论文部分内容阅读
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。