结冰风洞中冰形生长的光学三维测量研究

发布时间：2017-08-09 17:22

  本文关键词：结冰风洞中冰形生长的光学三维测量研究

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【摘要】：结冰一直对飞行器的安全飞行构成严重威胁。飞机不同部位的结冰都会对飞行产生较大影响,尤其是机翼、尾翼和机身上的结冰会改变飞机的最优气动外形,使得飞行性能急剧恶化。飞机上的结冰一般分为明冰、霜冰、混合冰,在结冰风洞中准确测量它们的外形是飞机结冰研究的基础。由于结冰表面透光、无明显特征,目前的测量手段都会干扰结冰生长,无法连续监测结冰外形演变。因此,发展一种结冰三维外形的非接触式测量方法对飞机结冰实验、数值模拟和理论研究都具有重要意义。本文的主要目的是发展在结冰风洞中可连续测量结冰三维外形随结冰生长变化的非接触式测量方法。测量中为了不干扰结冰生长,不使用任何化学制剂对冰染色或喷涂。围绕这个目的,本文首先利用霜和雪对可见光基本呈现漫反射的特性,发展了一种可见激光三维扫描方法,在国际上首次测量了霜冰三维外形的连续生长和覆霜后的明冰三维外形;随后,利用冰在特定红外波段基本呈现朗伯辐射的特性,发展了两种红外激光三维扫描方法,在国际上首次测量了各类结冰三维外形的连续生长;最后,受光流方法测量植物幼苗生长的启发,在国际上首次对它是否可用于追踪结冰生长进行了探索性研究。本文的具体研究工作和得到的主要结论包括:1)提出了一种适用于结冰风洞中测量结冰三维外形的可见激光线扫描方法,并发展了相应的程序。程序主要功能包括:基于平面模板法的相机几何标定、基于双参考平面法的激光线几何标定、基于时空法的激光线识别、基于三角法的三维点云重构。使用相关后处理软件实现了三维点云的降噪、配准及曲面重构。2)专门设计了一种同时模拟较大和微小冰形的数字圆台模型,并采用3-D打印制作了塑料圆台,接着采用铸模法制作了透明冰圆台。由于明冰在整个光谱范围内的反射率都极低,而霜和雪对可见光具有极高反射率,提出使用霜或雪代替不透明化学制剂“喷涂”在明冰表面。可见激光线扫描技术依次在塑料圆台、覆霜明冰圆台、外形未知的覆霜明冰上进行了验证。测量值与设计值或照片均吻合很好。3)发展了一种手绘法测量结冰某截面处的二维轮廓。在结冰风洞中,运用可见激光线扫描技术对机翼表面的霜冰生长,在4个不同时刻分别进行了单次扫描测量,得到的结冰三维曲面与各个时刻的照片吻合很好。最终冰形的三维曲面在两个截面处都与手绘法的测量结果吻合良好。同样还对覆雪后的明冰和混合冰的最终冰形进行了单次扫描测量,其结果与照片和手绘法的测量结果吻合良好。4)利用冰和水可以吸收特定红外波段的几乎所有辐射,并且近似均匀地向各个方向发射相应的辐射,提出了一种红外激光点扫描方法,并发展了相应的程序。程序的主要功能包括:红外激光光斑中心提取、系统标定、三维点云重构。由于红外辐射的加热效应,针对静止的和运动的红外激光光斑的成像特点,分别采用高斯曲面拟合法和灰度重心法提取光斑中心。红外激光点扫描方法分别在透明的玻璃碗和冰碗上进行了验证,其结果都与喷漆玻璃碗的可见激光线扫描测量结果吻合良好。5)基于前面的可见激光线扫描方法,提出了一种红外激光线扫描方法。除了使用中红外相机、远红外激光器、远红外光学器件外,实验设置基本和可见激光线扫描保持一致,程序做了适当修改。针对红外成像特点,使用基于分析激光线进入边缘的时空法来识别红外激光线。稍加改进了双参考平面法来标定红外激光线。相机标定方法未变,但是棋盘格标定板使用印制电路板(PCB)制作。红外激光线扫描方法依次在透明的玻璃碗、冰碗、冰圆台上进行了验证,其结果都与参照值吻合良好。6)发展了一种铸模法来复制结冰最终外形,制作冰模,并结合前面的可见激光线扫描方法测量冰模的外形。运用红外激光线扫描方法对结冰风洞中机翼表面包含霜冰、明冰、混合冰的结冰生长,在6个不同时刻分别进行了单次扫描测量,得到的结冰三维曲面与各个时刻的照片吻合良好。最终冰形的三维曲面与铸模法测量结果也吻合良好。7)为了建立不同时刻物体外形之间的联系,本文探索了光流方法用于风洞中物体变形、生长测量。分别基于局部LK(Lucas-Kanade)和全局HS(Horn-Schunck)光流方法发展了两种改进的方法。主要改进了无纹理区域、运动边缘处、大位移时的光流计算。两种光流方法均采用了结构张量特征值分析,多尺度由粗到精变形,中值滤波等技术。LK方法还采取了非线性结构张量扩散。HS方法还采用了改进的计算模型,多信息驱动双边滤波和加权中值滤波。在人工合成的图像序列上研究了两种光流方法的收敛性、精准度和可计算的最大位移。运用这两种光流方法和双目立体视觉在风洞中测量了不同攻角下气流引起的弹性仿鸟机翼静态变形。光流方法测量结果和数字图像相关测量结果以及数值模拟结果均吻合很好。分析了光流方法运用到结冰生长追踪的可行性。
【关键词】：飞机结冰 明冰 霜冰 混合冰 结冰风洞 外形测量 激光三维扫描 红外成像 光流方法 变形测量
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.74
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 引言13
• 1.2 结冰机理13-15
• 1.3 结冰研究简介及进展15-17
