性不強，進一步的該系統中沒有圖像矯正和匹配的功能，拍攝的流場圖像與實驗系統存在固有光學誤差，因此難以保證實驗系統的準確性和實驗測量的精度和效果。

因此，有必要設計一種新的可獲得連續多幅微秒級時間相關的流場實驗裝置及方法。

發明內容

本發明針對所要解決的技術問題，提供一種通過多個拍攝單元陣列配合，采用結合圖像畸變校準和公共區圖像標定的手段，以獲得連續多幅微秒級時間相關性的細節流場圖像的流場實驗裝置及方法。

為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：一種可獲得連續多幅微秒級時間相關的流場實驗裝置，包括：

實驗段，用于供氣流流動形成伴有示蹤粒子的流場；

多腔激光器，設置于所述實驗段的上方，用于向所述實驗段輸出激光脈沖以照明實驗段內的流場并使流場內的示蹤粒子發出散射光；

拍攝裝置，包括布置于實驗段觀察區前并形成陣列組的多個拍攝單元，多個所述拍攝單元利用所述散射光曝光成像以拍攝所述實驗段中的流場圖像；

時間同步器，分別連接所述多腔激光器和拍攝裝置，用于設置所述多腔激光器和拍攝裝置中各拍攝單元的觸發時序；

畸變校準板，用于在風洞實驗前預先獲得所述拍攝裝置中不同拍攝單元拍攝流場時圖像畸變的像素坐標修正函數f；

公共識別區標定板，用于在風洞實驗前預先獲得所述拍攝裝置中不同拍攝單元拍攝所述流場圖像時的互相關區域和縮放平移函數g。

進一步的，所述拍攝裝置中的拍攝單元為跨幀相機，或滿足預先設置的快門參數和曝光需求的CCD相機，其中，陣列中拍攝單元的數量為2至9個，通過標簽依次對每個拍攝單元進行編號，所述拍攝單元的快門均為全局快門，且曝光時間為1至3微秒。