本文關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞中冰形生長的光學(xué)三維測量研究

  更多相關(guān)文章： 飛機(jī)結(jié)冰 明冰 霜冰 混合冰 結(jié)冰風(fēng)洞 外形測量 激光三維掃描 紅外成像 光流方法 變形測量

【摘要】：結(jié)冰一直對飛行器的安全飛行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。飛機(jī)不同部位的結(jié)冰都會對飛行產(chǎn)生較大影響,尤其是機(jī)翼、尾翼和機(jī)身上的結(jié)冰會改變飛機(jī)的最優(yōu)氣動外形,使得飛行性能急劇惡化。飛機(jī)上的結(jié)冰一般分為明冰、霜冰、混合冰,在結(jié)冰風(fēng)洞中準(zhǔn)確測量它們的外形是飛機(jī)結(jié)冰研究的基礎(chǔ)。由于結(jié)冰表面透光、無明顯特征,目前的測量手段都會干擾結(jié)冰生長,無法連續(xù)監(jiān)測結(jié)冰外形演變。因此,發(fā)展一種結(jié)冰三維外形的非接觸式測量方法對飛機(jī)結(jié)冰實驗、數(shù)值模擬和理論研究都具有重要意義。本文的主要目的是發(fā)展在結(jié)冰風(fēng)洞中可連續(xù)測量結(jié)冰三維外形隨結(jié)冰生長變化的非接觸式測量方法。測量中為了不干擾結(jié)冰生長,不使用任何化學(xué)制劑對冰染色或噴涂。圍繞這個目的,本文首先利用霜和雪對可見光基本呈現(xiàn)漫反射的特性,發(fā)展了一種可見激光三維掃描方法,在國際上首次測量了霜冰三維外形的連續(xù)生長和覆霜后的明冰三維外形;隨后,利用冰在特定紅外波段基本呈現(xiàn)朗伯輻射的特性,發(fā)展了兩種紅外激光三維掃描方法,在國際上首次測量了各類結(jié)冰三維外形的連續(xù)生長;最后,受光流方法測量植物幼苗生長的啟發(fā),在國際上首次對它是否可用于追蹤結(jié)冰生長進(jìn)行了探索性研究。本文的具體研究工作和得到的主要結(jié)論包括:1)提出了一種適用于結(jié)冰風(fēng)洞中測量結(jié)冰三維外形的可見激光線掃描方法,并發(fā)展了相應(yīng)的程序。程序主要功能包括:基于平面模板法的相機(jī)幾何標(biāo)定、基于雙參考平面法的激光線幾何標(biāo)定、基于時空法的激光線識別、基于三角法的三維點云重構(gòu)。使用相關(guān)后處理軟件實現(xiàn)了三維點云的降噪、配準(zhǔn)及曲面重構(gòu)。2)專門設(shè)計了一種同時模擬較大和微小冰形的數(shù)字圓臺模型,并采用3-D打印制作了塑料圓臺,接著采用鑄模法制作了透明冰圓臺。由于明冰在整個光譜范圍內(nèi)的反射率都極低,而霜和雪對可見光具有極高反射率,提出使用霜或雪代替不透明化學(xué)制劑“噴涂”在明冰表面�？梢娂す饩�掃描技術(shù)依次在塑料圓臺、覆霜明冰圓臺、外形未知的覆霜明冰上進(jìn)行了驗證。測量值與設(shè)計值或照片均吻合很好。3)發(fā)展了一種手繪法測量結(jié)冰某截面處的二維輪廓。在結(jié)冰風(fēng)洞中,運用可見激光線掃描技術(shù)對機(jī)翼表面的霜冰生長,在4個不同時刻分別進(jìn)行了單次掃描測量,得到的結(jié)冰三維曲面與各個時刻的照片吻合很好。最終冰形的三維曲面在兩個截面處都與手繪法的測量結(jié)果吻合良好。同樣還對覆雪后的明冰和混合冰的最終冰形進(jìn)行了單次掃描測量,其結(jié)果與照片和手繪法的測量結(jié)果吻合良好。4)利用冰和水可以吸收特定紅外波段的幾乎所有輻射,并且近似均勻地向各個方向發(fā)射相應(yīng)的輻射,提出了一種紅外激光點掃描方法,并發(fā)展了相應(yīng)的程序。程序的主要功能包括:紅外激光光斑中心提取、系統(tǒng)標(biāo)定、三維點云重構(gòu)。由于紅外輻射的加熱效應(yīng),針對靜止的和運動的紅外激光光斑的成像特點,分別采用高斯曲面擬合法和灰度重心法提取光斑中心。紅外激光點掃描方法分別在透明的玻璃碗和冰碗上進(jìn)行了驗證,其結(jié)果都與噴漆玻璃碗的可見激光線掃描測量結(jié)果吻合良好。5)基于前面的可見激光線掃描方法,提出了一種紅外激光線掃描方法。除了使用中紅外相機(jī)、遠(yuǎn)紅外激光器、遠(yuǎn)紅外光學(xué)器件外,實驗設(shè)置基本和可見激光線掃描保持一致,程序做了適當(dāng)修改。