子跨帧图像对中CCD相机在曝光t+At时刻 记录下的示踪粒子图像，记为set2。
[0056] B、setl与set2中的图像匹配；
[0057] 以灰度强度显示setl中每幅图像中的每一个示踪粒子，并采用单像素系综互相 关方法，在set2中找到与setl中图像对应的图像中的示踪粒子进行匹配，具体方式为：
[0058] 令示踪粒子跨帧图像对中，setl中的示踪粒子跨帧图像中像素点坐标为（i，j)， set2中对应的像素点邻域内相距坐标（Ar，As)的像素点坐标为（i+Ar，j+As)，如图2 所示；
[0059] 则全部Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数用公式表示为：
[0060]
[0061] 式中，仏和分别为第n个示踪粒子跨帧图像对中位于setl中图像与set2 中图像像素点的灰度值；^和是Nf个示踪粒子跨帧图像对中位于setl中图像与set2中图像像素点的灰度强度系综平均值，〇表示灰度强度的标准差：
[0062]
[0063] 得到Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数之后，利用互相关算法找到系综 相关函数RAl%As(i，j)的峰值，即为setl中位于像素点（i，j)的示踪粒子在set2中对应 示踪粒子间的时间平均空间位置。为了提高精度，采用二维高斯回归方法将系综相关函数 R&As(i，j)的峰值的识别精度提高到亚像素量级。由此可以得到示踪粒子在setl和set2 间的位移，即示踪粒子在t时刻与t+At时刻间的位移。最后，由于跨帧时间At已知，由此 可得到示踪粒子的运动速度；且利用中心差分法可以得到某一法向高度y处的速度梯度。
[0064] 步骤6 :根据牛顿内摩擦定律计算出飞行器模型表面的摩擦阻力。
[0065] 摩擦应力是单位面积上的摩擦阻力，二者之间关系是摩擦应力乘以面积等于摩擦 阻力。
[0066] 如图3所示，摩擦应力计算公式为：
[0067] C4)
[0068] 其中，y为流体的动力粘性系数，￥为飞行器模型中需要进行摩擦阻力测量的表 面近壁区平均流向速度的法向梯度，表示单位法向高度上速度的变化，如图3所示；u为流 场速度，y是飞行器模型中需要进行摩擦阻力测量的表面外法线坐标。
[0069] 上述方法求得的摩擦应力是单位面积上的摩擦阻力，二者之间关系是摩擦应力乘 以面积等于摩擦阻力。
[0070] 本发明中采用的单像素系综相关算法区别于一般PIV互相关算法的地方是：牺牲 时间分辨率来换取更高的空间分辨率，故而单像素系综相关算法只能在每一个像素上获得 时间平均速度。
[0071] 实施例：
[0072] 以零压力梯度下典型二维湍流边界层为例，通过对比单像素系综相关算法与传统 相关算法在计算边界层的速度误差，来说明单像素系综相关算法在计算近壁区速度场时具 有更高的精度和空间分辨率。
[0073] 本例模拟了低速风洞1实验中自由来流速度U" =lOm/s的二维湍流边界层。如 图4所示，给出了其流向平均速度分布U+(y+)和流向速度脉动强度分布1!_+(7+)的理论值。 如图5所示为给出低速风洞试验中测量得到的典型粒子图像。
[0074] 利用单像素系综相关算法和传统PIV互相关算法处理图像以得到速度场，图6a所 示为两种方法计算的速度绝对误差的法向分布，厂是流向平均速度在不同法向高度上的平 均。传统PIV互相关算法查询窗口尺寸为32X32像素，重叠率为50 %，速度估计误差在|气_ | 在〇. 04像素附近。而单像素系综相关算法计算得到的从壁面处的〇. 〇〇5像素增加到/ =5处的0. 025像素，可见后者对近壁区速度型的估计精度更高。单像素系综相关算法的 不确定度可用平均速度的测量不确定度（随机误差）来表征，如图6b所示，对比速度脉动 型u"s+(y+)可以发现，测量不确定度与速度脉动水平呈正相关，由于在真实的湍流流动中， 近壁区的湍流强度相对较小，所以测量不确定性的影响并不明显。
[0075] 图7为两种方法计算出的壁面摩擦阻力系数相对误差的对比，可以看出，传统PIV 互相关算法得到的|erf|约为0.1%，且与跨帧粒子图像对的样本数量无关。单像素系综相 关算法对样本数量的依赖性较强，样本空间数量时速度估算的不确定度较大，但当跨帧图 像对样本超过2000对后，单像素系综相关算法的摩擦阻力测量误差|erf|即已经小于传统 PIV互相关算法；而当样本数量的达到10000对时，|erf |减小到约为0. 01 %，即摩擦阻力测 量精度提高一个量级。由此证实，本发明所使用的测量仪和单像素系综相关算法，能够显著 提高壁面摩擦力的测量精度。
[0076] 以上实施例说明，本发明测量仪和单像素系综相关算法，在测量近壁面平均速度 上具有很高的精度，从而能够显著提高壁面摩擦力的测量精度。相比于传统PIV方法，摩擦 阻力的测量精度提高一个量级。
[0077] 针对上述方法本发明还提出一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，包括风洞 1、激光器2、片光系统3、C⑶相机4、同步控制器5与计算机6,如图8所示。
