超聲速流場npls三維結構顯示系統及方法

2023-05-17 19:51:46 3

專利名稱：超聲速流場npls三維結構顯示系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲速流場NPLS三維結構技術領域,特別地,涉及一種基於納米粒子示蹤的高時空解析度的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統。此外，本發明還涉及一種包括上述超聲速流場NPLS三維結構顯示系統的顯示方法。
背景技術：
從光學的角度來看，流場結構的顯示方法可以分為兩大類第一類是利用光在變折射率場中的變化規律分析流場的變化；第二類是利用示蹤物跟隨流體一起運動，並根據示蹤物的光散射或激發特性分析流場的結構。·第一類方法中比較典型的有紋影、陰影和幹涉等技術，屬於傳統的流動顯示方法。在某些情況下，傳統的流動顯示方法可以得到具有一定時空解析度的定量結果，但是卻無法得到高時空解析度的流場結構。平面雷射成像技術為上述第二類方法，因其結合現代雷射技術、控制技術、成像技術和圖像處理技術成為目前應用最為廣泛的精細流動結構測試技術。然而，平面雷射成像技術只顯示超聲速流場的二維結構，將其應用於超聲速流動精細結構測試仍然面臨的三大主要技術問題一是無法分辨可壓縮性與激波結構所導致的大梯度流動結構，這種大梯度結構對基於粒子示蹤的光學非接觸測試技術提出了很高的跟隨性要求；二是難以分辨較高雷諾數條件下的流場空間結構，流場結構具有空間多尺度特徵，它要求測試技術不僅具備較高的空間解析度，而且能夠同時分辨不同尺度上的流動結構，即具有較寬範圍的波數空間分辨性能；三是無法分辨較高流動速度下的空間結構的時間演化特徵，除高速平動外，超聲速流動的高頻流場脈動也需要分辨，因此測試技術同樣需要具有較寬範圍的譜分辨性能。另外，對於某些具有曲面外型的試驗模型，其超聲速流場具有強烈的三維性，因此對測試技術本身的三維測量能力提出了需求。由以上可知，平面雷射成像技術只能顯示超聲速流場的二維結構，無法顯示超聲速流場的精細三維結構。納米不蹤平面雷射散射即NPLS (Nano-tracer Planar Laser Scattering)技術，是一種利用納米粒子作為示蹤粒子的流動結構精細顯示技術，解決了在超聲速或者高超聲速流場中的粒子跟隨性問題，適用於測量高速複雜流場結構。其包括光源系統、成像系統、存儲和控制系統等。其中，光源為雙腔Nd:YAG脈衝雷射器，可在設定的時序下由同步控制器的控制、發出兩束脈寬為6ns的雷射。雷射經光臂和片光透鏡組後形成了厚度小於的片光，並照射到感興趣的流場區域。在超聲速流場中撒播的名義粒徑為IOnm的TiO2納米示蹤粒子，以其良好的跟隨性及光散射特性，能夠準確地跟隨超聲速流場複雜結構、同時有效地散射雷射以提供高信噪比的實驗圖像。解析度為2KX2K的行間傳輸的雙曝光CCD負責圖像的記錄，其雙曝光的時間間隔最短為O. 2 μ S。同步控制器的時間精度為250ps，可根據計算機發出的指令對雷射器與CCD進行同步控制，確保兩束雷射的出光時間與CCD兩次曝光的時間相對應，從而獲得超聲速流場的瞬態圖像。而計算機則負責設置同步器參數、存儲並處理圖像數據。NPLS技術在測量流場平面結構時表現出極好的性能，但是對某些特定的模型，如旋成體模型的表面流場，則無法測量該類曲面的表面流場。

發明內容
本發明目的在於提供一種超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法，以解決現有技術無法顯示旋成體或曲面物體表面的超聲速流場NPLS的精細三維結構的技術問題。為了實現上述目的，本發明提供了一種超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，用於顯示試驗艙內的超聲速流場，該系統包括同步控制器、連接同步控制器並控制同步控制器發出控制信號的計算機及納米粒子發生器，其中納米粒子發生器向試驗艙內撒播納米粒子；連接於同步控制器的脈衝雷射器，脈衝雷射器發出的雷射束通過透鏡組形成曲面光源或圓錐體光源並照亮試驗艙內攜帶納米粒子的超聲速流場；連接於同步控制器的多臺CCD相機，多臺CCD相機同時對超聲速流場成像，從而同時獲得不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並將不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至計算機；計算機分 析不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構。進一步地，脈衝雷射器發射雷射束與多臺CCD相機的曝光是同步的。進一步地，脈衝雷射器的發射端設有光臂；脈衝雷射器發射的雷射束經由光臂導出並照亮超聲速流場。