• 1.4 结冰外形测量简介及研究进展17-24
• 1.4.1 三维测量简介17-18
• 1.4.2 截面轮廓法18-19
• 1.4.3 摄影测量法19-20
• 1.4.4 铸模法20-21
• 1.4.5 激光线扫描法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 可见激光线扫描27-55
• 2.1 可见激光线扫描简介27-28
• 2.2 相机标定28-40
• 2.2.1 针孔模型28-31
• 2.2.2 相机的畸变模型31-33
• 2.2.3 相机标定方法33-36
• 2.2.4 标定点提取36-37
• 2.2.5 相机标定实验37-40
• 2.3 激光线标定40-52
• 2.3.1 激光线标定方法40-42
• 2.3.2 激光线提取42-45
• 2.3.3 激光线标定实验45-52
• 2.4 小结52-55
• 第3章 可见激光线扫描在风洞中测量结冰生长55-77
• 3.1 结冰测量难点55-56
• 3.2 方法验证56-66
• 3.2.1 塑料圆台和冰圆台56-58
• 3.2.2 实验设备与标定结果58
• 3.2.3 点云配准与曲面重构58-59
• 3.2.4 测量塑料圆台59-61
• 3.2.5 测量覆霜冰圆台61-64
• 3.2.6 测量未知外形覆霜冰64-66
• 3.3 结冰风洞中测量机翼结冰66-76
• 3.3.1 结冰风洞67
• 3.3.2 手绘法测量二维冰形67-68
• 3.3.3 测量霜冰68-73
• 3.3.4 测量明冰和混合冰73-76
• 3.4 小结76-77
• 第4章 红外激光点扫描测量结冰外形77-99
• 4.1 红外成像简介77-84
• 4.1.1 红外辐射的基本规律78-81
• 4.1.2 红外辐射的传播特性81-82
• 4.1.3 红外成像的基本原理82-83
• 4.1.4 红外成像技术的发展与应用83-84
• 4.2 红外激光三维扫描背景介绍84
• 4.3 冰的辐射特性84-86
• 4.4 红外激光点扫描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 激光点扫描测量装置90-91
• 4.4.4 系统标定91-94
• 4.5 测量玻璃碗和冰碗94-96
• 4.6 小结96-99
• 第5章 红外激光线扫描在风洞中测量结冰生长99-121
• 5.1 红外激光线扫描99-102
• 5.1.1 相机标定100-101
• 5.1.2 激光线标定101-102
• 5.2 方法验证102-109
• 5.2.1 实验设备和标定结果102-104
• 5.2.2 测量玻璃碗和冰碗104-106
• 5.2.3 测量冰圆台106-109
• 5.3 结冰风洞中测量机翼结冰109-118
• 5.3.1 铸模法测量三维冰形109-110
• 5.3.2 测量机翼结冰110-118
• 5.4 小结118-121
• 第6章 光流方法121-143
• 6.1 光流方法简介121-124
• 6.1.1 光流约束方程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 改进的Lucas-Kanade光流方法124-130
• 6.2.1 结构张量的概念124-125
• 6.2.2 结构张量特征值分析125-126
• 6.2.3 扩散作用的概念126-127
• 6.2.4 非线性结构张量扩散127-128
• 6.2.5 多尺度由粗到精变形128-130
• 6.2.6 中值滤波130
• 6.3 改进的Horn-Schunck光流方法130-135
• 6.3.1 改进的计算模型130-131
• 6.3.2 求解改进的计算模型131-132
• 6.3.3 多信息驱动双边滤波器132-134
• 6.3.4 加权中值滤波134-135
• 6.4 方法验证135-140
• 6.4.1 误差评估指标135-136
• 6.4.2 旋转球图像序列136-139
• 6.4.3 平移长方形图像序列139-140
• 6.5 小结140-143
• 第7章 光流方法在风洞中测量机翼变形143-155
• 7.1 机翼变形测量简介143
• 7.2 风洞中测量机翼变形143-152
• 7.2.1 实验风洞144
• 7.2.2 实验模型144-145
• 7.2.3 实验设置与标定145-146
• 7.2.4 数字图像相关方法简介146-147
• 7.2.5 机翼变形的光流场147-149
• 7.2.6 机翼在竖直方向的变形149-152
• 7.3 光流方法追踪结冰生长152-153
• 7.4 小结153-155
• 第8章 总结与展望155-159
• 8.1 本文工作总结155-157
• 8.2 未来工作设想157-159
• 参考文献159-177
• 致谢177-179
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况179-180

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本文编号：646449