Piv流场速度修正方法
【专利摘要】一种PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差。所述方法先利用PIV系统对一个空的风洞在实验速度下进行速度场测量，以此获得每个位置所对应的实验速度下的偏差值。然后，将实验物体置于风洞中用实验速度进行吹风，同样利用PIV系统测量获得整个风洞流场的速度，将此时获得的速度减掉空风洞中测量获得的每个位置的偏差值，基本上就可以消除掉测量偏差了。本发明的PIV流场速度修正方法无需对现有PIV系统以及风洞等试验设备进行任何调整，仅仅在实验之前对着空风洞利用PIV系统测量一遍即可获得畸变速度偏差值，也就可以利用这个偏差值对测量结果进行修正。
【专利说明】PIV流场速度修正方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种PIV流场速度修正方法，用于飞机风洞试验过程中，修正Piv系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差。
【背景技术】
[0002]风洞试验是空气动力学研究的基本手段之一，其依据空气动力学原理，
[0003]将飞机模型或其部件固定在风洞中，通过施加人工气流流过飞机模型，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。采用颗粒示踪和图像处理的方法测量风洞试验的流场速度已得到广泛的应用。
[0004]粒子成像测速(Particle Image Velocimetry)又称粒子图像测速法,是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外Piv技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。
[0005]PIV技术在本质上是图象分析技术的一种，它采用两个时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用摄像机将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，利用计算机进行图象处理得到速度场的信息。其中，现有技术文献《PIV的原理与应用》(《水道港口》2002年OI期，孙鹤泉等)中，对PIV技术的原理进行了详细的描述，在此弓I用作为参考。另外，为了获得流场的三维速度信息，现有技术文献《三维粒子图像测速(3D-PIV)实验装置的研制》(《实验技术与管理》2005年01期，罗鹏等)中，对于PIV技术也进行了深入的讲解，同样在此引用作为参考。
[0006]本领域技术人员基于上述现有技术所公开的内容应当很容易理解本发明的基础，因此关于PIV技术的原理部分不再详细描述。
[0007]然而，同样基于现有技术，现有技术文献《PIV流场量测中图像变形的修正》(《泥沙研究》2001年05期，禹明忠等)中提到了 PIV技术存在的一个问题，即由于PIV技术需要利用摄像机来记录流场图像，无论摄像机的摄像头的精度有多高，其不可避免会存在镜头畸变，尤其是对于风洞实验来说，摄像机镜头只能设置在风洞内部或风洞出口附近，因此无论镜头的广角多大，距离镜头光轴较远部分的图像畸变会非常严重，因此获得的全流场速度信息偏差会比较大，对于空气动力学研究十分不利。
[0008]针对上述问题，该现有技术基于图像处理技术提供了一种实验方法，以此消除由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差。然而上述方法需要布置相应的实验进行精密的调整，然后针对PIV系统过程中的图片计算出畸变数值进行校正，虽然精度较高，但是前期的实验布置、调整工作相对繁琐，对于精度的要求也很高，并且该实验方法还需要对PIV系统进行改动，对于实验来说仍然是很不方便。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题是提供一种PIV流场速度修正方法，以减少或避免前面所提到的问题。
[0010]为解决上述技术问题，本发明提出了一种PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正Piv系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差，所述方法包括如下步骤:
[0011]步骤(A):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述Piv系统测量获得整个风洞流场的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度；
[0012]步骤(B):将所述第二速度减去所述第一速度，其结果定义为该位置P处对应于所述第一速度的畸变速度偏差值；
[0013]步骤(C):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度；
[0014]步骤(D):将所述第三速度减去所述对应于所述第一速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
[0015]另外，本发明还提供了另外一种更精确的PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差，所述方法包括如下步骤:
[0016]步骤(E):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到不同的速度Vn，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场对应于不同速度Vn的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度；