進一步地，光臂的出口處安裝有透鏡組，透鏡組將脈衝雷射器發射的雷射束轉換為曲面光源或圓錐體光源；曲面光源或圓錐體光源覆蓋並照亮超聲速流場。進一步地，曲面光源的厚度不大於O. 5mm,圓錐體光源的半錐角不大於20度。進一步地，多臺CXD相機置於不同的位置，且多臺CXD相機的鏡頭對準超聲速流場；多臺CCD相機同時對試驗艙內超聲速流場成像，從而同時獲得不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像。本發明的另一方面，還提供了一種超聲速流場NPLS三維結構顯示方法，應用上述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，包括如下步驟開啟納米粒子發生器，納米粒子發生器連續地向試驗艙撒播納米粒子；計算機向同步控制器發出第一控制信號，同步控制器接收到第一控制信號後，同時向脈衝雷射器以及多臺CCD相機發出第二控制信號；脈衝雷射器收到同步控制器發出的第二控制信號後立即發射雷射束，雷射束通過透鏡組形成曲面光源或圓錐體光源照亮超聲速流場；此時，多臺CCD相機收到同步控制器發出的第二控制信號後立即同時曝光，從而獲得流場不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像；不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至計算機存儲；計算機分析不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並根據多視成像的原理，對多幅超聲速流場納米粒子圖像進行三維矯正，從而測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構；計算機顯示曲面流場結構或流場的三維結構。進一步地，多臺CCD相機獲得不同視角下的多幅納米粒子圖像後分別存儲於多臺C⑶相機的緩存中。進一步地，多臺C⑶相機將緩存中的不同視角下的多幅納米粒子圖像傳輸至計算機存儲。本發明具有以下有益效果本發明的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法是基於納米粒子示蹤跡及多視成像的原理，能夠實現特定形狀模型表面的流動顯示，從而實現超聲速流場三維結構的體視成像。本發明的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法，具有高時空解析度、高信噪比的優點，且本發明所使用的設備簡單、成本較低、容易操作。除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。



構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖I是根據本發明優選實施例的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統的示意圖；圖2是根據本發明優選實施例的超聲速流場NPLS三維結構顯示方法的流程示意圖；圖3是根據本發明優選實施例的曲面光源的形成示意圖；以及圖4是根據本發明優選實施例的圓錐體光源的形成示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。參見圖I，本發明的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，用於顯示試驗艙10內的超聲速流場，包括納米粒子發生器20、脈衝雷射器30、同步控制器40、多臺CCD相機50及計算機60。試驗艙10包括一段透光部12，該透光部12由光學玻璃圍成，以便於多臺C⑶相機50對試驗艙10內的超聲速流場進行成像。納米粒子發生器20撒播納米粒子。納米粒子發生器20由高壓氣源驅動，且輸出的納米粒子的濃度可通過調節高壓氣源的壓力來實現。納米粒子發生器20的發射口正對試驗艙10的進口端。納米粒子發生器20發射的納米粒子進入試驗艙10，以對試驗艙10內的超聲速流場進行示蹤。脈衝雷射器30的發射端固定有一光臂32。該光臂32向脈衝雷射器30的上方延伸，再彎折延伸至納米粒子的上方，再向納米粒子彎折形成一正對納米粒子出口。該光臂32的出口處安裝有透鏡組34，該透鏡組34將脈衝雷射器30發射的雷射束折射成曲面光源或圓錐體光源342，曲面光源或圓錐體光源342穿過透光部12照射試驗艙10內的攜帶納米粒子的超聲速流場。同步控制器40分別連接脈衝雷射器30、多臺CXD相機50和計算機60。計算機60對同步控制器40發出第一控制信號，再由同步控制器40同時向脈衝雷射器30以及多臺CXD相機50發出第二控制信號。多臺CXD相機50置於不同的位置，且多臺CXD相機50的鏡頭對準試驗模型。在本實施方式中，多臺CCD相機50的鏡頭對準試驗艙10的透光部12，以便於對試驗艙10內的由納米粒子示蹤的超聲速流場進行成像。