[发明专利]一种高超声速流场三维密度场测量方法

说明书

一种高超声速流场三维密度场测量方法，涉及高超声速流场气动研究领域，包括如下步骤：S1：在停风状态下，利用测量装置对流场进行图像采集，得到静态背景斑点图像；S2：在吹风状态下，再次利用测量装置对流场进行图像采集，得到动态背景斑点图像；S3：采用粒子图像互相关算法解算出静态背景斑点图像和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量；S4：根据费马原理和格拉斯通‑戴尔定律，计算出每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；S5：根据投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场的三维密度场分布。其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场投影数据获取、反投影滤波重构技术，提高流场复杂流动的流场显示及测量能力。

技术领域

本发明涉及高超声速流场气动研究领域，具体而言，涉及一种高超声速流场三维密度场测量方法。

背景技术

高超声速流场测量技术对深入研究各种飞行器绕流流场机理有着重要意义。目前，用于流场密度测量的技术主要包括纹影技术、干涉技术、阴影技术等，多用于流场定性显示，且测量区域受限于光学透镜尺寸限制，光路调节复杂，环境光或流场自发光对测量存在干扰。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高超声速流场三维密度场测量方法，其通过综合使用脉冲激光照明、多方向流场投影数据获取、反投影滤波重构技术，提升高超声速流场复杂流动的流场显示及测量能力，满足日益增长的大尺寸精细化流场测试需求。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高超声速流场三维密度场测量方法，包括如下步骤：

S1：在停风状态下，利用测量装置对流场进行图像采集，得到静态背景斑点图像；

S2：在吹风状态下，再次利用测量装置对流场进行图像采集，得到动态背景斑点图像；

S3：采用粒子图像互相关算法解算出同一方向的静态背景斑点图像和动态背景斑点图像中斑点的位移矢量；

S4：根据费马原理和格拉斯通-戴尔定律，通过计算可获得待测流场的每一个方向的定量折射率场和密度场分布的投影结果；

S5：根据投影结果，采用滤波反投影算法，重构出待测流场的三维密度场分布。

进一步地，测量装置包括脉冲激光光源、导光构件和相机，导光构件和相机对应设置在流场两侧，导光构件传导的光线同相机的光轴重合。

进一步地，多个导光构件和多个相机沿流场周向对应分布，脉冲激光光源发射的多条广光线对应穿过多个导光构件后进入流场，并通过多个相机对应拍摄背景斑点图像，以获得多个静态背景斑点图像和动态背景斑点图像。

进一步地，导光构件包括扩束匀光组件和背景板，相机的光轴垂直于背景板，且背景板具有随机分布的斑点，斑点在相机上成像尺寸为3～5个像素，斑点与背景板互为黑白色；

脉冲激光光源发射的光线经扩束匀光组件后调整为多束均匀的光线照射在背景板上，均匀照明背景板。

进一步地，在S1步骤中，需先调整相邻导光构件的导光方向之间的间隔为18-36°，流场位于相机与背景板之间。

进一步地，在S1步骤中，预先根据流场的尺寸和相机的位置，确定背景板的尺寸；

根据确定的背景板尺寸，选择相机的焦距镜头，并设定斑点成像尺寸像素，确定背景板上的斑点物理尺寸，然后制作背景板。

进一步地，脉冲激光光源对背景板正面照明或背面照明。

进一步地，脉冲激光光源的脉冲宽度为5-100ns；且相机的有效曝光时间与脉冲宽度时间相同，以获取流场的瞬态流场图像。

进一步地，脉冲激光光源通过多个分光构件将光线分别均匀地分散至每个导光构件。