[發明專利]一種針對壓縮拐角超聲速流場結構的紋影圖像處理方法

有效

• 申請號: 202110538315.1
• 申請日: 2019-07-16
• 公開（公告）號: CN113324727B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 甘甜;吳云;金迪;宋慧敏;賈敏;梁華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種針對壓縮拐角超聲速流場結構的紋影圖像處理方法，包括下列步驟：紋影視頻采集；視頻分幀操作與圖像選取；折射率梯度計算；rms收斂性判定；計算紋影強度場的均方根分布；分離區大小、位置判定。本發明通過獲得超聲速流場結構脈動變化水平，實現分離區大小可視化定量測量和位置的判定。

技術領域

本發明涉及超聲速流場診斷技術領域，更具體地，涉及一種針對壓縮拐角超聲速流場結構的紋影圖像處理方法。

背景技術

流動分離是超聲速流動領域一個及其重要的問題，對于分離區尺寸、位置的判斷、預測和診斷有著十分重要的意義。通過非接觸式手段實現精準、實時、快速測量流場結構，在航空航天、軍事等領域應用廣泛。分離區尺寸的測量方法的研究一直是國內外超聲速領域的熱點問題。非接觸式的流場診斷方法一般分為兩大類：一類是通過平行光束穿過可壓縮超聲速流場，光速受到流場密度梯度變化擾動發生偏轉，通過接收裝置成像，發生偏折的光束在成像面上發生照度的變化，從而得到我們所需要的流場結構，但是密度梯度變化較大的流場結構才能很好的提取，例如激波。這類方法裝置結構簡單，便于操作。缺點是無法判定低脈動水平結構，例如分離區的尺寸和位置。紋影技術就屬于這類方法。另一類是通過在流場中注入納米級別的示蹤粒子，通過納秒脈沖激光短時間照亮流場，利用示蹤粒子在很短時間間隔內的位移來間接的測量流場瞬態速度分布。這類技術具有較高測量精度，可以精確的捕捉超聲速流場的全部結構，包括分離區大小，缺點是對示蹤粒子的質量、大小、分布、折射率以及均勻性要求很高，測試裝置復雜，不便于操作。PIV，激光多普勒測速就屬于這類方法。近年來，利用計算機圖像后處理技術等手段來處理原始圖像獲得超聲速流動結構分布取得了一定進展。

紋影法是一種進行流場顯示和測量的常見方法，能夠實現快速的氣流可視化，可以作為一種非接觸式方法測量超聲速流場結構。紋影技術在現代快速發展的數字圖像后處理技術的幫助下，在超聲速流動分離區的測量中可以作為定量的分析手段。雖然超聲速PIV等測試手段測試分離區更為精確，但其建設、維護及保養費用高昂，操作起來十分復雜。在超聲速流動實驗中，人們往往期望需要及時獲得分離區大小并希望快速、直觀地觀察其現象。因此，設計一種性價比高且操作簡單的非接觸式紋影測量分離區的實驗裝置及紋影圖片后處理方法更加有意義。

發明內容

本發明為了克服紋影法在定量分析技術上的缺陷，同時避免采用更為昂貴的PIV技術，提供一種針對壓縮拐角超聲速流場結構的紋影圖像處理方法，包括下列步驟：

1.紋影視頻采集

高速相機409內部含有嵌入式的視頻采集系統，實現剪切移植、多任務并行、實時采集等多項功能；基于PC高性能處理，前端視頻數據通過高速局域網絡傳輸至PC端進行采集；PC采集系統通過高速局域網絡實現錄像數據共享，?PC端還包含一個數據分析微機，授權之后可實時觀看試驗紋影視頻；

2.視頻分幀操作與圖像選取

PC端后處理軟件包含視頻分幀操作，輸出不同時刻的視頻片段，并根據需要可以選取輸出圖像數據量的大小，最終導出圖片文件；

3.折射率梯度計算

光束以平行光束的形式穿過壓縮拐角流動測試區域，因為流暢測試區域的氣流擾動，光束的折射率梯度產生了變化，在對折射率離散分布介質中的光線追跡過程中，所需空間點的折射率及其梯度采用距離加權插值和Barron梯度算子進行求解；求解結果為數字灰度矩陣，最終在高速相機成像顯示上為包含流場結構特征的黑白圖像；

4.rms收斂性判定

進一步對獲得連續紋影圖片序列的圖像強度進行收斂性分析；I_mean和I_RMS分別為圖像強度平均值和圖像強度均方根；數據量包含S個樣本，殘差量其定義為N張圖像的圖像強度場平均值與N-1張紋影強度場平均值之差的絕對值；