多臺CCD相機50同時對超聲速流場成像，因此，可以同時獲得該流場不同視角下的多幅納米粒子圖像。在本發明中，脈衝雷射器30發射雷射束與多臺CCD相機50的曝光是同步的。多臺CXD相機50還連接於計算機60，以便於將多臺CXD相機50攝取的不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至計算機60進行存儲。計算機60分析所存儲的不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，根據多視成像的基本原理重構出曲面光源或圓錐體 光源342所 照明的超聲速流場結構，從而能夠顯示出超聲速流場的三維結構。一般地，曲面光源的厚度不大於O. 5mm,圓錐體光源342的半錐角不大於20度。請結合參照圖2，使用本發明的超聲速三維流場結構系統的方法有以下幾個步驟SI :開啟納米粒子發生器20，使納米粒子發生器20不停地向試驗艙10撒播納米粒子。S2 :計算機60向同步控制器40發出第一控制信號。同步控制器40收到第一控制信號後，同時向脈衝雷射器30以及多臺CCD相機50發出第二控制信號。S3 :脈衝雷射器30收到同步控制器40發出的第二控制信號後，立即發射雷射束，雷射束通過透鏡組34形成曲面光源或圓錐體光源342，並照亮超聲速流場。請結合參見圖3和圖4，具體地，脈衝雷射器30收到同步控制器發出的第二控制信號後，雷射腔發出雷射束。雷射束通過光臂32，並經由光臂32的出口處的透鏡組34後形成曲面光源或圓錐體光源342，以照亮納米粒子。曲面光源或圓錐體光源342能通過透光部12照亮風洞試驗艙10內由納米粒子示蹤的超聲速流場，以便於多臺CCD相機50對超聲速流場進行成像。與此同時，多臺CCD相機50收到第二控制信號後同時對超聲速流場成像，以獲得該流場不同視角下的多幅納米粒子圖像。S4 :多臺CCD相機50在完成曝光之後關閉，並將不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像分別存儲於多臺CCD相機50的緩存中。之後，再將緩存中的不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至計算機60中進行存儲。S5 :計算機60分析不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並根據多視成像的原理，對多幅超聲速流場納米粒子圖像進行三維矯正，從而測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構；具體地，由於多臺C⑶相機50置於不同的位置，且多臺C⑶相機50同時對超聲速流場成像，因此，可以同時獲得該流場不同視角下的多幅納米粒子圖像。計算機60分析不同視角下的多幅納米粒子圖像，並對比多臺CCD相機50對標定模板所成的圖像，進行三維畸變矯正後，測量曲面流場結構或重構出超聲速流場的三維結構。S6 :計算機60顯示流場的三維結構。本發明的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法是基於納米粒子示蹤跡及多視成像的原理，能夠實現特定形狀模型表面的流動顯示，從而實現超聲速流場三維結構的體視成像。本發明的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法，具有高時空解析度、高信噪比的優點，且本發明所使用的設備簡單、成本較低、容易操作。以上所述僅為本發明的 優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，用於顯示試驗艙(10)內的超聲速流場，其特徵在於，該系統包括同步控制器(40)、連接所述同步控制器(40)並控制所述同步控制器(40)發出控制信號的計算機(60)及納米粒子發生器(20)，其中 所述納米粒子發生器(20)向所述試驗艙(10)撒播納米粒子； 連接於所述同步控制器(40)的脈衝雷射器(30)，所述脈衝雷射器(30)發出的雷射束通過透鏡組(34)形成曲面光源或圓錐體光源(342)並照亮所述試驗艙(10)內攜帶所述納米粒子的超聲速流場； 連接於所述同步控制器(40)的多臺C⑶相機(50)，所述多臺C⑶相機(50)同時對所述超聲速流場成像，從而同時獲得不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並將所述不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至所述計算機(60 ); 所述計算機(60)分析所述不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構。
2.根據權利要求I所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，其特徵在於，所述脈衝雷射器(30)發射所述雷射束與所述多臺CCD相機(50)的曝光是同步的。
