本发明涉及光学流动显示实验技术领域，具体是一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置及方法。
背景技术：
为了推进航空航天技术的不断进步，连续多幅微秒级时间相关的细节流场结构将有助于揭示复杂流场内部各种涡发展的全过程，尤其是超音速湍流附面层，激波串，混合层，激波附面层相互影响等流动力学领域中复杂的流动过程。
目前现有的技术主要有两种：一、利用双腔激光器和跨帧相机进行piv拍摄和npls拍摄，但是采用这种方式的缺点是只能获得每组两张的微秒级时间相关的细节流场图像，不再适用于观测复杂流动过程中涡的生成全过程及非定常特性较强的流场结构；二、采用高速摄像机进行拍摄，采用这种方式虽然能够获得多张微秒级时间相关的细节流场图像，可以观测流场的动态特性，但是限于目前高速摄像机的技术水平在满足时间相关的前提下，拍摄的图像像素分辨率较低(一般只能达到320*320)，难以用于科学研究。
中国专利cn110095246a公开了用于风洞实验中拍摄流场结构的拍摄系统及实验系统，其拍摄装置包括多个跨帧相机，跨帧相机与双腔激光器一一对应设置，每个跨帧相机的输入端均设有用于通过特定波长的光的滤光组件。该技术方案中为了防止第二帧过曝使用了滤光组件等辅助光学器件，大大提高了系统的复杂性，且系统对跨帧相机过于依赖，可替代性和经济性不强，进一步的该系统中没有图像矫正和匹配的功能，拍摄的流场图像与实验系统存在固有光学误差，因此难以保证实验系统的准确性和实验测量的精度和效果。
因此，有必要设计一种新的可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置及方法。
技术实现要素：
本发明针对所要解决的技术问题，提供一种通过多个拍摄单元阵列配合，采用结合图像畸变校准和公共区图像标定的手段，以获得连续多幅微秒级时间相关性的细节流场图像的流场实验装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置，包括：
实验段，用于供气流流动形成伴有示踪粒子的流场；
多腔激光器，设置于所述实验段的上方，用于向所述实验段输出激光脉冲以照明实验段内的流场并使流场内的示踪粒子发出散射光；
拍摄装置，包括布置于实验段观察区前并形成阵列组的多个拍摄单元，多个所述拍摄单元利用所述散射光曝光成像以拍摄所述实验段中的流场图像；
时间同步器，分别连接所述多腔激光器和拍摄装置，用于设置所述多腔激光器和拍摄装置中各拍摄单元的触发时序；
畸变校准板，用于在风洞实验前预先获得所述拍摄装置中不同拍摄单元拍摄流场时图像畸变的像素坐标修正函数f；
公共识别区标定板，用于在风洞实验前预先获得所述拍摄装置中不同拍摄单元拍摄所述流场图像时的互相关区域和缩放平移函数g。
进一步的，所述拍摄装置中的拍摄单元为跨帧相机，或满足预先设置的快门参数和曝光需求的ccd相机，其中，阵列中拍摄单元的数量为2至9个，通过标签依次对每个拍摄单元进行编号，所述拍摄单元的快门均为全局快门，且曝光时间为1至3微秒。
进一步的，时间同步器设置所述多腔激光器输出激光脉冲的时间间隔为0.6至5微秒。
进一步的，所述畸变校准板具有校准图像，所述校准图像为一个直径为d的圆和多个位于所述圆的圆心处以2i*2i方式阵列排列且边长均为a的正方形，其中，i为个数，所述圆用于修正所述流场图像的径向变形，所述正方形用于修正所述流场图像的梯度畸变和平行度。
进一步的，所述校准图像的线条宽度范围是0.05mm～0.15mm，所述i的取值范围是1～5内的整数。
进一步的，所述公共识别区标定板具有标定图像，所述标定图像为边长宽度是d的矩形和多个位于所述矩形的内部以j*j方式阵列排列的圆点，其中j为个数。
进一步的，所述矩形的边长宽度d的范围是5～10mm，所述圆点的直径范围是2～5mm，所述j的取值范围是3～10内的整数。
