[发明专利]一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法

说明书

一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法，包括下列步骤：纹影视频采集；视频分帧操作与图像选取；折射率梯度计算；rms收敛性判定；计算纹影强度场的均方根分布；分离区大小、位置判定。本发明通过获得超声速流场结构脉动变化水平，实现分离区大小可视化定量测量和位置的判定。

技术领域

本发明涉及超声速流场诊断技术领域，更具体地，涉及一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法。

背景技术

流动分离是超声速流动领域一个及其重要的问题，对于分离区尺寸、位置的判断、预测和诊断有着十分重要的意义。通过非接触式手段实现精准、实时、快速测量流场结构，在航空航天、军事等领域应用广泛。分离区尺寸的测量方法的研究一直是国内外超声速领域的热点问题。非接触式的流场诊断方法一般分为两大类：一类是通过平行光束穿过可压缩超声速流场，光速受到流场密度梯度变化扰动发生偏转，通过接收装置成像，发生偏折的光束在成像面上发生照度的变化，从而得到我们所需要的流场结构，但是密度梯度变化较大的流场结构才能很好的提取，例如激波。这类方法装置结构简单，便于操作。缺点是无法判定低脉动水平结构，例如分离区的尺寸和位置。纹影技术就属于这类方法。另一类是通过在流场中注入纳米级别的示踪粒子，通过纳秒脉冲激光短时间照亮流场，利用示踪粒子在很短时间间隔内的位移来间接的测量流场瞬态速度分布。这类技术具有较高测量精度，可以精确的捕捉超声速流场的全部结构，包括分离区大小，缺点是对示踪粒子的质量、大小、分布、折射率以及均匀性要求很高，测试装置复杂，不便于操作。PIV，激光多普勒测速就属于这类方法。近年来，利用计算机图像后处理技术等手段来处理原始图像获得超声速流动结构分布取得了一定进展。

纹影法是一种进行流场显示和测量的常见方法，能够实现快速的气流可视化，可以作为一种非接触式方法测量超声速流场结构。纹影技术在现代快速发展的数字图像后处理技术的帮助下，在超声速流动分离区的测量中可以作为定量的分析手段。虽然超声速PIV等测试手段测试分离区更为精确，但其建设、维护及保养费用高昂，操作起来十分复杂。在超声速流动实验中，人们往往期望需要及时获得分离区大小并希望快速、直观地观察其现象。因此，设计一种性价比高且操作简单的非接触式纹影测量分离区的实验装置及纹影图片后处理方法更加有意义。

发明内容

本发明为了克服纹影法在定量分析技术上的缺陷，同时避免采用更为昂贵的PIV技术，提供一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法，包括下列步骤：

1.纹影视频采集

高速相机409内部含有嵌入式的视频采集系统，实现剪切移植、多任务并行、实时采集等多项功能；基于PC高性能处理，前端视频数据通过高速局域网络传输至PC端进行采集；PC采集系统通过高速局域网络实现录像数据共享， PC端还包含一个数据分析微机，授权之后可实时观看试验纹影视频；

2.视频分帧操作与图像选取

PC端后处理软件包含视频分帧操作，输出不同时刻的视频片段，并根据需要可以选取输出图像数据量的大小，最终导出图片文件；

3.折射率梯度计算

光束以平行光束的形式穿过压缩拐角流动测试区域，因为流畅测试区域的气流扰动，光束的折射率梯度产生了变化，在对折射率离散分布介质中的光线追迹过程中，所需空间点的折射率及其梯度采用距离加权插值和Barron梯度算子进行求解；求解结果为数字灰度矩阵，最终在高速相机成像显示上为包含流场结构特征的黑白图像；

4.rms收敛性判定

进一步对获得连续纹影图片序列的图像强度进行收敛性分析；I_mean和I_RMS分别为图像强度平均值和图像强度均方根；数据量包含S个样本，残差量其定义为N张图像的图像强度场平均值与N-1张纹影强度场平均值之差的绝对值；