[發明專利]一種基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法

有效

• 申請號: 202110027790.2
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112697388B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 郭鵬;張鑫;胥繼斌;楊永能;馬濤;張長豐;毛代勇;李陽
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;G01M9/08;G06T5/00;G06T7/13;G06T7/73
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法。該方法包括a.選取模型特征線；b.圖像預處理；c.識別特征線；d.求解模型特征線迎角；e.求解模型迎角。該方法簡便、容易實施、結果準確，測量過程不會對模型流場產生額外干擾，對模型加工也無特殊要求，在風洞中無需增加額外設備，還可用于風洞往期試驗數據的修正，并能推廣應用至其他帶有紋影設備的高速風洞模型迎角測量。

技術領域

本發明屬于高超聲速風洞試驗技術領域，具體涉及一種基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法。

背景技術

高超聲速風洞是高超聲速飛行器研制中重要的地面試驗設備，與其他風洞相比，高超聲速風洞運行馬赫數高，流場總溫高，模型和支撐系統在試驗中受到的氣動加熱十分嚴重，尤其是在高馬赫數情況下，支撐系統受熱后極易出現熱變形，導致模型姿態角發生變化，而傳統基于“機構迎角測量+彈性角修正”的模型姿態角測量方法則因無法考慮氣動加熱影響存在較大的測量誤差，最終導致試驗數據精準度降低。

為了提高風洞測量數據精準度水平，必須采用合理的方法準確獲得試驗中任意時刻模型的迎角信息。目前可用的方法包括在模型中安裝高精度迎角傳感器，或者采用傳統的視頻圖像測量。但前者對工作環境尤其是溫度要求較高，并且需要在模型中額外設計安裝空間，在小尺寸高超聲速風洞或高馬赫數試驗時使用存在較大限制；而后者需要在風洞中布置額外的光路，在模型身上設置標記點，并且試驗時的振動會使相機位置姿態發生變化，增大測量結果的不確定度。

為了準確獲取試驗過程中模型真實的姿態角信息，當前，亟需發展一種基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法。

本發明的基于紋影圖像的高超聲速風洞模型姿態角測量方法包括以下步驟：

a.選取模型特征線

記模型頂點為點A，模型底部拐點分別為點B與點C，AB、AC、BC段為模型在紋影圖像中的投影邊界線，優先選取邊界線中的直線段為特征線，若邊界線中無直線段，則以上述任意兩點的連線為特征線；

b.圖像預處理

將風洞試驗獲得的紋影圖像依次進行圖像增強和灰度變換處理，圖像增強采用卷積方法，通過濾波算子對圖像進行空間濾波，以抑制紋影圖像錄制過程中出現的各類噪聲；灰度變換則根據紋影中模型區域與流場區域灰度值的分布，設定一個或者多個灰度閾值，對紋影圖像進行二值化變換，將圖像中實體區域與流場區域分離；

c.識別特征線

對于特征線為邊界線中直線段的情況，采用邊界追蹤法進行特征線識別，以特征線任意位置為起點，之后依次向周圍搜索，若像素點對應位置的一階導數不為0，則將此像素點標記為新的特征點，并以該像素點為中心進行新的搜索；當搜索到的特征點數量達到設定值時，搜索過程結束；

對于特征線為兩點連線的情況，采用角點檢測算法，獲取端點坐標；

d.求解模型特征線迎角

對于特征線為邊界線中直線段的情況，首先對特征線直線擬合，之后通過擬合直線的斜率k求解特征線迎角α_c：

α_c＝arctank (1)

對于特征線為兩點連線的情況，設特征線的兩個端點在紋影圖像中的坐標分別為(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，則特征線迎角α_c采用如下公式求解：

e.求解模型迎角