一种集成VB-Matlab式五孔探针后处理方法

技术领域

本发明属于场测量数据处理领域，涉及一种集成VB-Matlab式五孔探针后处理方法，适用于气体动力学、风洞试验、飞行器设计等流场测量数据后处理过程。

背景技术

五孔探针是目前流场测控中最常使用的测量仪器，有着造价低、精度高、适用性强等特点；此外由于五孔探针在测量过程中可以得到测点马赫数、测点流速、测点气流角，以及其他测控仪器无法得到的气流压力，使得五孔探针是本行业从事人员的首选测量仪器。但是由于实验时风洞的成本高、试验件的工况多、实验时间长，由于一些计算方法不能集成到五孔探针计算软件中，所以每次五孔探针的测量数据后处理极为重要。本发明解决了五孔探针后处理计算的问题。本发明利用VB与Matlab以及它们之间的接口，将VB人机交互的界面以及Matlab快速处理数据的能力相融合，满足了本行业专业人员在进行处理五孔压力探针所采集的流场参数时的需求。

现有的线性插值方法的计算角度范围是±30°，计算时只能使用单个马赫数下的校准曲线。所以线性插值方法对于马赫数变化的流场没有很好的适应性，当来流马赫数超出标定速度一定范围时，计算结果存在较大误差。

现有的分区拓展的计算角度范围是±60°，计算时也只是使用一个马赫数下的校准曲线。较线性插值方法虽然提高了五孔探针的计算角度范围，但是对于马赫数变化的适应性不高。来流马赫数与校准马赫数相差较大时，任然无法保证较高的计算精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种集成VB-Matlab式五孔探针后处理方法，包括以下步骤：

S1:获取五孔探针探测到的各个孔的压力值、来流参数和环境参数；

S2:利用三维插值方法对校准文件进行插值，拟合得到固定区间内所有马赫数下的校准文件；

S3:对来流马赫数进行粗步估计，利用粗步估计马赫数下的校准文件得到气流的流场参数；

S4:通过粗步估计马赫数下的校准文件与来流马赫数进行比较，得到流场参数。

进一步地：所述三维插值方法包括三维线性插值法、三维牛顿二次插值法和三维最小二乘插值法。

进一步地：所述三维最小二乘插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行最小二乘拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过最小二乘拟合插值得到固定区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地：所述利用三维线性插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行线性拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过三维线性插值法得到该马赫数区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地，所述利用三维牛顿二次插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行牛顿二次插值拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过三维牛顿二次插值得到该马赫数区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地，所述固定区间为：0.2——0.8。

进一步地，所述通过粗步估计马赫数下的校准文件与来流马赫数进行比较，得到流场参数的过程如下：

通过粗估马赫数对来流参数进行初始计算，得到通过比较计算马赫数与粗估马赫数，当马赫数与粗估马赫数相差万分之一及以下，输出通过粗估马赫数对来流参数进行初始计算的结果，得到流场参数；

当马赫数与粗估马赫数相差万分之一以上，以第一次计算马赫数对应的校准文件为基准，重复初始计算的过程，直至计算出的马赫数与校准文件对应的马赫数相差万分之一，输出通过不断迭代计算振荡逼近真实值的结果，得到流场参数。

本发明提供的一种集成VB-Matlab式五孔探针后处理方法，具有以下优点：本发明解决了五孔探针后处理计算的问题，本发明利用VB与Matlab以及它们之间的接口，将VB人机交互的界面以及Matlab快速处理数据的能力相融合，满足了本行业专业人员在进行处理五孔压力探针所采集的流场参数时的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为0.2Ma角度校准曲线图；(b)为0.5Ma的角度校准曲线图，(c)为0.8Ma角度校准曲线图；