針對紅外成像特點,使用基于分析激光線進(jìn)入邊緣的時空法來識別紅外激光線。稍加改進(jìn)了雙參考平面法來標(biāo)定紅外激光線。相機(jī)標(biāo)定方法未變,但是棋盤格標(biāo)定板使用印制電路板(PCB)制作。紅外激光線掃描方法依次在透明的玻璃碗、冰碗、冰圓臺上進(jìn)行了驗證,其結(jié)果都與參照值吻合良好。6)發(fā)展了一種鑄模法來復(fù)制結(jié)冰最終外形,制作冰模,并結(jié)合前面的可見激光線掃描方法測量冰模的外形。運用紅外激光線掃描方法對結(jié)冰風(fēng)洞中機(jī)翼表面包含霜冰、明冰、混合冰的結(jié)冰生長,在6個不同時刻分別進(jìn)行了單次掃描測量,得到的結(jié)冰三維曲面與各個時刻的照片吻合良好。最終冰形的三維曲面與鑄模法測量結(jié)果也吻合良好。7)為了建立不同時刻物體外形之間的聯(lián)系,本文探索了光流方法用于風(fēng)洞中物體變形、生長測量。分別基于局部LK(Lucas-Kanade)和全局HS(Horn-Schunck)光流方法發(fā)展了兩種改進(jìn)的方法。主要改進(jìn)了無紋理區(qū)域、運動邊緣處、大位移時的光流計算。兩種光流方法均采用了結(jié)構(gòu)張量特征值分析,多尺度由粗到精變形,中值濾波等技術(shù)。LK方法還采取了非線性結(jié)構(gòu)張量擴(kuò)散。HS方法還采用了改進(jìn)的計算模型,多信息驅(qū)動雙邊濾波和加權(quán)中值濾波。在人工合成的圖像序列上研究了兩種光流方法的收斂性、精準(zhǔn)度和可計算的最大位移。運用這兩種光流方法和雙目立體視覺在風(fēng)洞中測量了不同攻角下氣流引起的彈性仿鳥機(jī)翼靜態(tài)變形。光流方法測量結(jié)果和數(shù)字圖像相關(guān)測量結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果均吻合很好。分析了光流方法運用到結(jié)冰生長追蹤的可行性。
【關(guān)鍵詞】：飛機(jī)結(jié)冰 明冰 霜冰 混合冰 結(jié)冰風(fēng)洞 外形測量 激光三維掃描 紅外成像 光流方法 變形測量
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211.74
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 引言13
• 1.2 結(jié)冰機(jī)理13-15
• 1.3 結(jié)冰研究簡介及進(jìn)展15-17
• 1.4 結(jié)冰外形測量簡介及研究進(jìn)展17-24
• 1.4.1 三維測量簡介17-18
• 1.4.2 截面輪廓法18-19
• 1.4.3 攝影測量法19-20
• 1.4.4 鑄模法20-21
• 1.4.5 激光線掃描法21-22
• 1.4.6 其它方法22-24
• 1.5 本文的主要工作24-27
• 第2章 可見激光線掃描27-55
• 2.1 可見激光線掃描簡介27-28
• 2.2 相機(jī)標(biāo)定28-40
• 2.2.1 針孔模型28-31
• 2.2.2 相機(jī)的畸變模型31-33
• 2.2.3 相機(jī)標(biāo)定方法33-36
• 2.2.4 標(biāo)定點提取36-37
• 2.2.5 相機(jī)標(biāo)定實驗37-40
• 2.3 激光線標(biāo)定40-52
• 2.3.1 激光線標(biāo)定方法40-42
• 2.3.2 激光線提取42-45
• 2.3.3 激光線標(biāo)定實驗45-52
• 2.4 小結(jié)52-55
• 第3章 可見激光線掃描在風(fēng)洞中測量結(jié)冰生長55-77
• 3.1 結(jié)冰測量難點55-56
• 3.2 方法驗證56-66
• 3.2.1 塑料圓臺和冰圓臺56-58
• 3.2.2 實驗設(shè)備與標(biāo)定結(jié)果58
• 3.2.3 點云配準(zhǔn)與曲面重構(gòu)58-59
• 3.2.4 測量塑料圓臺59-61
• 3.2.5 測量覆霜冰圓臺61-64
• 3.2.6 測量未知外形覆霜冰64-66
• 3.3 結(jié)冰風(fēng)洞中測量機(jī)翼結(jié)冰66-76