[0017]步骤(F):将所述第二速度减去所述速度Vn，其结果定义为该位置P处对应于所述速度Vn的畸变速度偏差值；以不同的速度Vn为横轴，以对应于该速度Vn的畸变速度偏差值为纵轴，拟合一条对应于该位置P的不同速度Vn下所对应的畸变速度偏差值的曲线；
[0018]步骤(G):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度；
[0019]步骤(H):对应于所述位置P处的所述曲线上的第三速度，获得该曲线上对应于位置P的所述第三速度的畸变速度偏差值，将所述第三速度减去对应于所述第三速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
[0020]本发明的PIV流场速度修正方法无需对现有PIV系统以及风洞等试验设备进行任何调整，仅仅在实验之前对着空风洞利用PIV系统测量一遍即可获得畸变速度偏差值，也就可以利用这个偏差值对测量结果进行修正。另外，只要风洞的结构不发生变化，PIV系统的摄像机镜头位置不变，利用空风洞测量获得的畸变速度偏差值就是固定的，可以应用于今后的实验过程中对测量结果进行修正。
【具体实施方式】
[0021]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0022]本发明涉及一种PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差。不同于现有技术的是，本发明的PIV流场速度修正方法无需设置新的实验设备进行校正，而且也不需要对现有PIV系统进行任何调整。也就是说，本发明的方法，可以将PIV系统看作是个黑匣子，不用管其工作原理，只需要利用该Piv系统，并对其输出结果进行处理即可。亦即，本发明所述的方法中，可以采用任何一种现有的PIV系统测量流场速度，所述PIV系统至少包括一个片光源，一个用于PIV测量的摄像机，同步器，图像分析系统以及计算机等，本领域技术人员可以参照【背景技术】部分所列举的PIV系统进行理解。
[0023]本发明的上述PIV流场速度修正方法简单的来说，就是先利用PIV系统对一个空的风洞在实验速度下进行速度场测量，由于风洞中没有任何物品，因此风洞流场中每个位置P处的速度应该是完全相同的，都等于风洞的实验速度。然而，由于PIV系统的摄像机镜头畸变是不可避免的，因此，通过PIV系统测量获得的整个风洞流场的速度必然会存在畸变速度偏差。我们用PIV系统测量获得的每个位置P处的速度与风洞流场的实际速度相减就会发现，没有畸变的地方，速度差为零，而存在畸变的地方，速度差就不会为零，我们将每个位置P处的这个速度差记录下来，就可以获得每个位置P所对应的实验速度下的偏差值。
[0024]然后，将实验物体置于风洞中用实验速度进行吹风，同样利用PIV系统测量获得整个风洞流场的速度，因为畸变的存在，这时测量获得的速度肯定也是有偏差的，我们只要将此时获得的速度，减掉空风洞中测量获得的每个位置P的偏差值，基本上就可以消除掉测量偏差了。
[0025]因此，根据本发明的一个具体实施例的一种Piv流场速度修正方法归纳表述如下，所述方法包括如下步骤:
[0026]步骤(A):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述Piv系统测量获得整个风洞流场的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度；
[0027]步骤(B):将所述第二速度减去所述第一速度，其结果定义为该位置P处对应于所述第一速度的畸变速度偏差值；
[0028]步骤(C):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度；
[0029]步骤(D):将所述第三速度减去所述对应于所述第一速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
[0030]从本实施例的上述表述来看，本发明的PIV流场速度修正方法无需对现有PIV系统以及风洞等试验设备进行任何调整，仅仅在实验之前对着空风洞测量一遍即可获得畸变速度偏差值，也就可以利用这个偏差值对测量结果进行修正。另外，只要风洞的结构不发生变化，PIV系统的摄像机镜头位置不变，利用空风洞测量获得的畸变速度偏差值就是固定的，可以应用于今后的实验过程中对测量结果进行修正。
[0031]当然，本发明的上述方法也有一定的局限性。具体表现在，上述方法所获得的畸变速度偏差值是对应于实验速度(第一速度)的，如果实验速度发生改变，则对应的畸变速度偏差值会发生改变，也就不能用了。另外，在将实验物品放置到风洞中之后，虽然实验速度跟空风洞中是一样的，但是实验物品所造成的气流变化会导致整个风洞流场的速度有高有低，也就是说，风洞流场的速度等于实验速度的位置，对应于实验速度下的畸变速度偏差值还是可以使用的，而风洞流场的速度大于或者小于实验速度的位置，对应于该位置的风洞流场的速度下的畸变速度偏差值应该是不一样的，如果还是用实验速度下的畸变速度偏差值进行修正，只能说是一种可以接受的近似的修正方法，毕竟还是不十分精确的。
[0032]基于上述实施例的局限性，本发明提供了另一个优选实施例的PIV流场速度修正方法。该方法与前述实施例的PIV流场速度修正方法的主要区别体现在获得畸变速度偏差值的步骤中。
