【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，尤其指一种应用于高超声速风洞中的飞行器大曲率全表面壁面摩擦阻力测量方法。
技术介绍
1、随着航天科技的快速发展，高超声速飞行器的飞行高度、飞行马赫数日益增加，摩擦阻力在飞行器总阻的占比越来越高，可达50％以上，对飞行器设计有着举足轻重的影响，要准确预测飞行器的空气动力学特性，必须准确预测飞行器的摩擦阻力。作为一种光学非接触测量技术，剪切敏感液晶(shear-sensitive liquid crystal，sslc)涂层技术，因其方便使用、响应速度快、空间分辨率高、壁面摩擦阻力变化视觉效果显著等特点，引起了越来越多的国内外学者关注。
2、虽然国内外学者在剪敏液晶用于壁面摩擦阻力测量方面做了许多重要的工作，包括色相-摩阻精细标定、多相机采集系统结构优化、测量简化平面模型等，但该技术同样具有一些不容忽视的技术难点。和众多光学非接触测量技术一样，sslc技术测量摩阻受到诸多参数的影响，如摩擦力方向、光照方向和强度、相机观察方向等，导致在风洞的复杂环境下，应用尚未完全成熟。随着高超声速飞行器的迭代速度越来越快，受多因素制约的sslc涂层壁面摩阻测量技术的测量效率迫切需要提升，其中一个亟待解决的问题就是相同车次多攻角变化和大曲率变化模型导致表面强反光造成的数据缺失问题。
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，针对剪切敏感液晶涂层壁
2、本专利技术的技术解决方案是：一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，包括：
3、试验前，通过地面标定得到剪敏液晶色相值和壁面摩擦力量值之间的标定曲线，并使用喷枪、空气压缩机将融于丙酮的液晶材料均匀喷涂在试验模型表面，以及根据试验模型的表面曲率变化和尺度参数，结合风洞试验段喷管、超扩段相关位置参数，确定试验模型空间位置，以及光源系统、相机布置方式，计算得到各部件之间位置约束关系；所述试验模型为标准圆锥，底部靠近超扩段布置；
4、调整相机观察视角和对焦清晰度，使得试验模型位置居中；
5、根据所述各部件之间位置约束关系，在预设调节范围内，调整光源位置，确定相机和光源系统的空间布局，还原液晶涂层的真实色彩；
6、开启相机和光源系统，建立风洞流场，获取在不同攻角下试验模型表面液晶图像颜色变化图像信息；
7、根据所述标定曲线，将液晶图像颜色变化图像信息转换为壁面摩阻量值，获得试验模型的壁面摩擦力分布，同时结合高斯曲线拟合解算摩阻的量值和方向。
8、进一步地，对于喷涂完剪敏液晶涂层的试验模型，使用αl＝90°垂直入射白色光源照射，对于平面模型，观察角度αc＝45°，改变模型的攻角αaoa＝0°～40°，用人眼和彩色相机观察是否会出现高光引起的过曝光现象，并统计出现高光现象的百分比p；对于曲率变化大于预设值的非平面模型，从观察角度αc＝45°用人眼和彩色相机观察，对是否出现高光现象进行区域统计，获取高光区域占比q；对于p、q，当p||q>20％时，继续后续步骤；反之，则终止。
9、进一步地，通过布置垂直入射白色光源入射角度αl＝-45°、观察角度αc＝45°，调节光源的亮度l从0～100％，采用彩色相机获取平面模型图像，将图像转换至hsv色彩空间，获取亮度信息v随l的变化数据，采用多项式拟合方式得到v＝f(l)，当拟合参数中一次项参数a1＞＞a2～n的其它次项参数，则剪敏液晶涂层表面近似呈现出镜面反射特性，结合镜面双向反射分布函数及漫反射双向反射分布函数计算其最终亮度分布，抑制其镜面反射带来的强反光现象。
10、进一步地，根据镜面双向反射分布函数，以及风洞试验段、喷管、模型的三维空间位置关系，将光源布置在视场角边缘视线和镜面反射线之外，同时计算相机的视场角边缘视线，保证相机的视场角和视线均不被遮挡，获取完整模型彩色图像i且不出现高光导致的强反光现象；基于此，改变模型的攻角，使得光源的布局位置始终处在w形视场的视场角边缘视线和镜面反射线之外，形成摩阻测量系统的第一空间布局。
11、进一步地，根据所述摩阻测量系统的第一空间布局，对模型头部、中部、尾部采样点，根据比例因子估算法、点状光传播距离与强度的平方反比定律、线状光传播距离与光强的倒数反比定律、以及光度学中朗伯体受光角度与被激发强度公式，计算得到头部、尾部、中部三点在相机中的亮度值itop、icenter、ibottom；取imax＝max{itop、icenter、ibottom}，对模型表面进行均匀采样，得到m个点的亮度值i1～m，计算整体模型的平均亮度分布参数在所述摩阻测量系统的第一空间布局的基础上，保持光源位置不动，旋转光源角度，使得90％≤iaverage≤110％，得到亮度分布均匀、且强反光抑制的第二空间布局。
12、进一步地，根据所述第二空间布局，以及风洞试验段位置限制，保持光源角度不变，提高到相机镜面反射线之外和相机高度相同位置，采用中角度打光方式，形成第三空间布局。
13、进一步地，根据第三空间布局在风洞试验段搭建光源系统和相机。
14、进一步地，所述光源系统包括组成阵列形式的若干透镜灯杯，灯杯发散角度为20°×40°。
15、进一步地，光源系统的数字控制器与光源系统为分体设计，且数字控制器设有电泳防护。
16、进一步地，在试验模型的喷管侧布置三台彩色相机和两组射灯模块，组成主液晶成像平台，由数字光源控制器控制两组射灯亮度为100％，其余组射灯亮度为10％以下。
17、本专利技术与现有技术相比的优点在于：
18、本专利技术针对剪切敏感液晶涂层壁面摩阻测量过程中，由于攻角和模型表面曲率变化引起强反光导致的数据不完整问题，基于光度视觉理论，给出了液晶涂层的表面光学特性分析方法，在保证还原涂层真实色彩的基础上，设计了光学系统优化结构，实现同一车次风洞试验过程中多攻角状态下平面模型的液晶涂层摩阻测量数据完整获取，为大曲率模型表面的液晶涂层测量提供了有效测量手段。
