一种流场实时精确测量系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种流场实时精确测量系统及方法。系统，包括示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统，示踪粒子发生器设置在待测流场上游，图像处理子系统采集流场中示踪粒子图像，传递给PIV测量子系统。方法，根据前一次测量，计算空间分辨率调整信息和时间分辨率调整信息，调整查询窗口参数和图像采集速度，在后一次测量时，根据调整后的图像采集速度采集流场粒子图像，对该幅图像和上幅图像，采用调整后的查询窗口参数，通过粒子图像测速方法获得当前全流场速度矢量。本发明提供的流场实时精确测量系统及方法，对于流速高，尤其是高超音速流场、变化剧烈的流场进行实时测量，精确度高。
【专利说明】一种流场实时精确测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种流场实时精确测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]在对流场内部流动的模拟及其测试的研究中，以往的测试方法，如探针法、LDV系统等对流场有很大的干扰，从而使测试的结果和研究结论与实际有较大的出入。
[0003]在流场测速领域，尤其是在高超音速流场测速领域，精确的流体动力学测量显得更加重要。超高速运动的物体运动状态下遇到阻碍物会出现激波、膨胀波、附面层等复杂流场现象，其气动特性呈现出超高速、非定常、高度非均匀等特点。现在对流场全场动力学特性精确测量技术与仪器提出挑战:(1)需要测量仪器具有非接触、无干扰、全场瞬时速度测量功能；(2)流场速度在时间尺度上表现为非定常特性，即同一测量点的流体速度具有大范围的时变特性，需要测量仪器能够实时在线观测空气流场时序变化的能力；(3)流场速度在空间尺度上表现为高度非均匀特性，即在同一测量窗口的不同测量区域内，示踪粒子浓度差别很大，需要测量仪器具有自适应调整测量模式的功能。研制高速，尤其是高超音速、非定常、高度非均匀流场的精确测量仪器已成为高性能航空发动机研制的关键。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种流场实时精确测量系统及方法，其目的在于通过时间分辨率和空间分辨率自适应的流场测量，由此解决目前时间分辨率和空间分辨率固定的流场测量系统对于变化剧烈的流场测量精度较低、误差大、不能实时反应流场，尤其是高超音速流场的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种流场全场动力学特性进行精确测量的系统，包括:示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统；其中:
[0006]示踪粒子发生器，用于产生示踪粒子并释放到待测流场，设置在待测流场上游；
[0007]图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置，所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统；
[0008]PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置。
[0009]优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元包括激光发生器、光学组件和片光源发生器；其中:
[0010]激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光；
[0011]光学组件，用于将多束柱状激光束激光合束；[0012]片光源发生器，用于将激光束调制成薄片状；
[0013]多束激光发生器发出的柱状光束激光经过柱透镜组，形成单数高频大功率脉冲激光，经片光源发生器调制成薄片状激光片光。
[0014]优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元的光学组件包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。
[0015]优选地，所述流场实时精确测量系统，其片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。
[0016]优选地，所述流场实时精确测量系统，其图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器；
[0017]工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像。
[0018]优选地，所述流场实时精确测量系统，其PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中:所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息,并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。
[0019]按照本发明的另一方面，提供了一种流场实时精确测量的方法，包括以下步骤:
[0020](I)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第η时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Atn，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第η时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理；
[0021](2)计算第η时刻的空间分辨率调整信息，并根据该信息更新第n+1时刻的查询窗口参数；
[0022](3)根据第n+1时刻的查询窗口参数，对第η时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，并计算时间分辨率调整信息的速度场X' (n+1)和加速度场a(n+l)；
[0023](4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Atn+1。
[0024]优选地，所述流场实时精确测量方法，所述查询窗口参数包括更新的查询窗口长度、查询窗口宽度、查询窗口角度和重叠率，采用自适应迭代算法更新查询窗口参数，具体过程为:
[0025]将前一次查询窗口参数作为初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度，并根据全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度计算查询窗口参数估计,如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数,再次调整，直至查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数；
[0026]计算查询窗口参数估计的方法包括以下步骤:
[0027](a)按照初始查询窗口参数，进行粒子图像测速矢量估计，得到全流场速度矢量U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括:速度梯度Ux、Uy和峰值强度P ；
[0028](b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量,获得当前时刻流场动态特性信息:
[0029]海瑟张量矩阵:
【权利要求】
1.一种流场实时精确测量系统，其特征在于，包括:示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统；其中: 示踪粒子发生器，用于产生示踪粒子并释放到待测流场，设置在待测流场上游； 图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置，所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统； PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置。
2.如权利要求1所述的流场实时精确测量系统，其特征在于，所述激光发射单元包括激光发生器、光学组件和片光源发生器；其中: 激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光； 光学组件，用于将多束柱状激光束激光合束； 片光源发生器，用于将激光束调制成薄片状； 多束激光发生器发出的柱状光束激光经过柱透镜组，形成单数高频大功率脉冲激光，经片光源发生器调制成薄 片状激光片光。
3.如权利要求2所述的流场实时精确测量系统，其特征在于，所述激光发射单元的光学组件包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。
4.如权利要求2所述的流场实时精确测量系统，其特征在于，所述片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。
5.如权利要求1所述的流场实时精确测量系统，其特征在于，所述图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器； 工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像。
6.如权利要求5所述的流场实时精确测量系统，其特征在于，所述PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中:所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息,并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。
7.一种流场实时精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤: (I)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第η时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Λ tn，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第η时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理； (2)计算第η时刻的空间分辨率调整信息，并根据该信息更新第n+1时刻的查询窗口参数； (3)根据第n+1时刻的查询窗口参数，对第η时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，并计算时间分辨率调整信息的速度场X' (n+1)和加速度场a (n+1)； (4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δ tn+1。
8.如权利要求7所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，所述查询窗口参数包括更新的查询窗口长度、查询窗口宽度、查询窗口角度和重叠率，采用自适应迭代算法更新查询窗口参数,具体过程为: 将前一次查询窗口参数作为初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度，并根据全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度计算查询窗口参数估计，如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数,再次调整,直至查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数； 计算查询窗口参数估计的方法包括以下步骤: (a)按照初始查询窗口参数，进行粒子图像测速矢量估计，得到全流场速度矢量U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括:速度梯度Ux、Uy和峰值强度P ； (b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量，获得当前时刻流场动态特性信息: 海瑟张量矩阵:
9.如权利要求8所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，对所述rmax/rmin进行阈值约束，rmax/rmin的阈值等于4。
10.如权利要求7所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，所述获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Atn+1的具体方法为:
【文档编号】G01P5/22GK103698554SQ201310693222
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】杨华, 尹周平, 熊有伦, 梅爽, 钟强龙, 张步阳, 李勇 申请人:华中科技大学