一种多参数的推力矢量喷流光学标定方法与流程

本发明属于推力矢量喷流计量，具体为一种多参数的推力矢量喷流光学标定方法。

背景技术：

1、推力矢量是指：飞行器的动力装置除了提供向前飞行的推力外，还通过对排气系统的控制，实现推力的偏转，从而产生附加的反推力/偏航力/滚转力等力矩类型，可用来补充或取代气动舵面的控制。

2、现有技术中，对推力矢量喷流的研究主要采用数值仿真和地面试验相结合的方法进行。数值仿真方法采用了ansys fluent和open foam等商业仿真软件，对推力矢量喷流的流场特性进行仿真模拟，可得到内外流特性、落压比、流量比、流量系数、推力矢量角等推力矢量喷流的特征参数；然而，仿真软件并不能有效模拟实际情况下复杂的边界条件，难以对推力矢量喷管内激波、边界层等流动现象和流场结构进行精细捕捉，导致仿真数据和实际数据的偏差较大。

3、地面试验方法采用推力天平和喷管壁面测压的方式，得到推力矢量喷管的推进性能和内流特性；但受限于传统的测力和侧压技术中分辨率低、装置复杂等缺陷，同样难以对推力矢量喷流中的高速流场进行精细化测量；此外，现有地面试验方法还不能对喷流速度、矢量效率、喷流温度和辐射强度等特征参数进行可靠提取，难以实现推力矢量喷流的全方面定量计量过程，也就无法对推力矢量喷流进行标定和体系化评估。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的缺陷，为推力矢量喷管的综合性能分析提供完善且体系化的评估过程，因此公开了一种多参数的推力矢量喷流光学标定方法；此方法基于复合式测量系统和数字图像处理技术，能精准可靠的提取并计量推力矢量喷流中的多类特征参数，实现对推力矢量喷流的性能标定，为推力矢量喷管综合性能分析的体系化评估提供依据基础。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种多参数的推力矢量喷流光学标定方法，包括如下步骤：

4、s1、构建复合式测量系统，复合式测量系统由瞬态光学测量系统和红外辐射测量系统组成；

5、s2、使用复合式测量系统，同时测量推力矢量喷流的密度场、速度场和辐射场，获得瞬态阴影图像数据；

6、s3、使用数字图像处理技术，处理瞬态阴影图像数据，提取推力矢量喷流的多类特征参数；

7、s4、依据多类特征参数，对推力矢量喷流的性能进行标定，形成推力矢量喷管的体系化评估标准。

8、具体的，步骤s1中，分别构建复合式测量系统中的5个模块，包括光源模块、光路模块、成像模块、时序控制模块和辐射测量模块；光源模块、光路模块、成像模块和时序控制模块共同形成瞬态光学测量系统，辐射测量模块单独形成红外辐射测量系统。

9、优选的，光路模块由扩束镜、1对主反射镜和1对次反射镜组成，由光路模块形成的阴影光路连接光源模块和成像模块；系统构建时，使主反射镜之间的阴影光路的路径经过推力矢量喷管的高速流场气流喷出区域所在空间；成像模块通过时序控制模块连接光源模块。

10、具体的，光源模块采用脉冲激光器，脉冲激光器发射的激光经过扩束镜后，在各反射镜间形成阴影光路，直至成像模块；成像模块包括ccd瞬态相机和存储系统；时序控制模块包括高精度同步控制器、相机控制软件和激光器控制软件，时序控制模块的采样频率范围为1至15hz；辐射测量模块采用热辐射相机，热辐射相机对准推力矢量喷管的高速流场气流喷出区域所在空间进行拍摄。

11、进一步的，步骤s2中，瞬态光学测量系统测量出推力矢量喷流的密度场数据和速度场数据，红外辐射测量系统测量出推力矢量喷流的辐射场数据，各数据组合形成对应的瞬态阴影图像数据；步骤s3中，数字图像处理技术对瞬态阴影图像数据进行处理分析，采用互相关、图像增强、边缘提取和空间滤波方式，提取并计量推力矢量喷流的5类特征参数；5类特征参数包括：喷流二维速度、喷流矢量角、空间波系结构、喷流温度和辐射强度。

