运动气弹模型的PSP试验系统、方法和数据处理方法与流程

本发明涉及运动气弹模型的psp试验系统、方法和数据处理方法，属于航空航天空气动力学风洞试验。

背景技术：

1、psp（压敏涂料，pressure sensitive paint）技术是一种非接触式光学表面测压技术，用于风洞试验中模型表面压力测量。psp技术的原理是：具有氧猝灭效应的压敏探针分子在一定波长的激发光照射下发出荧光，其荧光强度与压敏探针分子周围的氧含量即气压呈反比。相比于传统的在模型表面开测压孔的接触式表面测压技术，psp技术具有非接触、高空间分辨率、易加工和低成本等优点。光强法是典型的psp试验技术，根据有风试验图像和无风参考图像的比和压力温度的定量关系即可进行压力场计算。

2、运动气弹模型在空气动力学试验领域非常常见，特别是在气动弹性试验中，例如可变后掠翼和旋翼等。可变后掠翼是一种在飞行器设计中常用的翼型结构，其后掠角的调整对于飞行性能具有重要影响。在风洞试验中，通过对可变后掠翼模型进行试验，可以获取其展开过程中的压力分布情况，进而评估翼型的性能；旋翼是直升机的升力部件，通过旋翼试验可获取其表面压力场。

3、目前，现有的运动气弹模型光强法psp试验过程中存在标记点的识别和图像匹配问题，导致数据处理的准确性和效率不高。掩模提取是psp数据处理中的重要环节，对于提取有效数据和降低计算量有重要意义。运动气弹模型的psp试验图像的掩模提取过程中存在一定的局限性，例如在复杂背景和光照条件下，掩模的准确提取、标记点拾取和轮廓拾取困难，影响了数据处理的准确性和效率。

4、因此，需要运动气弹模型的psp试验系统、方法和数据处理方法，以提高试验数据的可靠性和处理效率。

技术实现思路

1、在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

2、鉴于此，为解决现有技术中传统的光强法psp试验数据处理方法的掩模提取准确率较低且难以拾取标记点和边缘轮廓的问题，本发明提供运动气弹模型的psp试验系统、方法和数据处理方法。

3、技术方案一如下：运动气弹模型的psp试验数据处理方法，包括以下步骤：

4、s1.采集图像数据，设置灰度阈值，对第张试验图像进行初步掩模提取，得到第张试验图像的初步掩模；

5、具体的：图像数据包括试验图像、参考图像和暗图像；

6、s2.根据第张试验图像的初步掩模，对所有参考图像进行平均光场处理，对得到的平均光场图像进行均值滤波平滑处理，得到处理后的平均光场图像；

7、s3.将第张试验图像除以处理后的平均光场图像，得到环境修正图像；

8、s4.采用k-means聚类对环境修正图像进行图像分割，得到二值化分割图像；

9、s5.基于二值化分割图像，选择canny算子作为边缘检测算法，提取得到包含标记点边界信息的图像边缘轮廓；

10、s6.基于霍夫变换检测图像边缘轮廓或通过人工操作识别出所有试验图像和参考图像的标记点；

11、具体的：人工操作即手动选择第一组标记点后，通过归一化二维互相关得到所有试验图像和参考图像的标记点；

12、s7.遍历所有试验图像和参考图像，将试验图像和参考图像的标记点进行归一化二维互相关，得到相关系数；

13、具体的：对于每一张试验图像，选择相关系数最高的参考图像作为试验图像对应的参考图像；

14、s8.根据第张试验图像及其对应的参考图像，获取暗图像，计算得到光强比；

15、s9.基于第张试验图像的初步掩模和标记点对光强比进行掩模处理，得到初步处理光强比；

16、s10.对初步处理光强比进行滤波和填充计算，降低数据的噪声，填补数据无效区，得到后处理的光强比；

17、s11.根据光强比与压力之间的先验校准关系式将后处理的光强比换算为压力场。

18、进一步地，所述s1中，针对采集的第张试验图像，设置灰度阈值，对试验图像进行二值化处理，将试验图像中灰度值低于灰度阈值的像素值设置为0，灰度值高于灰度阈值的像素值设置为1，提取得到第张试验图像的初步掩模。