进一步的，所述实验段的构型为外流流场、矩形截面流场、圆形内截面流场中的任意一种。
本发明还提供一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验方法，包括以下步骤：
s1，将畸变校准板插入实验段中，拍摄装置中的多个拍摄单元同时对畸变校准板拍摄一张基准图片，获得图片a；根据畸变校准板的尺寸值a和d，对图片a进行修正，获得每个拍摄单元的图像畸变的像素坐标修正函数f；
s2，将公共识别区标定板插入实验段中，拍摄装置中的多个拍摄单元同时对公共识别区标定板拍摄一张基准图片，获得图片b；根据公共识别区标定板的边界区域和圆点圆心坐标相对位置，并结合图像畸变的像素坐标修正函数f获得拍摄装置中不同拍摄单元各自的互相关区域和缩放平移函数g；
s3，通过时间同步器设置所述多腔激光器和拍摄装置中多个拍摄单元的触发时序，每个拍摄单元的拍摄时间与多腔激光器中对应腔的激光时间步一一对应；
s4，结合所述畸变校准板获得的图像畸变的像素坐标修正函数f和所述公共识别区标定板获得的互相关区域和缩放平移函数g分别修正每个拍摄单元拍摄获得的流场图像，获得连续多幅微秒级时间相关性的细节流场图像。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
s1，将畸变校准板插入实验段中，拍摄装置中的多个拍摄单元同时对畸变校准板拍摄一张基准图片，获得图片a；根据畸变校准板的尺寸值a和d，对图片a进行修正，获得每个拍摄单元的图像畸变的像素坐标修正函数f；
s2，将公共识别区标定板插入实验段中，拍摄装置中的多个拍摄单元同时对公共识别区标定板拍摄一张基准图片，获得图片b；根据公共识别区标定板的边界区域和圆点圆心坐标相对位置，并结合图像畸变的像素坐标修正函数f获得拍摄装置中不同拍摄单元各自的互相关区域和缩放平移函数g；
s3，通过时间同步器设置所述多腔激光器和拍摄装置中多个拍摄单元的触发时序，每个拍摄单元的拍摄时间与多腔激光器中对应腔的激光时间步一一对应；
s4，结合所述畸变校准板获得的图像畸变的像素坐标修正函数f和所述公共识别区标定板获得的互相关区域和缩放平移函数g分别修正每个拍摄单元拍摄获得的流场图像，获得连续多幅微秒级时间相关性的细节流场图像。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
一、本发明采用多个拍摄单元阵列，每个拍摄单元在多腔激光器中对应腔中均曝光一次，这种方法既克服了跨帧相机每次只能完成两张照片的拍摄且第二帧曝光时间不可控的弊端，同时也克服了高速摄像机在微秒时间间隔中拍摄分辨率低下的问题，本方法每一帧采集的图像都可以达到1000万像素分辨率，且拍摄单元价格便宜来源渠道广泛；通过增加拍摄装置中的拍摄单元数量，可以增加每组实验时间相关流场图像的数量，更有利分析流动机理和发展过程。
二、本发明采用畸变校准板在风洞实验前预先修正由于流场与拍摄装置中多个拍摄单元位置之间距离和角度导致的图像畸变，采用公共识别区标定板在风洞实验前预先获得拍摄装置中不同拍摄单元各自捕获的互相关区域；并通过畸变校准板和公共识别区标定板的结合将拍摄的流场图像中实验系统的固有光学误差定量化给予修正，从而提高了本发明装置及方法的准确性和实验测量的精度和效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明所述一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置的整体结构图；
图2是本发明所述畸变校准板的结构示意图；
图3是本发明所述公共识别区标定板的结构示意图；
图4是本发明所述计算机设备的内部结构图；
1、多腔激光器；2、时间同步器；3、拍摄装置；4、畸变校准板；5、公共识别区标定板；6、实验段；11、导光臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
