發(fā)布時(shí)間：2020-07-29 20:39

【摘要】：高速流場(chǎng)流動(dòng)參量的測(cè)量是研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器、巡航彈道導(dǎo)彈等國家重大裝備的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。高超聲速流場(chǎng)速度在5馬赫以上,通常呈現(xiàn)非定常特性,非定常流場(chǎng)中存在的激波/激波、激波/附面層間的相互作用以及紊流等復(fù)雜的物理現(xiàn)象,對(duì)流場(chǎng)的測(cè)量提出了極大的挑戰(zhàn)。目前對(duì)于高超聲速流場(chǎng)測(cè)量常用的方法就是粒子圖像測(cè)速法(Particle Image Velocimetry,PIV),為了提高測(cè)量精度,需要相應(yīng)地調(diào)整當(dāng)前計(jì)算的兩幅圖片的時(shí)間間隔?,以便給下一幀的圖像采集提供參考,傳統(tǒng)的PIV測(cè)量方法中?為固定值,測(cè)量精度不高,為了滿足非定常流場(chǎng)高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量需求,本文做了如下工作:(1)針對(duì)非定常流場(chǎng)PIV精確測(cè)量難點(diǎn),研究了互相關(guān)算法和卡爾曼濾波算法的原理并將兩者結(jié)合,得到了時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整算法,并利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合分光技術(shù)原理,開發(fā)出基于FPGA和雙SCMOS的納秒級(jí)分幅成像裝置并完成調(diào)試,成像裝置分辨率為2048×2048,幀率達(dá)2×500fps。在納秒級(jí)分幅成像裝置的精密光路系統(tǒng)中,采用高精度機(jī)械滑臺(tái),實(shí)現(xiàn)了精度為1um的三自由度調(diào)節(jié),確保左右圖像傳感器成像亮度和視場(chǎng)范圍一致,為時(shí)間間隔極短的兩幅粒子圖像的采集創(chuàng)造了良好的硬件條件。(2)針對(duì)納秒級(jí)分幅成像裝置高分辨率、高幀率和超短幀間間隔的需求開發(fā)了基于FPGA的固件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)圖像傳感器的曝光和延時(shí)控制,實(shí)現(xiàn)了從高速采集到DDR3緩存再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或通過Cameralink協(xié)議傳輸?shù)胶蠹?jí)處理模塊的功能,實(shí)現(xiàn)了最高速率為10.88Gb/s的高速穩(wěn)定傳輸。解決了傳統(tǒng)PIV測(cè)量中跨幀相機(jī)幀間間隔不可調(diào)的缺點(diǎn),并通過將納秒級(jí)分幅成像裝置觸發(fā)曝光的左右圖像傳感器的曝光時(shí)間間隔控制在14ms~30ms,通過同步控制激光和成像裝置將兩幅圖像的時(shí)間間隔?控制在10ns~4ms范圍內(nèi)可調(diào),調(diào)節(jié)精度最高可達(dá)10ns。(3)結(jié)合納秒級(jí)分幅成像裝置的高速采集和時(shí)間間隔高精度調(diào)整,將時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整算法運(yùn)用兩張時(shí)間間隔為2us的低速流場(chǎng)圖片以及時(shí)間間隔為100ns的超高速流場(chǎng)圖片測(cè)速上,進(jìn)行時(shí)間分辨率的實(shí)時(shí)調(diào)整,提高了5Ma高超聲速流場(chǎng)的測(cè)量精度。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V231
【圖文】：

(b) 圖 1. 2 高超聲速流場(chǎng)的復(fù)雜現(xiàn)象大于5Ma，這意味著其周圍的空氣流速流場(chǎng)的速度場(chǎng)，對(duì)超高速飛行器機(jī)體流線型的設(shè)計(jì)均有重要的指導(dǎo)力等。除航空領(lǐng)域外，高速流場(chǎng)測(cè)研究領(lǐng)域，化學(xué)芯片中微溝道的設(shè)域，流體測(cè)量能夠?yàn)榧?xì)胞液的動(dòng)態(tài)，納米器件在液態(tài)流體中動(dòng)態(tài)特性流場(chǎng)的非定常特性，即流場(chǎng)中的速中還會(huì)出現(xiàn)激波(圖1. 2 a)、膨脹波當(dāng)飛行器以超聲速飛行時(shí)，飛行器的強(qiáng)擾動(dòng)而出現(xiàn)壓縮過程的界面；

