数字彩色图像显示技术测量风洞流场剖析.pptx

数字彩色图像显示技术测量风洞流场; 摘要 ： 光学成像测量技术具有非接触、对流场无干扰的特点，在风洞试验中得到了广泛的应用，而 数字图像处理技术与光学测量技术密不可分。利用图像处理技术来提取和反演试验结果是整个试验的关键环节，避免了人为因素的影响，试验精度得到进一步提高。本文介绍了图像处理技术在风洞 流场 PIV 粒子测速、动压测量和气动热相变热图试验中的应用，并对数字图像处理中的噪声抑制图像增强、目标识别和提取等技术的处理方法进行了详细介绍。;流场 PIV 测速试验 拉格朗日法是研究流体运动的一种基本方 法,采用“质点观点”研究流体运动。 跟随一个 选定的流体质点，观察它在运动过程中空间位 置的变化情况，逐次改变选定的质点，就可以 获得流场内部的运动情况。流体质点的空间位 置 x、y 是独立变量 x0、y0 和 t 的函数, 可以 用下式 表示:  式中: x0与y0是初始位置； t 为时间变量。 根据速度的定义，可以由位置函数求出速度函 数 : ; PIV 技术是拉格朗日法的一种具体实现。实 验人员在流场中均匀散播跟随特性良好的示踪 粒子, 把示踪粒子作为流体质点进行研究。使用 脉冲片光源照射或线光源扫描流场，并用照相机或CCD设备以采样间隔dt采集流场中示踪粒 子的瞬时图像，通过测量某一粒子的影像在两 幅图像上的位置变化，并考虑图像与被测流场 的几何比例系数，根据速度函数，就可以计算 出流场内部该示踪粒子处的流体质点在采样时 刻的瞬时速度。对所有示踪粒子进行相同的处 理，就得到流场在采样时刻的速度分布。速度 函数中的约等号说明，PIV 技术是一种用平均速 度代替瞬时速度的方法，在 dt 足够小的前提下， 实验结果能够很好地反映流场的瞬时运动状态 PIV 粒子测速原理示意图 ;如果 t1 时刻的流场图像表示为： 则t2 = t1+dt时刻的流场图像就可表示为： 其中 n1(x,y)和 n2(x,y)为随机噪声，且与有 效图像函数额 I(x,y)不相关。计算 I1(x,y)、 I2(x,y) 的互相关函数r12,结合相关函数在原点取得大 值的特性，可以得到如下公式： 由此可知，互相关函数的大值所在的位 置对应流场间的相对位移。即质点在时刻 t1 和 t2 之间的位移，进而可以计算出流场的速度。;流场信息提取关键技术 给定一幅图像 f(x,y)，相关问题就是在图像 中寻找与事先给定的子图像（也称掩膜或模板） w(x,y)的相匹配的所有位置。一般情况下，掩膜 比图像本身小的多。寻找匹配的方法是，将掩 膜作为一个空间滤波器来在f(x,y)中的每个位置 计算掩膜与图像的乘积和，佳匹配是在图像 中出现大值的位置。除非 w(x,y)很小，否则上 述方法计算量非常大，一种变通的方法是在频 率域实现相关，即空间相关可以用一个函数的 傅里叶变换与另一个函数的傅里叶变换的复共 轭的乘积的傅里叶逆变换得到。 找到相关函数大值所在的位置即可计算 出流场局部 的速度矢量大小和方向。改变选取掩膜的图像 区域并依次进行相关运算即可获取 整个流场 的速度场。 ;通过研究，可得到如下结论： (1) PIV测量截面内存在法向速度时，会出现透视误差，且以视场中心为圆心呈环状分布； (2) 透视误差的关键影响因素为法向速度分量和离轴角；透视误差的大小与法向速度成比例关系；离轴角决定了透视误差在测量平面内成同心圆分布； (3) 透视误差对测量结果的影响主要体现在3方面：改变流场速度量值大小、改变旋涡形状、改变旋涡的位置； (4) 提出的减小透视误差措施，为PIV在垂直流向截面测量应用中的改进提供了指导意见。;结论 ： 数字图像处理技术完全能够满足风洞试验 的要求，与人工处理相比数字图像处理技术提 取气动参数具有判断依据准确客观，数据准确 可靠，精度高等特点。随着数字图像技术的发 展必将与光学成像测量技术一起在风洞试验测 量中发挥越来越重要的作用 参考文献 1 钟萍等.高超声速流动模拟需求及地面试验能力分析,飞航导 弹,2012(3):20～26 2 张玮雄等.数字图像处理技术的发展现状及趋势,科学之 友,2012,3:153～154 3 孙鹤泉等. DPIV 流场测试技术中的数据处理，2000,40(3):364～ 367 4 孙鹤泉等. 波流实验中的图像处理技术,2004(4