时间分辨率实时自适应PIV测量技术研究

发布时间：2020-07-29 20:39

【摘要】：高速流场流动参量的测量是研制高性能航空发动机、航天飞行器、巡航弹道导弹等国家重大装备的基础和关键。高超声速流场速度在5马赫以上,通常呈现非定常特性,非定常流场中存在的激波/激波、激波/附面层间的相互作用以及紊流等复杂的物理现象,对流场的测量提出了极大的挑战。目前对于高超声速流场测量常用的方法就是粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV),为了提高测量精度,需要相应地调整当前计算的两幅图片的时间间隔?,以便给下一帧的图像采集提供参考,传统的PIV测量方法中?为固定值,测量精度不高,为了满足非定常流场高精度和大动态范围的测量需求,本文做了如下工作:(1)针对非定常流场PIV精确测量难点,研究了互相关算法和卡尔曼滤波算法的原理并将两者结合,得到了时间分辨率实时自适应调整算法,并利用仿真实验验证了其有效性。在此基础上,结合分光技术原理,开发出基于FPGA和双SCMOS的纳秒级分幅成像装置并完成调试,成像装置分辨率为2048×2048,帧率达2×500fps。在纳秒级分幅成像装置的精密光路系统中,采用高精度机械滑台,实现了精度为1um的三自由度调节,确保左右图像传感器成像亮度和视场范围一致,为时间间隔极短的两幅粒子图像的采集创造了良好的硬件条件。(2)针对纳秒级分幅成像装置高分辨率、高帧率和超短帧间间隔的需求开发了基于FPGA的固件系统,实现了对两个图像传感器的曝光和延时控制,实现了从高速采集到DDR3缓存再通过以太网传输到上位机或通过Cameralink协议传输到后级处理模块的功能,实现了最高速率为10.88Gb/s的高速稳定传输。解决了传统PIV测量中跨帧相机帧间间隔不可调的缺点,并通过将纳秒级分幅成像装置触发曝光的左右图像传感器的曝光时间间隔控制在14ms~30ms,通过同步控制激光和成像装置将两幅图像的时间间隔?控制在10ns~4ms范围内可调,调节精度最高可达10ns。(3)结合纳秒级分幅成像装置的高速采集和时间间隔高精度调整,将时间分辨率实时自适应调整算法运用两张时间间隔为2us的低速流场图片以及时间间隔为100ns的超高速流场图片测速上,进行时间分辨率的实时调整,提高了5Ma高超声速流场的测量精度。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231
【图文】：

高超声速流,复杂现象

(b) 图 1. 2 高超声速流场的复杂现象大于5Ma，这意味着其周围的空气流速流场的速度场，对超高速飞行器机体流线型的设计均有重要的指导力等。除航空领域外，高速流场测研究领域，化学芯片中微沟道的设域，流体测量能够为细胞液的动态，纳米器件在液态流体中动态特性流场的非定常特性，即流场中的速中还会出现激波(图1. 2 a)、膨胀波当飞行器以超声速飞行时，飞行器的强扰动而出现压缩过程的界面；

相机,德国,日本,帧率

得其光信号采集能力更强。利用相关双采样技术(Correlated Double Sampling，CDS)，SCMOS在成像时可大大减少芯片的读出噪声。除此之外，芯片的非线性度小于1%，其抗饱和性能能够达到10000:1，使得其像元过饱和后的电荷不会泄露到临近像元中。目前具备高速相机技术和生产能力的公司集中在发达国家，如美国、日本、德国和加拿大等[9]。如图1. 4所示，日本NAC公司生产的Memrecam HX-6E型高速相机，帧率达2300fps，同时分辨率达1920×1080，可满足各种高速拍摄的要求。德国Optronis公司CL3000CXP / CP80-3-M/C-540系列高速CMOS相机在1696×1710的分辨率下帧率可达500fps。瑞士Weinberger公司Speed Cam VisarioG2型高速CMOS相机，在1536×1024分辨率下帧率为1000fps，通过选取较小的ROI将分辨率降低为512×192时帧率可达10,000fps。加拿大DALSA公司的Genie Nano M640相机减小分辨率情况下最高可达720fps，其研制的图像分辨率为1024×1024的DS-LX01M28、DS-2X-01M75等CMOS图像传感器，采用Linlog技术极大增加了传感器的动态范围，其降低分辨率后帧率可大大提升。美国Cypress公司的传感器采用N阱像素结构，使传感器的灵敏度大大提高，并使用多斜率积分技术，提升了传感器的动态范围。

互相关算法,高速流场,流场速度,中正

图 2. 5 互相关算法相对误差虽然互相关算法在高速流场中正确估计流场速度的事实已经被学者们证实，同时也具有一定的鲁棒性，并且在运用 FFT 之后，不需要对整幅图像进行遍历查询，故大大提高了运算速度，但为了获得较高的数据有效率，粒子在时间内的位移最好不超过目标区域的 25%，这样该算法可测速范围就会变得比较小，虽然可以通过加大目标区域的大小来对速度更大的粒子进行测量，但这也是以降低测量精度为代价的。且由于前述的一些 PIV 流场粒子的特性，互相关算法也存在一些局限性：1)空间分辨率较小。这是因为互相关算法的查询窗口只能输出一个速度矢量，由此方法得出的结果只能是稀疏流场，限制了空间分辨率。虽然减小窗口大小和窗口重叠率能适当提高空间分辨率，但会引起窗口内粒子数量的减少，当窗口内粒子数量较小时，会使互相关峰值的可靠度大大降低，从而增加结果的误矢量。2)互相关 PIV 算法是依据一定的前提的，即一个窗口内所有粒子的运动状态一致，而在非定常流场下，很难满足这个要求，故也会产生一定的误矢量。3) 流体物理的特性表明，在粒子稀疏区域或噪声干扰较大的区域会得到比较多的误矢量，导致流场结果不正确。

【参考文献】