实施区域：圆形内截面流场；实验目的：实现2d平面的流场拍摄。
如附图1所示的一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置，适用于进行精细的湍流及流动过程光学实验，揭示常规方法难以分析的复杂流动机理，主要包括实验段6以及多腔激光器1、拍摄装置3、时间同步器2、畸变校准板4、公共识别区标定板5。
更具体的，所述实验段6用于供气流流动形成伴有示踪粒子的流场；所述多腔激光器1设置于所述实验段6的上方，用于向所述实验段6输出激光脉冲以照明实验段6内的流场并使流场内的示踪粒子发出散射光，多腔激光器1上的导光臂11可以延伸至实验段6的窗口处并对准窗口；所述拍摄装置3包括布置于实验段6观察区前并形成阵列组的多个拍摄单元，在本实施例中，拍摄单元阵列为一组，用于利用所述散射光曝光成像拍摄所述实验段6中的流场图像；所述时间同步器2分别连接所述多腔激光器1和拍摄装置3，用于设置所述多腔激光器1和所述拍摄装置3中多个拍摄单元的触发时序；所述畸变校准板4用于在风洞实验前预先获得所述拍摄装置3中多个拍摄单元拍摄所述流场图像时图像畸变的像素坐标修正函数f；所述公共识别区标定板5用于在风洞实验前预先获得所述拍摄装置3中多个拍摄单元拍摄所述流场图像时的互相关区域和缩放平移函数g。
作为优选，所述拍摄装置3中拍摄单元为满足预先设置的快门参数和曝光需求的ccd相机，各所述ccd相机与待测流场之间不需要滤光组件等其他用于协助遮光和完成曝光的光学器件，大大降低了系统的复杂性。在本实施例中的阵列中所述ccd相机的数量为4个，并通过标签依次编号为1，2，3，4。各所述ccd相机的快门均为全局快门且曝光时间为1至3微秒；所述多腔激光器1相邻腔体激光触发的时间间隔为0.6至5微秒。采用多个所述ccd相机阵列，每个ccd相机在多腔激光器中对应腔中均曝光一次，克服了跨帧相机每次只能完成两张流场图像的拍摄且第二帧曝光时间不可控的弊端；通过增加拍摄装置3中的ccd相机数量，可以增加每组实验时间相关流场图像的数量，更有利分析流动机理和发展过程。
在本发明的另一个实施例中，所述拍摄装置3中拍摄单元为跨帧相机，数量为2至9个并通过标签依次对每个拍摄单元进行编号，但是跨帧相机的价格较贵，适用于要求更高的场景。
在本实施例中，如附图2所示，所述畸变校准板4具有校准图像，所述校准图像为一个直径为d的圆和多个位于所述圆的圆心处以2*2方式阵列排列且边长均为a的正方形，直径d为圆形截面内径，其中，所述圆用于修正所述流场图像的径向变形，所述正方形用于修正所述流场图像的梯度畸变和平行度；所述校准图像的线条宽度应尽可能细，以所述拍摄单元能够识别为准，具体范围是0.05mm～0.15mm，进一步优选为0.05mm。
在本发明的另一些实施例中，所述正方形以4*4，6*6，8*8，10*10的方式阵列排列在所述圆的圆心处。
在本实施例中，如附图3所示，所述公共识别区标定板5具有标定图像，所述标定图像为边长宽度是d的矩形和多个位于所述矩形的内部以3*3方式阵列排列的圆点；矩形的长宽边长根据流场实际观察区选择，所述矩形的边长宽度d的范围是5～10mm，所述圆点的直径范围是2～5mm。
在本发明的另一些实施例中，所述圆点以4*4，5*5，6*6，7*7，8*8，9*9，10*10的方式阵列排列在所述矩形的内部。
如图2所示，由于畸变校准板4的坐标及长度关系已知，通过拍摄畸变校准板4可以很方便的获得实际流场图像与畸变校准板4之间的差异。以实验观察区为圆管内部流场为例，我们认为圆管由于在y轴方向具有曲率变形，因此会产生y方向的畸变，x方向由于没有弧度的变化，变形可以忽略。基准图片的像素坐标点矩阵为[x1,y1]，且
实际拍摄后，获得图形像素坐标点为[x1,y2]，为了达到校正畸变目的
[y1]＝[y2]×f(x1)，由此可以求出f(x)，利用函数拟合法定义f(x)为6次多项式展开，即
通过求解方程的最小方差，可求解出常数α,β,γ,δ,ε,
