流场成像的测量系统和主系统

技术领域

本发明涉及飞行器实验模型的流场成像技术领域，尤其是涉及一种流场成像的测量系统和主系统。

背景技术

高速飞行器表面附近的流场特性对飞行器的空气动力性能、飞行器结构设计和热防护等具有重要的影响，为了高速飞行器表面附近的流场特性，需要对飞行器的流场区域进行成像测量。相关技术中，针对平面流场，通常采用平面激光光源进行测量；针对曲面流场，通常需要设计特定的光学元件产生特定曲率的光源，测量具有特定曲率的流场；但是，针对多种不同外形飞行器的流场测量，需要根据每种飞行器的具体几何尺寸设计专门的光学元件，测量效率较低，成本较高，且通用性较差。另外，这种特定的光学元件，无法提供曲率不连续的光源，无法满足复杂曲面流场测量的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流场成像的测量系统和主系统，以降低测量成本，提高测量的效率，且能够满足复杂曲面流场测量的需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种流场成像的测量系统，系统包括：挡光板、激光设备、飞行器实验模型、以及摄像装置；挡光板中设置有指定形状的通光孔；其中，指定形状与飞行器实验模型的待测量流场区域的垂直截面形状一致；挡光板用于，利用平行激光束，产生指定形状的平行光源；其中，平行激光束通过激光设备生成；摄像装置用于，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；其中，飞行器实验模型的待测量流场区域与平行光源重合。

进一步的，激光设备包括激光器、扩束装置、准直装置；激光器、扩束装置以及准直装置同光轴设置；扩束装置的尺寸和准直装置的尺寸分别大于待测量流场区域的尺寸；其中，扩束装置位于激光器和准直装置的中间区域；扩束装置用于，将激光器产生的初始激光束进行扩束处理；准直装置用于，将扩束后的初始激光束进行准直处理，得到平行激光束其中，平行激光束的尺寸大于待测量流场区域。

进一步的，挡光板垂直于平行激光束放置；平行激光束垂直照射在挡光板上，穿过通光孔的平行激光束，通过通光孔的形状，形成与通光孔形状一致的指定形状的平行光源。

进一步的，摄像装置包括多个普通相机；多个普通相机设置于飞行器实验模型的待测量流场区域的上方位置；其中，每个普通相机负责拍摄待测量流场区域中的指定区域，以使普通相机对每个部分区域清晰对焦成像；所有普通相机的总拍摄区域覆盖待测量流场区域；摄像装置还用于：针对标定靶面的多个区域，利用普通相机，拍摄每个区域对应的图像；其中，标定靶面设置于飞行器实验模型的待测量流场区域上；标定靶面的形状与待测量流场区域的形状一致；标定靶面上等间距设置有标定点；利用普通相机对拍摄的指定区域的图像进行对焦处理，确定普通相机的标定相机参数。

进一步的，摄像装置包括光场相机；光场相机设置于飞行器实验模型的待测量流场区域的上方位置；摄像装置还用于：利用光场相机拍摄标定靶面，得到标定靶面的图像；其中，标定靶面设置于飞行器实验模型的待测量流场区域上；标定靶面的形状与待测量流场区域的形状一致；标定靶面上等间距设置有标定点；利用光场相机拍摄图像，对图像的不同区域进行对焦处理，确定光场相机的标定相机参数。

进一步的，摄像装置用于：利用标定完成的普通相机，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；或者，利用标定完成的光场相机，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果。