图2为三个马赫数的角度校准曲线放到同一个坐标中的曲线图；

图3为显示四个边界点通过最小二乘法得到的曲线图；

图4是采用本申请方法的模块的界面图；

图5是三维最小二乘插值示例过程示意图；

图6是模块计算过程示意图；

图7是传统线性插值过程示意图；

图8是五孔探针分区计算分区示意图；

图9是三维线性插值法插值过程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

一种集成VB-Matlab式五孔探针后处理方法，包括以下步骤：

S1:获取五孔探针探测到的各个孔的压力值、来流参数和环境参数；

S2:利用三维插值方法对校准文件进行插值，拟合得到固定区间内所有马赫数下的校准文件；

S3:对来流马赫数进行粗步估计，利用粗步估计马赫数下的校准文件得到气流的流场参数；

S4:通过粗步估计马赫数下的校准文件与来流马赫数进行比较，得到流场参数。

进一步地：所述通过粗步估计马赫数下的校准文件与来流马赫数进行比较，得到流场参数的过程如下：

通过粗估马赫数对来流参数进行初始计算，得到通过比较计算马赫数与粗估马赫数，当马赫数与粗估马赫数相差万分之一及以下，输出通过粗估马赫数对来流参数进行初始计算的结果，得到流场参数；

当马赫数与粗估马赫数相差万分之一以上，以第一次计算马赫数对应的校准文件为基准，重复初始计算的过程，直至计算出的马赫数与校准文件对应的马赫数相差万分之一，输出通过不断迭代计算振荡逼近真实值的结果，得到流场参数。

进一步地，所述三维插值方法包括三维线性插值法、三维牛顿二次插值法和三维最小二乘插值法。

进一步地，所述三维最小二乘插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行最小二乘拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过最小二乘拟合插值得到固定区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地：所述利用三维线性插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行线性拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过三维线性插值法得到该马赫数区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地：所述利用三维牛顿二次插值法对校准文件进行插值，得到固定区间内所有马赫数下的校准文件的过程如下：

固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；

通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β、位置的特性值与马赫数进行牛顿二次插值拟合，得到马赫数与位置的特性值的关系；

通过三维牛顿二次插值得到该马赫数区间内所有马赫数下的校准文件。

进一步地：所述固定区间为：0.2——0.8。

所述固定区间内若干个等间距马赫数进行标定；如果我们确定探针的使用马赫数范围是0.2～0.8Ma，则标定0.2Ma、0.5Ma、0.8Ma(这些也是已经说过的)。这个标定就是校准过程，把探针放在校准风洞中完成，下图1(a)为0.2Ma角度校准曲线图(也就是角度校准文件)；(b)为0.5Ma的角度校准曲线图，(c)为0.8Ma角度校准曲线图。

校准文件是指在计算时导入计算软件的文件；

校准曲线是将这些校准点以曲线形式展示时做出的曲线；两者就是一个的东西，只不过在不同的情况，不同的习惯性叫法。

由于总静压系数的校准曲线也是类似，该说明文件不加解释。

所述通过对所标定各个马赫数特性曲线相同俯仰角α、偏转角β位置的特性值(K

将上述三个马赫数的角度校准曲线放到同一个坐标中，如下图2所示。接下来要对相同俯仰角α、偏转角β的特性值(K

对于三维线性插值以及三维牛顿二次插值法而言，与最小二乘法相比区别就是对对相同俯仰角α、偏转角β的特性值(K

本发明可以对单测点数据以及文件数据导入格式的多测点数据进行后处理计算，最重要的是本发明在计算时提供了多种计算方法，既有传统的计算方法也有最新开发出的计算方法。

图4是采用本申请方法的模块的界面图；

本发明的数据采集也就是数据输入、输出模块在控制区的导入计算文件并导出，在计算前需要在数据导入类型中写入测点个数，数据是.dat格式，这样可以保证计算的速度与精度。

分析模块在计算的方法中体现，不同的计算方法拥有不同的计算过程调用的模块也不同，最基本的双线性插值模块在多个计算中均被调用，在最小二乘拟合时，为了方便矩阵的计算MartixVB.dll也被调用，MartixVB.dll也是一个在VB软件中计算矩阵的控件。

与传统算法相比，本发明中的校准文件加入了马赫数维度，为三维插值做准备，对于三维插值本发明使用迭代计算法，即三维插值过程的振荡过程，以计算出的马赫数作为基准值再次插值出该马赫数下的校准曲线，以计算出的马赫数所对应的校准文件为基础再次计算，最终计算结果与前次计算结果相差0.1％以下，所以计算精度大大增加。此外，对于分区拓展的计算方法，包含5个区各自的校准文件(将五孔探针变为四孔探针使用，因为在大角度时存在背后的一个孔分离现象)，在计算时通过比较各个孔的压力值确定使用哪个区的校准文件，然后开始计算，在每个区的计算时还会使用相同的单个马赫数下的线性插值或者三维情况下的插值计算。