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1.一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，对于喷涂完剪敏液晶涂层的试验模型，使用αl＝90°垂直入射白色光源照射，对于平面模型，观察角度αc＝45°，改变模型的攻角αAOA＝0°～40°，用人眼和彩色相机观察是否会出现高光引起的过曝光现象，并统计出现高光现象的百分比p；对于曲率变化大于预设值的非平面模型，从观察角度αc＝45°用人眼和彩色相机观察，对是否出现高光现象进行区域统计，获取高光区域占比q；对于p、q，当p||q>20％时，继续后续步骤；反之，则终止。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，通过布置垂直入射白色光源入射角度αl＝-45°、观察角度αc＝45°，调节光源的亮度L从0～100％，采用彩色相机获取平面模型图像，将图像转换至HSV色彩空间，获取亮度信息V随L的变化数据，采用多项式拟合方式得到V＝f(L)，当拟合参数中一次项参数a1＞＞a2～n的其它次项参数，则剪敏液
4.根据权利要求3所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，根据镜面双向反射分布函数，以及风洞试验段、喷管、模型的三维空间位置关系，将光源布置在视场角边缘视线和镜面反射线之外，同时计算相机的视场角边缘视线，保证相机的视场角和视线均不被遮挡，获取完整模型彩色图像I且不出现高光导致的强反光现象；基于此，改变模型的攻角，使得光源的布局位置始终处在W形视场的视场角边缘视线和镜面反射线之外，形成摩阻测量系统的第一空间布局。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，根据所述摩阻测量系统的第一空间布局，对模型头部、中部、尾部采样点，根据比例因子估算法、点状光传播距离与强度的平方反比定律、线状光传播距离与光强的倒数反比定律、以及光度学中朗伯体受光角度与被激发强度公式，计算得到头部、尾部、中部三点在相机中的亮度值itop、icenter、ibottom；取imax＝max{itop、icenter、ibottom}，对模型表面进行均匀采样，得到m个点的亮度值i1～m，计算整体模型的平均亮度分布参数在所述摩阻测量系统的第一空间布局的基础上，保持光源位置不动，旋转光源角度，使得90％≤iaverage≤110％，得到亮度分布均匀、且强反光抑制的第二空间布局。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，根据所述第二空间布局，以及风洞试验段位置限制，保持光源角度不变，提高到相机镜面反射线之外和相机高度相同位置，采用中角度打光方式，形成第三空间布局。
7.根据权利要求6所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，根据第三空间布局在风洞试验段搭建光源系统和相机。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，所述光源系统包括组成阵列形式的若干透镜灯杯，灯杯发散角度为20°×40°。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，光源系统的数字控制器与光源系统为分体设计，且数字控制器设有电泳防护。
10.根据权利要求1所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，在试验模型的喷管侧布置三台彩色相机和两组射灯模块，组成主液晶成像平台，由数字光源控制器控制两组射灯亮度为100％，其余组射灯亮度为10％以下。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，对于喷涂完剪敏液晶涂层的试验模型，使用αl＝90°垂直入射白色光源照射，对于平面模型，观察角度αc＝45°，改变模型的攻角αaoa＝0°～40°，用人眼和彩色相机观察是否会出现高光引起的过曝光现象，并统计出现高光现象的百分比p；对于曲率变化大于预设值的非平面模型，从观察角度αc＝45°用人眼和彩色相机观察，对是否出现高光现象进行区域统计，获取高光区域占比q；对于p、q，当p||q>20％时，继续后续步骤；反之，则终止。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，通过布置垂直入射白色光源入射角度αl＝-45°、观察角度αc＝45°，调节光源的亮度l从0～100％，采用彩色相机获取平面模型图像，将图像转换至hsv色彩空间，获取亮度信息v随l的变化数据，采用多项式拟合方式得到v＝f(l)，当拟合参数中一次项参数a1＞＞a2～n的其它次项参数，则剪敏液晶涂层表面近似呈现出镜面反射特性，结合镜面双向反射分布函数及漫反射双向反射分布函数计算其最终亮度分布，抑制其镜面反射带来的强反光现象。
4.根据权利要求3所述的一种适用于高速风洞大曲率模型表面的液晶摩阻测量方法，其特征在于，根据镜面双向反射分布函数，以及风洞试验段、喷管、模型的三维空间位置关系，将光源布置在视场角边缘视线和镜面反射线之外，同时计算相机的视场角边缘视线，保证相机的视场角和视线均不被遮挡，获取完整模型彩色图像i且不出现高光导致的强反光现象；基于此，改变模型的攻角，使得光源的布局位置始终处在w形视场的视场角边缘视线和镜面反射线之外，形成摩阻测量系统的第一空间布局。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇富，文帅，宋华振，肖翔，刘春风，纪锋，陈星，董晓航，王晶，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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