一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法

技术领域

本发明属于空气动力学实验技术领域，尤其涉及一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法。

背景技术

流体与固体壁面之间的摩擦力是流体动力学领域的一个重要参数，许多重要信息可以通过测量壁面摩擦力的矢量场而获取。准确测量摩擦力矢量场对于边界层理论研究、边界层转捩及其控制、漩涡结构分析和流动控制效果评估、CFD软件验证、飞行器减阻设计等有着重要意义。摩擦力的测量一直是一个难题，历来没有很好的测量方法和技术。传统的测量方法主要是采用各种机械或者电子工具，比如机械天平、侵入式探针和各种微型传感器等。这些技术通常比较繁琐，需要对壁面进行破坏或者通过测速进行反算，会给流动带来干扰，具有很大的不确定性，并且一次只能测量若干离散点处的摩擦力。剪切敏感液晶（shear-sensitive liquid crystal, SSLC）涂层测量技术是由美国NASA的Reda等提出的一种应用SSLC涂层测量壁面摩擦力场的方法（AIAA Journal, 1997, 35(4): 608-614），这种方法将SSLC喷涂到待测表面上；当受到摩擦力时，SSLC涂层在不同方向显示不同的颜色；通过对SSLC涂层在若干特定方向显示的颜色进行处理，可以解算出待测表面的摩擦力矢量场。目前的SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向有着严格要求，在实际风洞实验中由于风洞壁面的遮挡，难以同时满足照射方向和观测方向的要求，制约了该项测量技术的发展和实际应用。

发明内容

本发明提供了一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，突破传统SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向的数量及其分布的限制，能够结合实际风洞实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，包括以下步骤：

步骤一：结合具体的实验场景选取不受遮挡的光线照射方向和若干个相机观测方向；

步骤二：采用法向射流产生包含不同大小和方向的摩擦力矢量的摩擦力场；步骤三：测量SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色变化特性；

步骤四：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的若干观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；

步骤五：应用建立的SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系解算摩擦力场。

将以上所述方法应用于测量曲面表面摩擦力场，具体包括以下步骤：

步骤1：采用平板表面法向射流生成包含不同大小和方向的摩擦力矢量的圆对称摩擦力矢量场作为标定摩擦力场；

步骤2：结合具体的实验测量场景选取不受遮挡的光线照射方向和不受遮挡的相机观测方向；

步骤3：在平板上喷涂SSLC涂层，测量SSLC涂层的颜色随摩擦力矢量的变化特性；

步骤4：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系，采用常规神经网络学习算法即可满足要求；

步骤5：针对待测摩擦力场，应用步骤4所建立SSLC涂层在选定的观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系对图片进行处理，解算摩擦力场；

步骤6：针对曲面表面，采用分块方式测量整个曲面表面的摩擦力矢量场。

以上所述步骤中，步骤1中在平板表面产生的摩擦力矢量场是以射流撞击中心为圆心的圆对称分布，各点的摩擦力方向均沿径向方向，摩擦力大小在各个圆周上相等，并且随着圆周半径增加摩擦力大小逐渐减小；

步骤2中所述光线照射方向和相机观测方向结合具体实验场景选取，选取1个不受遮挡的光线照射方向和

步骤3中平板上不同位置的摩擦力矢量不同，因此一次测量能够得到SSLC涂层颜色随不同摩擦力矢量的变化特性，通过调整喷嘴的喷压比改变摩擦力矢量的大小范围，使得用于标定的圆对称摩擦力场的摩擦力大小的总变化范围（可以是多个标定摩擦力场的摩擦力大小总变化范围）覆盖SSLC涂层的摩擦力大小敏感范围；

步骤4中采用多层神经网络通过学习建立SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系，所述多层神经网络的输入为SSLC涂层在选定的

步骤5中待测摩擦力场中实际测量时光线照射方向与标定时的光线照射方向相同，实际测量时相机观测方向的数量及分布与标定时的相机观测方向相同，实际测量时神经网络的输入为从各个观测方向采集的SSLC涂层颜色（对应于测量区相同物理位置的

步骤6中具体包括以下步骤：

（a）将曲面分解成多个法向变化范围小于±10°的曲面块；

（b）针对结合实验场景选定的光线照射方向和

（c）对于每个曲面块，针对其实际光线照射方向和相机观测方向，采用步骤1-5的方法建立SSLC涂层颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；

（d）应用针对每个曲面块建立的映射关系，采用前述步骤5的方法测量相应曲面块的摩擦力场。

有益效果：本发明提供了一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，提出了基于圆对称摩擦力矢量场和深度学习算法的SSLC涂层颜色标定方法和摩擦力矢量场解算方法，可以根据具体的实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向，并且可以通过分区处理方式测量曲面表面摩擦力矢量场，使用非常灵活，能够有效推动该项测量技术的发展和实际应用。

由于摩擦力矢量只有大小和方向两个自由度，因而理论上最少只需要从两个方向观测SSLC涂层颜色即可解算摩擦力场；神经网络算法对SSLC涂层颜色的学习过程可以离线完成，在解算摩擦力时的计算量非常小；神经网络算法允许直接以颜色的RGB分量作为输入进行处理，避免了目前的SSLC涂层测量方法将颜色RGB转换为色调Hue带来的信息丢失问题，利用的颜色信息更全面，因而对摩擦力矢量的灵敏度更高。本发明突破传统SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向的数量及其分布的限制，能够结合实际风洞实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向，并且可以推广测量曲面表面摩擦力矢量场，从而能够推动该测量技术的发展和应用。

附图说明

图1a、图1b分别为本发明实施例中用于标定SSLC涂层颜色的实验装置示意图的侧视图和俯视图；

图 2为本发明实施例中应用多层神经网络算法学习建立SSLC涂层在观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间映射关系的方法；

图3为本发明实施例中应用分区方式测量曲面表面摩擦力矢量场的方法的示意图；

射流喷嘴1、实验平板2、摩擦力矢量场3、射流撞击中心4、光线照射方向5、相机观测方向6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，采用平板表面法向射流生成包含不同大小和方向的摩擦力矢量的圆对称摩擦力矢量场作为标定摩擦力场，其中，射流喷嘴1沿法向方向将气流喷向实验平板2；由此在实验平板2表面产生的摩擦力矢量场3是以射流撞击中心4为圆心的圆对称分布（各点的摩擦力方向均沿径向方向，摩擦力大小在各个圆周上相等，并且随着圆周半径增加摩擦力大小逐渐减小）；采用传统单点式测量技术（有些单点式测量技术需要替换实验平板2，需要在壁面打孔，这里不再详细介绍）测量摩擦力矢量场3的大小沿半径方向的变化特性，然后根据圆对称特性可以得到壁面的摩擦力矢量场分布；

步骤2：结合具体的实验测量场景选取1个不受遮挡的光线照射方向和

步骤3：在实验平板2上喷涂SSLC涂层，针对选定的

步骤4：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的

步骤5：针对待测摩擦力场，应用所建立SSLC涂层在选定的

步骤6：如图3所示，针对曲面表面，采用分块方式测量整个曲面表面的摩擦力矢量场，具体包括以下步骤：

（a）将曲面分解成多个法向变化范围小于±10°的曲面块。

（b）针对结合实验场景选定的光线照射方向和

（c）对于每个曲面块，针对其实际光线照射方向和相机观测方向，采用前述步骤1-5的方法建立SSLC涂层颜色与摩擦力矢量之间的映射关系。

（d）应用针对每个曲面块建立的映射关系，采用前述步骤5的方法测量相应曲面块的摩擦力矢量场。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。