19、进一步地，所述s2中，平均光场处理过程表示为：

20、；

21、其中，为平均光场图像，为第张参考图像。

22、进一步地，所述s4中，包括以下步骤：

23、s41.从环境修正图像中随机确定初始聚类中心，设定聚类个数k，k=2；

24、s42.计算环境修正图像中除当前聚类中心以外的每个像素灰度与当前聚类中心的像素灰度之间的距离，并将每个像素归到距离最近的聚类中心的类别；

25、s43.针对2个类别，调整聚类中心的位置，直到聚类中心的位置不再变化；

26、s44.比较2个类别所占的像素数量，对2个类别进行二值化处理，选择像素数量多的类别设置为0，像素数量少的类别设置为1，输出二值化分割图像。

27、进一步地，所述s5中，包括以下步骤：

28、s51.采用高斯滤波对二值化分割图像进行平滑，得到高斯滤波后的图像；

29、s52.采用sobel算子的水平核和垂直核对高斯滤波后的图像进行卷积，得到高斯滤波后的图像的水平方向梯度和垂直方向梯度，进一步得到梯度强度与梯度方向；

30、s53.根据梯度方向进行非极大值抑制，保留边缘像素，得到抑制后的图像；

31、s54.采用双阈值策略对抑制后的图像进行检测并连接边缘像素，得到包含标记点边界信息的图像边缘轮廓；

32、所述s51中，高斯滤波采用二维高斯函数作为卷积核；

33、卷积核表示为：

34、；

35、其中，为二维高斯函数，为二维空间中的坐标，为控制二维高斯函数在水平向上分布范围的标准差参数， 为控制二维高斯函数在垂直方向上分布范围的标准差参数；

36、所述s52中，sobel算子的水平核表示为：，sobel算子的垂直核表示为：；

37、对于高斯滤波后的图像的每个像素点，利用水平方向梯度和垂直方向梯度，计算得到梯度强度与梯度方向；

38、梯度强度表示为：

39、；

40、梯度方向表示为：

41、；

42、所述s53中，非极大值抑制表示为：将高斯滤波后的图像的每个像素的梯度方向量化为离散的方向，梯度方向包括水平方向、垂直方向和两个对角线方向，根据当前像素的梯度强度与其两侧邻近像素的梯度强度关系进行对非边缘像素的抑制，如果当前像素的梯度强度大于两侧邻近像素的梯度强度，则保留当前像素，否则，将当前像素的值抑制为零；

43、所述s54中，双阈值策略表示为：定义高阈值和低阈值，如果抑制后的图像中某一像素的梯度强度超过高阈值，则被定义为强边缘像素，如果某一像素的梯度强度低于低阈值，则被认为是非边缘像素，直接排除，如果某一像素的梯度强度在两者之间，则将与强边缘像素连接的对应像素判定为边缘像素，将未与强边缘像素连接的对应像素判定为非边缘像素。

44、进一步地，所述s8中，光强比表示为：

45、；

46、其中，为第张试验图像，为第张试验图像对应的参考图像，为暗图像。

47、进一步地，所述s9中，包括以下步骤：

48、s91.将步骤s1得到的第张试验图像的初步掩模作为正掩模，保留光强比在正掩模区域内的数值；

49、s92.将步骤s6得到的标记点的坐标视为圆形负掩模的圆心，给出圆形负掩模的半径，得到负掩模区域，使负掩模区域完全覆盖标记点在光强比对应图像中的位置，去除光强比在负掩模区域内的数值即设置为空值。

50、进一步地，所述s11中，先验校准关系式表示为：

51、；

52、其中，为试验状态的压力，为参考压力，为试验图像的灰度值，为参考图像的灰度值，a为项的系数，b为项的系数，c为系数。

53、技术方案二如下：运动气弹模型的psp试验方法，用于采集技术方案一所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法所需的图像数据，包括以下步骤：

54、s1.喷涂psp涂层；

55、具体的：首先使用无尘布蘸取无水乙醇清洁运动气弹模型表面，其次使用空气喷枪喷涂底漆，形成底漆层后，将运动气弹模型放入恒温炉中，设定70℃加热6小时，等待自然冷却，再次使用空气喷枪喷涂面漆，形成面漆层后，再次将运动气弹模型放入恒温炉中，设定70℃加热6小时，等待自然冷却，完成psp涂层的喷涂；