进一步的，飞行器实验模型包括一种或多种待测量流场区域；待测量流场区域包括曲面流场区域；曲面流场区域的曲率包括一种或多种。

进一步的，挡光板包括一种或多种通光孔；每种通光孔包括一种或多种指定形状，指定形状由飞行器实验模型的几何外形确定。

第二方面，本发明实施例提供了一种流场成像的测量主系统，主系统包括第一方面任一项的流场成像的测量系统，还包括风洞装置；流场成像的测量系统位于风洞装置中。

进一步的，风洞装置用于：产生气流，模拟飞行器实验模型在实际飞行中周围气体的流动。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明提供了一种流场成像的测量系统和主系统，该系统包括：挡光板、激光设备、飞行器实验模型、以及摄像装置；挡光板中设置有指定形状的通光孔；其中，指定形状与飞行器实验模型的待测量流场区域的垂直截面形状一致；挡光板用于，利用平行激光束，产生指定形状的平行光源；其中的平行激光束通过激光设备生成；摄像装置用于，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；其中的飞行器实验模型的待测量流场区域与平行光源重合。该方式中，挡光板的通光孔的形状，可以根据飞行器实验模型的外形以及待测量流场区域的垂直截面形状进行改变，进而改变平行光源的形状，改变方式更加方便快速，不需额外设计复杂光学元件，提高了测量效率，降低了测量成本，且满足了复杂曲面流场测量的需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种曲面流场的曲面片光示意图；

图2为本发明实施例提供的一种曲面流场的平面片光示意图；

图3为本发明实施例提供的一种压缩拐角流场的平面片光示意图；

图4为本发明实施例提供的不连续曲面流场的曲面片光示意图；

图5为本发明实施例提供的一种流场成像的测量系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种挡光板的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种平行光源的生成示意图；

图8为本发明实施例提供的一种普通相机的参数标定示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光场相机的参数标定示意图；

图10为本发明实施例提供的一种相机的拍摄示意图；

图11为本发明实施例提供的一种流场成像的测量主系统结构示意图。

图标：

100-挡光板；200-激光设备；300-飞行器实验模型；400-摄像装置；201-激光器；202-扩束装置；203-准直装置；401-普通相机；402-光场相机；10-流场成像的测量系统；20-风洞装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

高速飞行器表面附近的流场特性对飞行器的空气动力性能、飞行器结构设计和热防护等具有重要的影响，研究和测量飞行器表面附近的流场特性，能够为飞行器设计提供依据。当前常用于超声速/高超声速流场结构测量的方法很多，比如纹影、阴影、干涉、粒子图像速度场、滤波瑞利散射、纳米示踪的平面激光散射技术和激光诱导荧光等多种方法。由于超声速/高超声速流场具有明显的三维特性，以平面激光散射技术为代表的流场测试技术，利用激光片光的方式，可以对三维流场的某一局部剖面进行流场测量。但是目前这一类技术的主要特点就是采用的激光片光为一平面光源。对于真实飞行器而言，外形通常是曲面，因此围绕飞行器流动也常常具有曲面特性。比如导弹，为了测量导弹附近的流场特性，需要对导弹的曲面流场进行成像测量(如图1所示)，但是传统方法提供的是平面激光光源(如图2所示)。无法满足具有曲面外形真实飞行器外部流场区域测量的需求。

为实现针对具体飞行器外形的曲面流场测量，关键是产生满足测量需求几何尺寸的曲面激光片光光源进行流场照明。相关技术中，通常需要设计特定的光学元件产生特定曲率的光源，测量具有特定曲率的流场，该种特定的光学元件产生的光源的曲率或形状无法任意改变；针对多种不同外形飞行器的流场测量，需要根据每种飞行器的具体几何尺寸设计专门的光学元件，测量效率较低，成本较高，且通用性较差。另外，这种特定的光学元件，无法提供曲率不连续的光源；针对几何曲面不连续的外形，比如图3所示的压缩拐角流场，或者如图4所示的飞行器实验模型曲面机翼加控制舵面这种相对复杂的区域流场，通过特定的光学元件，无法提供曲率不连续的激光片光，无法满足复杂曲面流场测量的需求。