3.根據權利要求2所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，其特徵在於， 所述脈衝雷射器(30)的發射端設有光臂(32)； 所述脈衝雷射器(30)發射的雷射束經由所述光臂(32)導出並照亮所述超聲速流場。
4.根據權利要求3所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，其特徵在於， 所述光臂(32)的出口處安裝有透鏡組(34)，所述透鏡組(34)將所述脈衝雷射器(30)發射的雷射束轉換為曲面光源或圓錐體光源(342)； 所述曲面光源或圓錐體光源(342 )覆蓋並照亮所述超聲速流場。
5.根據權利要求4所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，其特徵在於，所述曲面光源的厚度不大於O. 5mm、圓錐體光源(342)半錐角不大於20度。
6.根據權利要求5所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，其特徵在於 所述多臺C⑶相機(50)置於不同的位置，且所述多臺C⑶相機(50)的鏡頭對準所述超聲速流場； 所述多臺CCD相機(50 )同時對所述超聲速流場成像，從而同時獲得所述不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像。
7.一種超聲速流場NPLS三維結構顯示方法，其特徵在於，應用權利要求I至6中任意一項所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示系統，包括如下步驟 開啟納米粒子發生器(20)，所述納米粒子發生器(20)連續地向所述試驗艙(10)撒播納米粒子； 計算機(60)向同步控制器(40)發出第一控制信號，同步控制器(40)接收到所述第一控制信號後，同時向脈衝雷射器(30)以及多臺CCD相機(50)發出第二控制信號； 所述脈衝雷射器(30)收到所述同步控制器(40)發出的所述第二控制信號後立即發射雷射束，所述雷射束通過透鏡組(34)形成曲面光源或圓錐體光源(342)照亮所述超聲速流場； 此時，所述多臺CCD相機(50)收到所述同步控制器(40)發出的所述第二控制信號後立即同時曝光，從而獲得所述流場不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像；所述不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像傳輸至所述計算機(60)存儲； 所述計算機(60)分析所述不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並根據多視成像的原理，對所述多幅超聲速流場納米粒子圖像進行三維矯正，從而測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構； 所述計算機(60)顯示所述曲面流場結構或所述流場的三維結構。
8.根據權利要求7所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示方法，其特徵在於， 所述多臺CCD相機(50)獲得所述不同視角下的多幅納米粒子圖像後分別存儲於所述多臺C⑶相機(50)的緩存中。
9.根據權利要求8所述的超聲速流場NPLS三維結構顯示方法，其特徵在於， 所述多臺CCD相機(50)將所述緩存中的所述不同視角下的多幅納米粒子圖像傳輸至所述計算機(60)存儲。
全文摘要
本發明提供了一種超聲速流場NPLS三維結構顯示系統及方法。根據該顯示系統，用於顯示試驗艙內的超聲速流場，包括同步控制器、連接同步控制器並控制同步控制器發出控制信號的計算機及納米粒子發生器，其中納米粒子發生器向試驗艙內撒播納米粒子；連接於同步控制器的脈衝雷射器，脈衝雷射器發出的雷射束通過透鏡組形成曲面光源或圓錐體光源並照亮試驗艙內攜帶納米粒子的超聲速流場；連接於同步控制器的多臺CCD相機同時對超聲速流場成像，從而同時獲得不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並將圖像傳輸至計算機；計算機分析不同視角下的多幅超聲速流場納米粒子圖像，並測量曲面流場結構或重構出流場的三維結構。
文檔編號G01M10/00GK102853990SQ20121037774
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者易仕和, 陳植, 何霖, 趙玉新, 田立豐, 朱楊柱 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學