与此类似，若相关方向都存在畸变变形，就有函数f1(x)和f2(y)方法与示例类似。
如图3所示，先通过灰度值和图像识别，各拍摄单元识别出图中的黑框，并且由于黑框是矩形，利用图像处理工具对所述流场图像进行变形修正，随后再对图像中9个圆点的像素坐标进行求解，以中心拍摄单元的像素坐标点为基准，其余拍摄单元均以此为基准对图像进行平移操作，其中对于像素横坐标的函数g1(x)＝μx+ν，像素纵坐标的函数
实施例二
本发明在实施例一的基础上还提供一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验方法，也即实施例一的使用过程，包括以下步骤：
s1，实验开始前，将畸变校准板4插入实验段6中，拍摄装置3中的多个拍摄单元同时对畸变校准板4拍摄一张基准图片，获得图片a；根据畸变校准板4内部明确的尺寸值a和d，对图片a进行修正，获得每个拍摄单元的图像畸变的像素坐标修正函数f；
s2，实验开始前，将公共识别区标定板5插入实验段6中，拍摄装置3中的多个拍摄单元在对畸变校准板4拍摄一张基准图片后，再分别对公共识别区标定板5拍摄一张基准图片，获得图片b；根据公共识别区标定板5内部明确的边界区域和多个圆点圆心坐标相对位置，并结合图像畸变的像素坐标修正函数f获得拍摄装置3中不同拍摄单元各自的互相关区域和缩放平移函数g；
s3，正式实验时，通过时间同步器2设置所述多腔激光器1和拍摄装置3中各拍摄单元的触发时序，每个拍摄单元的拍摄时间与多腔激光器1中对应腔的激光时间步一一对应，保证拍摄单元均在多腔激光器1发出前200～800纳秒发出，拍摄单元曝光时间1至3微秒，相邻腔体激光触发时间间隔0.6至5微秒；
s4，拍摄结束后，结合所述畸变校准板4获得的图像畸变的像素坐标修正函数f和所述公共识别区标定板5获得的互相关区域和缩放平移函数g分别修正每个拍摄单元拍摄获得的流场图像，从而获得连续多幅微秒级时间相关性的细节流场图像。
本发明提供的一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置及方法采用畸变校准板在风洞实验前预先修正由于流场与拍摄装置中多个拍摄单元位置之间距离和角度导致的图像畸变，采用公共识别区标定板在风洞实验前预先获得拍摄装置中不同拍摄单元各自捕获的互相关区域；并通过畸变校准板和公共识别区标定板的结合将拍摄的流场图像中实验系统的固有光学误差定量化给予修正，从而提高了本发明装置及方法的准确性和实验测量的精度和效果；通过多个拍摄单元和图像标定的方法，较采用高速摄像机的方法，清晰度更高，精度更精确。
实施例三
实验区域：外流流场；实验目的：实现2d平面的流场拍摄。
如附图1至3所示的一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置，包括实验段6以及多腔激光器1、拍摄装置3、时间同步器2、畸变校准板4、公共识别区标定板5。
与实施例一的区别在于，畸变校准板4的直径d覆盖外流场全部实验区域以适应外流流场的实验需要，其他部分和使用过程与实施例一相同。
实施例四
实验区域：矩形截面流场；实验目的：实现3d流场拍摄。
如附图1至3所示的一种可获得连续多幅微秒级时间相关的流场实验装置，包括实验段6以及多腔激光器1、拍摄装置3、时间同步器2、畸变校准板4、公共识别区标定板5。
与实施例一的区别在于，拍摄单元阵列为2～4组，每个拍摄单元阵列组与流场观察区所成角度不同，距离尽量保持一致，既可进行2d平面的流场拍摄，也可进行3d流场的拍摄，其他部分和使用过程与实施例一相同。
实施例五
如附图4所示，本发明在实施例二的基础上还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例二所述方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。