基于此，本发明实施例提供的一种流场成像的测量系统和主系统，可以降低测量成本，提高测量的效率，且能够满足复杂曲面流场测量的需求。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种流场成像的测量系统进行详细介绍，如图5所示，该系统包括：挡光板100、激光设备200、飞行器实验模型300、以及摄像装置400；挡光板100中设置有指定形状的通光孔；其中，指定形状与飞行器实验模型的待测量流场区域的垂直截面形状一致；

上述挡光板能够阻挡激光，挡光板中设置的通光孔的形状与由具体需要测量的飞行器实验模型的待测量流场区域的截面形状确定，例如图4所示的飞行器实验模型的待测量流场区域的截面形状，该飞行器实验模型的挡光板例如图6所示，图中的白色边框区域为指定形状的通光孔，其中待测量流场区域的截面形状与通光孔指定形状一致。具体的，可以根据飞行器实验模型的外形和待测量流场区域，确定所需照明的激光片光(对应上述平行光源)的几何尺寸(对应上述指定形状)；根据该几何尺寸，制作带有相同几何尺寸的通光孔的挡光板。上述挡光板中可以包括一个或者多个通光孔，当飞行器实验模型包括多个待测量流场区域时，可以在同一个挡光板上设置多个通光孔，每个通光孔的形状与待测量流场区域的垂直截面的形状相同。

上述挡光板用于，利用平行激光束，产生指定形状的平行光源；其中，平行激光束通过激光设备生成；摄像装置用于，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；其中，飞行器实验模型的待测量流场区域与平行光源重合。

具体的，利用激光设备可以生成平行激光束，该平行激光束可以是被放大的光源；上述平行激光束的垂直照射区域需要覆盖通光孔区域，以使平行激光束垂直照射到带有通光孔的挡光板上，只有通光孔形状对应部分的平行光能够通过挡光板，形成与通光孔形状一致的指定形状的平行光源。另外，考虑到平行激光束通过狭缝会发生衍射现象，通光孔缝隙的最小尺寸不可小于2mm，通常可以设置在2mm-3mm，这样既可以满足曲面激光片光有足够的照明厚度，也可以将光通过通光孔的衍射效应大大降低。

然后，可以将挡光板和激光设备设置于合适位置，以使通过挡光板得到的平行光源与飞行器实验模型的待测量流场区域重合。将平行光源与飞行器实验模型的待测量流场区域重合，即得到了流场成像的基本条件，此时可以利用摄像装置，通过拍照的方式采集飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果。上述摄像装置通常可以包括多个相机，通过相机直接对飞行器实验模型的待测量流场区域进行拍摄，通过拍摄得到的图像进行处理得到待测量流场区域的成像结果。

本发明实施例提供了一种流场成像的测量系统，该系统包括：挡光板、激光设备、飞行器实验模型、以及摄像装置；挡光板中设置有指定形状的通光孔；其中，指定形状与飞行器实验模型的待测量流场区域的垂直截面形状一致；挡光板用于，利用平行激光束，产生指定形状的平行光源；其中的平行激光束通过激光设备生成；摄像装置用于，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；其中的飞行器实验模型的待测量流场区域与平行光源重合。该方式中，挡光板的通光孔的形状，可以根据飞行器实验模型的外形以及待测量流场区域的垂直截面形状进行改变，进而改变平行光源的形状，改变方式更加方便快速，不需额外设计复杂光学元件，提高了测量效率，降低了测量成本，且满足了复杂曲面流场测量的需求。

进一步的，如图7所示，上述激光设备200包括激光器201、扩束装置202、准直装置203；激光器201、扩束装置202以及准直装置203同光轴设置；扩束装置202的尺寸和准直装置203的尺寸分别大于待测量流场区域的尺寸；其中，扩束装置202位于激光器201和准直装置203的中间区域；扩束装置用于，将激光器产生的初始激光束进行扩束处理；准直装置用于，将扩束后的初始激光束进行准直处理，得到平行激光束；其中，平行激光束的尺寸大于待测量流场区域。