[0033]简单来说，在空风洞实验过程中，不再是仅仅针对实验速度进行速度场测量，而是针对实验过程中可能存在的速度范围进行吹风，通过一系列实验速度下的PIV测量，可以获得同一位置P处对应于不同速度下的畸变速度偏差值。当然，对于实验来说，不可能做到对无数个实验速度进行吹风，只能对某些实验数据进行吹风获得对应速度下的畸变速度偏差值，之后可以对每个位置P处的不同速度下的畸变速度偏差值拟合曲线，从而获得该位置P处的连续的不同实验速度下的畸变速度偏差值。可以想象一下，通过上述实验处理，对应于风洞中的每个位置P，都可以获得任意速度下的畸变速度偏差值，将这些数据存储起来，今后任何一种速度下的风洞实验，都可以利用这些畸变速度偏差值进行结果修正。
[0034]后面的过程与第一个实施例中有些类似，不同的是，当实验物品放置到风洞中之后，已经不需要严格按照某个特定的实验速度(第一速度)进行吹风了。也就是无论吹风速度以及风洞流场中各个位置P处的速度是多少，由于每个位置P处对应于任意速度下的畸变速度偏差值都已经计算并存储起来了，因此当实验中获得了速度场之后，针对每个位置P的测量速度，将该速度下对应的畸变速度偏差值减去就获得了该位置此时的精确测量结果了。
[0035]因此，根据本发明的另一个优选实施例的一种Piv流场速度修正方法归纳表述如下，所述方法包括如下步骤:
[0036]步骤(E):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到不同的速度Vn，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场对应于不同速度Vn的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度；
[0037]步骤(F):将所述第二速度减去所述速度Vn，其结果定义为该位置P处对应于所述速度Vn的畸变速度偏差值；以不同的速度Vn为横轴，以对应于该速度Vn的畸变速度偏差值为纵轴，拟合一条对应于该位置P的不同速度Vn下所对应的畸变速度偏差值的曲线；
[0038]步骤(G):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度；
[0039]步骤(H):对应于所述位置P处的所述曲线上的第三速度，获得该曲线上对应于位置P的所述第三速度的畸变速度偏差值，将所述第三速度减去对应于所述第三速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
[0040]从本实施例的上述表述来看，本发明的PIV流场速度修正方法除了具备第一个实施例的优点外，还可以应用于任意不同的实验速度下的速度偏差修正，而且对应的修正结果更精确。
[0041]另外，本实施例所获得的畸变速度偏差值是针对整个风洞任意速度范围的，只要进行一次不同实验速度下的空风洞PIV测量，就可以获得风洞中的每个位置P任意速度下的畸变速度偏差值，这些数据存储起来后可以应用于今后的任何一种速度下的风洞实验结果的修正。
[0042]本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
[0043]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤(A):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度； 步骤(B):将所述第二速度减去所述第一速度，其结果定义为该位置P处对应于所述第一速度的畸变速度偏差值； 步骤(C):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的第一速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度； 步骤(D):将所述第三速度减去所述对应于所述第一速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
2.—种PIV流场速度修正方法，用于风洞试验过程中，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量偏差，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤(E):在风洞中没有放置任何物品的情况下，调整风洞中流场速度达到不同的速度vn,通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场对应于不同速度Vn的第一速度场，所述第一速度场中每个位置P的速度定义为第二速度； 步骤(F):将所述第二速度减去所述速度Vn，其结果定义为该位置P处对应于所述速度Vn的畸变速度偏差值；以不同的速度Vn为横轴，以对应于该速度Vn的畸变速度偏差值为纵轴，拟合一条对应于该位置P的不同速度Vn下所对应的畸变速度偏差值的曲线； 步骤(G):在所述风洞中放置实验物品，调整风洞中流场速度达到风洞实验要求的速度，通过所述PIV系统测量获得整个风洞流场的第二速度场，所述第二速度场中每个位置P的速度定义为第三速度； 步骤(H):对应于所述位置P处的所述曲线上的第三速度，获得该曲线上对应于位置P的所述第三速度的畸变速度偏差值，将所述第三速度减去对应于所述第三速度的畸变速度偏差值，即可获得所述位置P所对应的修正后的流场速度。
【文档编号】G01M9/02GK103674470SQ201310723378
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】黎军, 赵霞, 李晨, 王孜孜, 宗宁, 韩江旭, 金栋林, 王木国 申请人:中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所, 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所