• 3.3.1 結(jié)冰風(fēng)洞67
• 3.3.2 手繪法測量二維冰形67-68
• 3.3.3 測量霜冰68-73
• 3.3.4 測量明冰和混合冰73-76
• 3.4 小結(jié)76-77
• 第4章 紅外激光點掃描測量結(jié)冰外形77-99
• 4.1 紅外成像簡介77-84
• 4.1.1 紅外輻射的基本規(guī)律78-81
• 4.1.2 紅外輻射的傳播特性81-82
• 4.1.3 紅外成像的基本原理82-83
• 4.1.4 紅外成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用83-84
• 4.2 紅外激光三維掃描背景介紹84
• 4.3 冰的輻射特性84-86
• 4.4 紅外激光點掃描86-94
• 4.4.1 三角法原理87-88
• 4.4.2 激光光斑中心提取88-90
• 4.4.3 激光點掃描測量裝置90-91
• 4.4.4 系統(tǒng)標(biāo)定91-94
• 4.5 測量玻璃碗和冰碗94-96
• 4.6 小結(jié)96-99
• 第5章 紅外激光線掃描在風(fēng)洞中測量結(jié)冰生長99-121
• 5.1 紅外激光線掃描99-102
• 5.1.1 相機(jī)標(biāo)定100-101
• 5.1.2 激光線標(biāo)定101-102
• 5.2 方法驗證102-109
• 5.2.1 實驗設(shè)備和標(biāo)定結(jié)果102-104
• 5.2.2 測量玻璃碗和冰碗104-106
• 5.2.3 測量冰圓臺106-109
• 5.3 結(jié)冰風(fēng)洞中測量機(jī)翼結(jié)冰109-118
• 5.3.1 鑄模法測量三維冰形109-110
• 5.3.2 測量機(jī)翼結(jié)冰110-118
• 5.4 小結(jié)118-121
• 第6章 光流方法121-143
• 6.1 光流方法簡介121-124
• 6.1.1 光流約束方程121-122
• 6.1.2 Lucas-Kanade光流方法122-123
• 6.1.3 Horn-Schunck光流方法123-124
• 6.2 改進(jìn)的Lucas-Kanade光流方法124-130
• 6.2.1 結(jié)構(gòu)張量的概念124-125
• 6.2.2 結(jié)構(gòu)張量特征值分析125-126
• 6.2.3 擴(kuò)散作用的概念126-127
• 6.2.4 非線性結(jié)構(gòu)張量擴(kuò)散127-128
• 6.2.5 多尺度由粗到精變形128-130
• 6.2.6 中值濾波130
• 6.3 改進(jìn)的Horn-Schunck光流方法130-135
• 6.3.1 改進(jìn)的計算模型130-131
• 6.3.2 求解改進(jìn)的計算模型131-132
• 6.3.3 多信息驅(qū)動雙邊濾波器132-134
• 6.3.4 加權(quán)中值濾波134-135
• 6.4 方法驗證135-140
• 6.4.1 誤差評估指標(biāo)135-136
• 6.4.2 旋轉(zhuǎn)球圖像序列136-139
• 6.4.3 平移長方形圖像序列139-140
• 6.5 小結(jié)140-143
• 第7章 光流方法在風(fēng)洞中測量機(jī)翼變形143-155
• 7.1 機(jī)翼變形測量簡介143
• 7.2 風(fēng)洞中測量機(jī)翼變形143-152
• 7.2.1 實驗風(fēng)洞144
• 7.2.2 實驗?zāi)Ｐ?/span>144-145
• 7.2.3 實驗設(shè)置與標(biāo)定145-146
• 7.2.4 數(shù)字圖像相關(guān)方法簡介146-147
• 7.2.5 機(jī)翼變形的光流場147-149
• 7.2.6 機(jī)翼在豎直方向的變形149-152
• 7.3 光流方法追蹤結(jié)冰生長152-153
• 7.4 小結(jié)153-155
• 第8章 總結(jié)與展望155-159
• 8.1 本文工作總結(jié)155-157
• 8.2 未來工作設(shè)想157-159
• 參考文獻(xiàn)159-177
• 致謝177-179
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況179-180

，

本文編號：646449