上述挡光板垂直于平行激光束放置；平行激光束垂直照射在挡光板上，穿过通光孔的平行激光束，通过通光孔的形状，形成与通光孔形状一致的指定形状的平行光源。

上述扩束装置可以为扩束镜；上述准直装置可以为准直透镜。首先，激光器201向扩束装置方向发出初始激光束，然后利用扩束装置将激光器发出的初始激光束扩束，再利用准直装置将扩束后的初始激光束变为平行激光束；以使平行激光束尺寸大小可以覆盖通光孔的大小。如图7所示将挡光板垂直于平行激光束放置，平行激光束可以垂直照射到带有通光孔的挡光板上，穿过通光孔的平行激光束，形成与通光孔形状一致的指定形状的平行光源。需要说明的是，上述扩束装置以及准直装置的尺寸大小可以根据待测量流场区域以及通光孔的尺寸确定，以使扩束装置202的尺寸和准直装置的尺寸分别大于待测量流场区域的尺寸，同时使平行激光束的尺寸大于待测量流场区域。

上述方式中，不需要加工另外的特点光学元件，只需要制作特定通光孔径的挡光板，降低了测量成本，提高了测量效率。但这种方法的缺点是激光束能量的利用效率较低，大部分激光能量被遮挡；另外，光束质量存在一定损失，且不可避免还存在极少量衍射光。但是从流场成像测量对照明光源的要求而言，可以满足照明流场区域的要求，该方法是以牺牲光强和部分光束质量为代价，提供快速便捷的曲面流场照明光源。

进一步的，如图8所示，上述摄像装置包括多个普通相机401；多个普通相机401设置于飞行器实验模型300的待测量流场区域的上方位置；其中，每个普通相机负责拍摄待测量流场区域中的指定区域，以使普通相机对每个部分区域清晰对焦成像；所有普通相机的总拍摄区域覆盖待测量流场区域；上述摄像装置还用于：针对标定靶面的多个区域，利用普通相机，拍摄每个区域对应的图像；其中，标定靶面设置于飞行器实验模型的待测量流场区域上；标定靶面的形状与待测量流场区域的形状一致；标定靶面上等间距设置有标定点；利用普通相机对拍摄的指定区域的图像进行对焦处理，确定普通相机的标定相机参数。

针对曲面流场成像的测量，传统相机，即普通相机获取的图像会发生变形，同时无法对整个曲面清晰对焦。为了消除图像变形和无法准确对焦等问题对成像测量的影响，需要对相机成像的相机参数进行标定和校正。具体的，为保证参数校正的准确性，需要根据才测量流场区域的形状，制作特定的标定靶面用于成像测量时相机的参数标定。上述标定靶面可以用有机玻璃或者3D打印等方式确定；上述标定点可以是在标定靶面中直接刻上，也可以将带有标定点的图纸粘在标定靶面上；可以通过固定机构将该标定靶面置于与待测流场区域一致的位置；该标定靶面在形状上与待测曲面流场区域是一致的，如图8中的(a)所示，可以将标定靶面设置于飞行器实验模型的待测量流场区域上。另外，标定靶面的具有等间距设置有标定点，比如，可以是沿曲面方向等间距布置标定点，也可以采用棋盘格图案的标定靶面，本实施例不限定标定靶面的图案形式。

如图8中的(b)所示，对于曲面而言，每个相机只能在一定范围内清晰对焦成像，所以可以借助多个相机对不同区域清晰对焦，实现对整个待测流场区域的成像。分别拍摄不同范围，共同组合实现岁整个待测量流场区域的覆盖；另外，相机标定时可以借助不同相机对标定靶面中不同区域的对焦实现相机在成像时对整个曲面流场的对焦，进而确定普通相机的标定相机参数。

