[發(fā)明專利]一種高超聲速流場三維密度場測量方法

在審

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• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113092056A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張俊;陳爽;吳運(yùn)剛;嚴(yán)來軍;殷可為
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 成都智弘知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51275
• 代理人: 陳春

一種高超聲速流場三維密度場測量方法，涉及高超聲速流場氣動研究領(lǐng)域，包括如下步驟：S1：在停風(fēng)狀態(tài)下，利用測量裝置對流場進(jìn)行圖像采集，得到靜態(tài)背景斑點(diǎn)圖像；S2：在吹風(fēng)狀態(tài)下，再次利用測量裝置對流場進(jìn)行圖像采集，得到動態(tài)背景斑點(diǎn)圖像；S3：采用粒子圖像互相關(guān)算法解算出靜態(tài)背景斑點(diǎn)圖像和動態(tài)背景斑點(diǎn)圖像中斑點(diǎn)的位移矢量；S4：根據(jù)費(fèi)馬原理和格拉斯通?戴爾定律，計算出每一個方向的定量折射率場和密度場分布的投影結(jié)果；S5：根據(jù)投影結(jié)果，采用濾波反投影算法，重構(gòu)出待測流場的三維密度場分布。其通過綜合使用脈沖激光照明、多方向流場投影數(shù)據(jù)獲取、反投影濾波重構(gòu)技術(shù)，提高流場復(fù)雜流動的流場顯示及測量能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高超聲速流場氣動研究領(lǐng)域，具體而言，涉及一種高超聲速流場三維密度場測量方法。

背景技術(shù)

高超聲速流場測量技術(shù)對深入研究各種飛行器繞流流場機(jī)理有著重要意義。目前，用于流場密度測量的技術(shù)主要包括紋影技術(shù)、干涉技術(shù)、陰影技術(shù)等，多用于流場定性顯示，且測量區(qū)域受限于光學(xué)透鏡尺寸限制，光路調(diào)節(jié)復(fù)雜，環(huán)境光或流場自發(fā)光對測量存在干擾。

有鑒于此，特提出本申請。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高超聲速流場三維密度場測量方法，其通過綜合使用脈沖激光照明、多方向流場投影數(shù)據(jù)獲取、反投影濾波重構(gòu)技術(shù)，提升高超聲速流場復(fù)雜流動的流場顯示及測量能力，滿足日益增長的大尺寸精細(xì)化流場測試需求。

本發(fā)明的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種高超聲速流場三維密度場測量方法，包括如下步驟：

S1：在停風(fēng)狀態(tài)下，利用測量裝置對流場進(jìn)行圖像采集，得到靜態(tài)背景斑點(diǎn)圖像；

S2：在吹風(fēng)狀態(tài)下，再次利用測量裝置對流場進(jìn)行圖像采集，得到動態(tài)背景斑點(diǎn)圖像；

S3：采用粒子圖像互相關(guān)算法解算出同一方向的靜態(tài)背景斑點(diǎn)圖像和動態(tài)背景斑點(diǎn)圖像中斑點(diǎn)的位移矢量；

S4：根據(jù)費(fèi)馬原理和格拉斯通-戴爾定律，通過計算可獲得待測流場的每一個方向的定量折射率場和密度場分布的投影結(jié)果；

S5：根據(jù)投影結(jié)果，采用濾波反投影算法，重構(gòu)出待測流場的三維密度場分布。

進(jìn)一步地，測量裝置包括脈沖激光光源、導(dǎo)光構(gòu)件和相機(jī)，導(dǎo)光構(gòu)件和相機(jī)對應(yīng)設(shè)置在流場兩側(cè)，導(dǎo)光構(gòu)件傳導(dǎo)的光線同相機(jī)的光軸重合。

進(jìn)一步地，多個導(dǎo)光構(gòu)件和多個相機(jī)沿流場周向?qū)?yīng)分布，脈沖激光光源發(fā)射的多條廣光線對應(yīng)穿過多個導(dǎo)光構(gòu)件后進(jìn)入流場，并通過多個相機(jī)對應(yīng)拍攝背景斑點(diǎn)圖像，以獲得多個靜態(tài)背景斑點(diǎn)圖像和動態(tài)背景斑點(diǎn)圖像。

進(jìn)一步地，導(dǎo)光構(gòu)件包括擴(kuò)束勻光組件和背景板，相機(jī)的光軸垂直于背景板，且背景板具有隨機(jī)分布的斑點(diǎn)，斑點(diǎn)在相機(jī)上成像尺寸為3～5個像素，斑點(diǎn)與背景板互為黑白色；

脈沖激光光源發(fā)射的光線經(jīng)擴(kuò)束勻光組件后調(diào)整為多束均勻的光線照射在背景板上，均勻照明背景板。

進(jìn)一步地，在S1步驟中，需先調(diào)整相鄰導(dǎo)光構(gòu)件的導(dǎo)光方向之間的間隔為18-36°，流場位于相機(jī)與背景板之間。

進(jìn)一步地，在S1步驟中，預(yù)先根據(jù)流場的尺寸和相機(jī)的位置，確定背景板的尺寸；

根據(jù)確定的背景板尺寸，選擇相機(jī)的焦距鏡頭，并設(shè)定斑點(diǎn)成像尺寸像素，確定背景板上的斑點(diǎn)物理尺寸，然后制作背景板。

進(jìn)一步地，脈沖激光光源對背景板正面照明或背面照明。

進(jìn)一步地，脈沖激光光源的脈沖寬度為5-100ns；且相機(jī)的有效曝光時間與脈沖寬度時間相同，以獲取流場的瞬態(tài)流場圖像。

進(jìn)一步地，脈沖激光光源通過多個分光構(gòu)件將光線分別均勻地分散至每個導(dǎo)光構(gòu)件。