12、进一步的，喷流二维速度的提取计量过程如下：

13、从瞬态阴影图像数据中获取具有时间相关的2幅喷流图像，2幅图像的脉冲时刻相邻，进行对比后计算得到喷流流场的微元结构在2幅图像中的位移，通过下式计算微元结构的运动速度：

14、

15、式中，为2幅图像的脉冲时间间隔；在计算2幅图像中的位移时，第1幅图像中的某像素点坐标取为，第2幅相邻图像中对应的像素点邻域内相距坐标的像素点坐标为，在该范围内有个像素点，则全部个像素点在跨帧图像对的系综相关函数，用公式表示为：

16、

17、式中，和分别为第个像素点位于第1幅图像中与第2幅相邻图像中像素点的灰度值；和是个像素点位于第1幅图像中与第2幅相邻图像中像素点的灰度强度系综平均值；表示灰度强度的标准差，具体如下式：

18、

19、再采用互相关算法，得到系综相关函数的峰值，即可通过峰值确定相邻2个脉冲时刻的微元结构位移，从而可计算出微元结构的运动速度，实现喷流二维速度的提取计量；此外，在真实喷流测量前，为瞬态光学测量系统研制并使用标定板，对测量精度进行标定。

20、进一步的，喷流矢量角的提取计量过程如下：

21、对瞬态阴影图像数据进行灰度滤波，去除喷流边缘湍流干扰，对得到的灰度图像进行一阶导数处理，得出像元在和方向上的梯度；

22、通过标定模板作为核，与灰度图像的每个像素点做卷积和运算，并使用sobel算法对图像边缘进行提取；通过选择阈值，提取喷流的边缘，在提取到2条喷流边缘后，将2条喷流边缘的角平分线作为喷流中心线，得到喷流角平分线与喷管轴线间的角度，实现喷流矢量角的提取计量。

23、进一步的，空间波系结构的提取计量过程为：使用空间滤波函数，滤除瞬态阴影图像数据中特定频率范围的信号，再经过逆傅里叶变换后，得到滤波后的阴影图像，依据滤波后的阴影图像，即可直接实现空间波系结构的提取计量。

24、进一步的，喷流温度的提取计量过程如下：

25、推力矢量喷流测量过程中，使红外辐射测量系统的发射率、最大灵敏度、系统透过率、测量相对灵敏度、测量元面积和系统工作波段保持不变，因喷流温度变化，导致红外辐射测量系统输出电压信号发生的改变；得到瞬态阴影图像数据后，红外热图像灰度值的改变如下式：

26、

27、式中，为线性响应系数，为偏置常数；令红外热图像灰度值作为关于被测喷流温度的多项式，如下：

28、

29、式中，至为温度系数，温度系数通过标定黑体源在个不同环境温度下的红外图像数据，经最小二乘法拟合后得到；当获得瞬态阴影图像数据中的像素灰度值后，通过反演的方式，即可确定推力矢量喷流的温度，实现喷流温度的提取计量。

30、进一步的，辐射强度的提取计量过程如下：

31、瞬态阴影图像数据中，涉及热辐射测量的单点目标成像以弥散斑的形式存在，弥散斑内的像元包括目标点像元和环境背景成像像元；通过弥散斑内所有像元灰度值与环境背景辐射的灰度值之差，计算被测推力矢量喷流的辐射强度，如下式：

32、

33、式中，为弥散斑面积内所有像元的灰度值之和；为所有像元的总数；为背景像元灰度值的平均值；为系统放大率；为红外辐射测量系统对输入红外辐射亮度的响应率；为大气透过率；为单个像元面积；由此即实现了辐射强度的提取计量。

34、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

35、本发明的方法创造性的提出通过复合式测量系统对推力矢量喷流进行多参数光学测量过程，从而实现推力矢量装置，如喷管等的性能标定。本发明通过瞬态光学测量系统对喷流二维速度、喷流矢量角和空间波系结构进行测量，通过红外辐射测量系统对喷流温度和辐射强度进行测量；与现有技术相比，本发明方法的准确度高、性能更为稳定，测量的特征参数更为全面，能全方位的对推力矢量喷流进行标定；本发明方法经过了详细调试和试验验证，其测量标定结果达到预期目标，为推力矢量喷管综合性能分析的体系化评估提供了有力的数据支撑。