[0078] 其中，风洞1用来产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情 况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象，它是进行空气动力实验最常用、最 有效的工具之一。激光器2采用双脉冲Nd:YAG激光器2,激光器2的发射端安装有片光系 统3,片光系统3用来将激光器2发射的激光束扩散成片光。由于需测量流向平均速度沿飞 行器模型表面外法线方向分布，因此片光应与流场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需 要进行摩擦阻力测量的表面。CCD相机4是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信 号，并存入计算机6。由于边界层厚度尺寸较小，粒子浓度相对较低，为了拍摄到分辨率较高 的图像，CCD相机4选择NikonAF-SVR105mmf/2. 8GIF-ED长焦微距镜头，使CCD相机4 的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机4采集一定时间内沿飞行器模型需要进行摩擦阻 力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒子7的跨帧图像对，转变成数字信号并存入 控制计算机6。同步控制器5具有三个接口，分别通过连接线与激光器2、C⑶相机4以及 计算机6相连接。通过同步控制器5接收计算机6发送的数字信号，同时用来触发CCD相 机4和激光器2工作，使得CCD相机4可在双曝光模式下采集示踪粒子7的跨帧图像对。
【主权项】
1. 一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法，其特征在于：通过下述步骤实现： 步骤1:在流场中播撒示踪粒子； 步骤2 :照明流场； 步骤3 :待流场稳定； 步骤4 :采集示踪粒子跨帖图像对； 对于典型风桐试验，采样时间需要超过2分30秒，采集的粒子跨帖图像对需要超过 2000对海对示踪粒子跨帖图像对为t与t+At时刻记录下的粒子图像，At为跨帖时间； 步骤5 :对步骤4得到示踪粒子跨帖图像对进行处理，采用单像素系综互相关算法得到 模型表面近壁区平均流向速度场及速度梯度； A、 对粒子跨帖图像对进行分组； 将步骤4中采集的全部示踪粒子跨帖图像对分开成两个组，第一组图像为每对示踪粒 子跨帖图像对中在t时刻记录下的示踪粒子图像，记为setl;第二组图像为每对示踪粒子 跨帖图像对中在t+At时刻记录下的示踪粒子图像，记为set2 ; B、setl与set2中的图像匹配； W灰度强度显示setl中每幅图像中的每一个示踪粒子，并采用单像素系综互相关方 法，在set2中找到与setl中图像对应的图像中的示踪粒子进行匹配，具体方式为： 令示踪粒子跨帖图像对中，setl中的示踪粒子跨帖图像中像素点坐标为（i，j)，set2 中对应的像素点邻域内相距坐标（Ar，As)的像素点坐标为（i+Ar，j+As); 则Nf个示踪粒子跨帖图像对的系综相关函数用公式表示为：式中，和分别为第n个示踪粒子跨帖图像对中位于setl中图像与set2中图 像像素点的灰度值；和4,^,是Nf个示踪粒子跨帖图像对中位于setl中图像与set2 中图像像素点的灰度强度系综平均值，0表示灰度强度的标准差：得到Nf个示踪粒子跨帖图像对的系综相关函数之后，利用互相关算法找到系综相关函 数R&f,&S(i，j)的峰值，进而得到示踪粒子在setl和set2间的位移，最终得到示踪粒子的 运动速度，且利用中屯、差分法得到某一法向高度y处的速度梯度； 步骤6 :根据牛顿内摩擦定律计算出飞行器模型表面的摩擦阻力。2. 如权利要求1所述一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法，其特征在于：所述步 骤1中示踪粒子直径为3~4像素。3. 如权利要求1所述一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法，其特征在于：所述步 骤4中示踪粒子在跨帖时间内移动的像素大小小于10个像素。4. 如权利要求1所述一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法，其特征在于：步骤5 的B中，采用二维高斯回归方法将系综相关函数j)的峰值的识别精度提高到亚像 素量级。5.针对权利要求1所述高精度非接触气动摩擦阻力测量方法的测量装置，其特征在 于：包括风桐、激光器、片光系统、CCD相机、同步控制器与计算机； 其中，风桐用来产生并且控制气流；激光器的发射端安装有片光系统，片光系统用来将 激光器发射的激光束扩散成片光；片光与流场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需要进 行摩擦阻力测量的表面；CCD相机的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机采集一定时间内 沿飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒子的跨帖图 像对，转变成数字信号并存入控制计算机；同步控制器具有=个接口，分别通过连接线与激 光器、CCD相机W及计算机相连接；通过同步控制器接收计算机发送的数字信号，同时用来 触发CCD相机和激光器工作，使得CCD相机可在双曝光模式下采集示踪粒子的跨帖图像对。
【专利摘要】本发明公开了一种基于粒子图像测速(PIV)原理的高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置，用于在空气动力学风洞试验中通过非接触光学方法，快速测量模型表面气动摩擦阻力的一维分布，测量仪包括：双脉冲激光器和片光系统、接收和记录粒子散射光的CCD相机、同步控制器与计算机。在风洞试验中使用该测量仪测量得到模型近壁面的粒子图像对序列，其后采用单像素系综互相关算法对其进行图像处理计算，能够得到空间分辨率较高的近壁区平均流向速度场，根据牛顿内摩擦定理，由壁面处的速度梯度计算出精度较高的摩擦力及其一维分布。本发明具有精度高，对设备要求较低，测量时间快，对温度、湿度等外界条件不敏感等优点。
【IPC分类】G01L5/00, G01M9/06
【公开号】CN105004466
【申请号】CN201510475306
【发明人】潘翀, 王建杰, 申俊琦, 王晋军, 李志波, 李磊
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年8月5日