值得注意的是，本发明在三维最小二乘法插值时，使用到了矩阵计算的方法。

三维插值法(三维计算时均会迭代，因为会比较校准文件对应的马赫数与计算出马赫数的差值)中本发明提出三种方式，以三维最小二乘法为例，先对一个范围内若干个等间距马赫数进行标定，通过对所标定各个马赫数特性曲线相同、俯仰角α、偏转角β、位置的特性值(K

根据五孔探针的各孔压力值计算各角度系数为：

其中：P

以来流主流速度为0.7Mac为例，实验时，根据五孔探针各个孔的压力值由公式(1)、(2)、(3)计算出K

利用线性插值法由公式(4)、(5)可以得到来流各方向角、C

三维线性插值与三维牛顿二次插值法与三维最小二乘法相似，但是三维线性插值只考虑两个马赫数之间的三维插值，对于流场马赫数变化较大的情况，迭代计算的步骤有限；而三维牛顿二次插值法与三维最小二乘法相比，拟合曲线的光滑性不够。

三维插值法的计算精度较传统双线性插值法的精度提升0.1～0.5％不等，其中以目前数据来看三维最小二乘法的计算精度至少较传统方法提升0.5％。

用户使用本发明时可以更具自己的需求选择单点计算或者文件导入计算。使用文件导入计算时，需要在其旁边写入测点个数。

若使用单点计算，则只需要在主要参数中输入五孔探针各个孔的压力值，在其他参数中输入其他参数并点击参数确认。接着点击导入校准文件导入五孔探针的校准文件即可计算。而对于文件导入计算时，则不需要以上操作，直接导入五孔探针测量数据即可，导入的数据格式如下所示，从前到后依然此为大气压、大气温、来流总温、五孔探针1～5号孔的压力值。

接着选择不同的计算方法，不同的计算方法计算过程不同，计算结果亦不同。

(1)、传统方法，也就是双线性插值(计算角度±30°)，计算过程如下图7所示。其中A、B、C、D为校准点，中间点为测点的计算值，利用线性插值计算出测点的α、β角以及总静压系数，再根据五个孔的压力值便可计算出测点的马赫数，再根据来流的温度即可得到测点的流速，所以气流的参数全都得到。

(2)、分区拓展计算，主要是解决传统五孔探针计算角度的局限性，传统的计算方法α和β角的范围只有±30°，而分区拓展可使α以及β角达到±60°。在计算时，根据判断不同孔的压力值，寻找其最大值并在相应区域内进行双线性插值，得到具体的流场参数。图8是本申请方法的计算过程示意图；Pt代表总压，Ps代表静压；

(3)、三维线性插值、三维牛顿二次插值、三维最小二乘插值法，主要是解决五孔探针在计算时只能使用一个马赫数下校准文件的情况。其中三维线性插值的本质是一次拉格朗日插值。这三种方法在均是在已知的若干个马赫数下的校准文件下拟合插值出不同马赫数下的校准文件。因此在计算时可以进行迭代计算，首先在粗估马赫数下的校准曲线中计算来流马赫数，再根据计算出的马赫数下的校准曲线再次计算，依次类推，使计算出的马赫数与计算使用校准曲线对应的马赫数控制在一定的偏差内。图9是传统线性插值过程示意图；

在本发明中三维最小二乘插值法，以同一角度下五孔探针不同马赫数的校准系数为基础，拟合出以马赫数为变量的曲线。在该过程中，通过VB所编写的软件调用Matlab所写的.dll完成矩阵的计算。

(4)、混合计算，主要是指五孔探针分区拓展和三维线性插值、三维牛顿二次插值、三维最小二乘插值法的结合使用；

不同计算方法离不开的是传统的双线性插值法。新计算方法是在双线性插值基础上的拓展。

对于不同的计算方法需要导入不同的校准文件。

对于传统计算方法校准文件的格式如下，第一行为α以及β角度各自的校准点数，第二行开始为各个角度校准系数以及总压、静压系数和校准点的角度。

对于分区拓展方法的校准文件，只需要将不同区的校准文件加到下面即可。

对于三维线性插值、三维牛顿二次插值、三维最小二乘插值法的校准文件如下所示，加入了马赫数维度，方便插值计算。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。