进一步的，如图9所示，上述摄像装置包括光场相机402；光场相机402设置于飞行器实验模型300的待测量流场区域的上方位置；摄像装置400还用于：利用光场相机拍摄标定靶面，得到标定靶面的图像；其中，标定靶面设置于飞行器实验模型的待测量流场区域上；标定靶面的形状与待测量流场区域的形状一致；标定靶面上等间距设置有标定点；利用光场相机拍摄图像，对图像的不同区域进行对焦处理，确定光场相机的标定相机参数。

针对所采用的成像相机的不同，对相机的标定和成像测量也可以采用光场相机，上述场相机具有先拍照后聚焦的能力，不需要多个相机对不同区域清晰对焦。标定靶面的设置于上述标定普通相机的相机参数的方式相同，在此不做赘述。如图9中(b)所示，拍摄标定靶面的图像后，根据数据后处理，实现对不同位置的清晰对焦，以重构图像，进而确定标定光场相机的标定相机参数。

通过上述标定相机参数，可以消除成像造成的图像畸变。

进一步的，如图10所示，上述摄像装置用于：利用标定完成的普通相机，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果；或者，利用标定完成的光场相机，获取飞行器实验模型的待测量流场区域的成像结果。

具体的，将标定靶面移除后，利用扩束装置和准直装置发出平行激光束，实现准直激光光源照明飞行器实验模型流场区域，合理布置挡光板位置，使通过通光孔的平行光源与待测量流场区域重合。如图10中(a)所示，利用标定完成的普通相机拍摄飞行器实验模型的待测量流场区域的图像，对拍摄图像进行后处理。对于多个普通相机，将每个相机获得的清晰对焦的流场区域拼合组成曲面流场成像结果。如图10中(b)所示，利用标定完成的光场相机，拍摄飞行器实验模型的待测量流场区域的图像，通过解算不同对焦平面的图像，再重构出曲面流场的成像结果。

上述方式中，通过对摄像装置中的普通相机和光场相机进行参数标定，消除了相机成像造成的影响，消除了成像造成的图像畸变，提高了成像效果。

进一步的，上述飞行器实验模型包括一种或多种待测量流场区域；待测量流场区域包括曲面流场区域；曲面流场区域的曲率包括一种或多种。上述挡光板包括一种或多种通光孔；每种通光孔包括一种或多种指定形状，指定形状由飞行器实验模型的几何外形确定；其中每种指定形状可以是相互连通。

具体的，如果飞行器实验模型包括一种或多种待测量流场区域，可以在同一个挡光板上设置多个通光孔。如果一种曲面流场区域的曲率包括一种或多种，如图4所示，几何曲面不连续的外形，即飞行器实验模型包括一种或多种曲率的曲面流场区域，可以通过在挡光板中设置一种通光孔，包括多个指定形状，且每种指定形状相互连通。该种方式，可产生曲率不连续的曲面激光，以满足复杂曲面流场测量的需求；还比如，L型的流场区域，其中包含曲率不连续的平面流场区域。

上述方式中，能够针对复杂曲面外形的快速产生照明光源、并对曲面流场测量区域能够进行标定的流场成像测量方法，曲面激光几何尺寸的改变更加方便和快速，不需额外设计复杂光学元件，成本更加低廉。

本发明实施例还提供了一种流场成像的测量主系统，如图11所示，该主系统包括流场成像的测量系统10，还包括风洞装置20；流场成像的测量系统10位于风洞装置20中。该风洞装置用于：产生气流，模拟飞行器实验模型在实际飞行中周围气体的流动。

具体的，设置好流场成像的测量系统中的各个装置后，将流场成像的测量系统10位于风洞装置20中，运行风洞，以NPLS(New Power Lighting System，新电源照明系统)和PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速法)等现成技术为基础，通过投放示踪粒子，用平行光源照明待测量流场区域，用相机进行拍照成像。该获得的曲面流场成像结果，可以为后期流场特性研究，曲面流场内速度、结构尺寸的等参数分析提供依据。

本发明实施例提供的流场成像的测量主系统，与上述实施例提供的流场成像的测量系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。