得其光信號(hào)采集能力更強(qiáng)。利用相關(guān)雙采樣技術(shù)(Correlated Double Sampling，CDS)，SCMOS在成像時(shí)可大大減少芯片的讀出噪聲。除此之外，芯片的非線性度小于1%，其抗飽和性能能夠達(dá)到10000:1，使得其像元過飽和后的電荷不會(huì)泄露到臨近像元中。目前具備高速相機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)能力的公司集中在發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、德國和加拿大等[9]。如圖1. 4所示，日本NAC公司生產(chǎn)的Memrecam HX-6E型高速相機(jī)，幀率達(dá)2300fps，同時(shí)分辨率達(dá)1920×1080，可滿足各種高速拍攝的要求。德國Optronis公司CL3000CXP / CP80-3-M/C-540系列高速CMOS相機(jī)在1696×1710的分辨率下幀率可達(dá)500fps。瑞士Weinberger公司Speed Cam VisarioG2型高速CMOS相機(jī)，在1536×1024分辨率下幀率為1000fps，通過選取較小的ROI將分辨率降低為512×192時(shí)幀率可達(dá)10,000fps。加拿大DALSA公司的Genie Nano M640相機(jī)減小分辨率情況下最高可達(dá)720fps，其研制的圖像分辨率為1024×1024的DS-LX01M28、DS-2X-01M75等CMOS圖像傳感器，采用Linlog技術(shù)極大增加了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，其降低分辨率后幀率可大大提升。美國Cypress公司的傳感器采用N阱像素結(jié)構(gòu)，使傳感器的靈敏度大大提高，并使用多斜率積分技術(shù)，提升了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

圖 2. 5 互相關(guān)算法相對(duì)誤差雖然互相關(guān)算法在高速流場(chǎng)中正確估計(jì)流場(chǎng)速度的事實(shí)已經(jīng)被學(xué)者們證實(shí)，同時(shí)也具有一定的魯棒性，并且在運(yùn)用 FFT 之后，不需要對(duì)整幅圖像進(jìn)行遍歷查詢，故大大提高了運(yùn)算速度，但為了獲得較高的數(shù)據(jù)有效率，粒子在時(shí)間內(nèi)的位移最好不超過目標(biāo)區(qū)域的 25%，這樣該算法可測(cè)速范圍就會(huì)變得比較小，雖然可以通過加大目標(biāo)區(qū)域的大小來對(duì)速度更大的粒子進(jìn)行測(cè)量，但這也是以降低測(cè)量精度為代價(jià)的。且由于前述的一些 PIV 流場(chǎng)粒子的特性，互相關(guān)算法也存在一些局限性：1)空間分辨率較小。這是因?yàn)榛ハ嚓P(guān)算法的查詢窗口只能輸出一個(gè)速度矢量，由此方法得出的結(jié)果只能是稀疏流場(chǎng)，限制了空間分辨率。雖然減小窗口大小和窗口重疊率能適當(dāng)提高空間分辨率，但會(huì)引起窗口內(nèi)粒子數(shù)量的減少，當(dāng)窗口內(nèi)粒子數(shù)量較小時(shí)，會(huì)使互相關(guān)峰值的可靠度大大降低，從而增加結(jié)果的誤矢量。2)互相關(guān) PIV 算法是依據(jù)一定的前提的，即一個(gè)窗口內(nèi)所有粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，而在非定常流場(chǎng)下，很難滿足這個(gè)要求，故也會(huì)產(chǎn)生一定的誤矢量。3) 流體物理的特性表明，在粒子稀疏區(qū)域或噪聲干擾較大的區(qū)域會(huì)得到比較多的誤矢量，導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)果不正確。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2774467