56、s2.布置psp涂层的标记点；

57、具体的：在运动气弹模型表面进行测量，选取若干个展向剖面，每个展向剖面选取若干个弦长位置，在其上采用黑色记号笔或印章等进行圆形标记点绘制；

58、s3.布置运动气弹模型的光强法psp试验系统；

59、具体的：将运动气弹模型安装于试验台上或风洞试验段内，布置多个激发光源，使准备测量的运动气弹模型的运动路径上存在激发光源照射，将镜头安装于相机上，镜头前安装滤光片，以滤除激发光源的影响，将相机调节至准备测量的运动气弹模型的运动路径上的视场，连接计算机；

60、s4.采集试验图像；

61、具体的：布置采集条件，开启激发光源，运动气弹模型运动条件稳定后，计算机控制相机开始录制，运动气弹模型运动结束后，计算机控制相机停止录制并存储数据，得到运动气弹模型全过程的psp试验图像；

62、s5.采集参考图像；

63、具体的：布置采集条件，开启激发光源，计算机控制相机开始录制，运动气弹模型运动结束后，计算机控制相机停止录制并存储数据，得到运动气弹模型的psp参考图像；

64、s6.采集暗图像；

65、具体的：关闭激发光源，确保试验环境即风洞内无杂光干扰，计算机控制相机拍摄暗图像并存储数据，暗图像包括相机暗电流噪声的影响。

66、技术方案三如下：运动气弹模型的psp试验系统，用于实现技术方案二所述的运动气弹模型的psp试验方法，光强法psp试验系统包括psp涂层、成像组件、激发光源和计算机；

67、所述psp涂层设置于激发光源和成像组件的照射范围内，成像组件设置于多个激发光源之间，成像组件与计算机连接；

68、所述psp涂层包括底漆层和面漆层，psp涂层涂覆于运动气弹模型表面，面漆层布置有标记点；

69、所述成像组件包括依次连接的相机、镜头和滤光片，成像组件用于采集psp涂层的荧光图像；

70、所述激发光源用于激发psp涂层的荧光；

71、所述计算机用于采集图像数据、储存图像数据和处理图像数据。

72、本发明的有益效果如下：本发明所述的运动气弹模型的psp试验系统、方法和数据处理方法，提供了在复杂背景和光照条件下的运动气弹模型光强法psp试验的图像匹配、试验图像掩模准确提取、标记点和轮廓拾取的方法；本发明采用相关系数排序的方法，获得与试验图像匹配程度最高的参考图像；本发明采用设置阈值和聚类结合的图像分割方法，提供了掩模提取的自动化问题解决方案；本发明采用基于平均光场图像的图像环境修正方法，解决了复杂光场条件下图像有效区域灰度值差异大导致的聚类掩模分类准确性较低的问题。

技术特征：

1.运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s1中，针对采集的第张试验图像，设置灰度阈值，对试验图像进行二值化处理，将试验图像中灰度值低于灰度阈值的像素值设置为0，灰度值高于灰度阈值的像素值设置为1，提取得到第张试验图像的初步掩模。

3.根据权利要求2所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s2中，平均光场处理过程表示为：

4.根据权利要求3所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s4中，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s5中，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s8中，光强比表示为：

7.根据权利要求6所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s9中，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法，其特征在于，所述s11中，先验校准关系式表示为：

9.运动气弹模型的psp试验方法，其特征在于，用于采集权利要求1-8任一项所述的运动气弹模型的psp试验数据处理方法所需的图像数据，包括以下步骤：

10.运动气弹模型的psp试验系统，其特征在于，用于实现权利要求9所述的运动气弹模型的psp试验方法，光强法psp试验系统包括psp涂层（1）、成像组件、激发光源（6）和计算机（7）；

技术总结
本发明公开了运动气弹模型的PSP试验系统、方法和数据处理方法，属于航空航天空气动力学风洞试验技术领域。解决了现有技术中传统的光强法PSP试验数据处理方法的掩模提取准确率较低且难以拾取标记点和边缘轮廓的问题；本发明提供了在复杂背景和光照条件下的运动气弹模型光强法PSP试验的图像匹配、试验图像掩模准确提取、标记点和轮廓拾取的方法，采用相关系数排序方法获得与试验图像匹配程度最高的参考图像，采用设置阈值和聚类结合的方法进行图像分割，基于平均光场图像进行图像环境修正，对初步处理光强比进行滤波和填充，最后，将光强比换算为压力场数据。本发明有效提升了聚类掩模分类准确性，可以应用于复杂光场条件下图像数据处理。

技术研发人员：徐兆楠,门冠男,赵荣奂,郭彤宇,侯良学,衷洪杰
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23