高速成像加快了风洞测量

优化的图像拍摄和分析实现了实时测量并大幅减少了风洞使用费用

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<h5>Complex flow streams can be evaluated using the particle image velocimetry</h5>

采用粒子图像测速评估复杂的气流流动
即使电脑建模技术取得显著进步,风洞中的实际空气动力学测试对于一些工业领域,如航空航天旅行或汽车设计及制造来说还是不可或缺的。风洞测量的耗资极其巨大,只有极少数的公司能拥有自己的风洞且承担得起费用。仅租用一个风洞及工程团队一天就需花上8万欧元(约合10.7万美元),此外还有准备模型的费用。

鉴于这些原因,在风洞中的时间必须高效利用。测量时间往往仅占总时间的小部分——大多数时间都用在准备试验以及随后的数据处理上。数据处理时间的效率非常低。根据数据量和计算能力的不同,整个数据处理过程可能会花上数小时。这些时间被算成占用时间,而花钱请来的高素质安装人员在这段时间内只好等待。为了避免占用时间,图像数据通常先保存,等到以后再分析(比如一夜之后)。如果数据出于不知什么原因不能进行评估了,人们就必须重复整个测量过程。

位于汉堡的FIBUS 图像分析、环境控制和流动力学研究所开发了测量方法和软件解决方案,可在保证相同水平精确度的情况下加速风洞的测量,从而节省开支。主要的应用领域是当测试对象在飞行过程中受流速影响时分析它的振动、扭转和振荡情况(如机翼),或用来测量对象周围的气流和紊流情况。在这两个例子中,高速相机用来在极短的时间间隔内检测即使是最微小的变化,并同时拍摄高频振荡的图像。

用粒子图像测速进行气流分析

对于经典的空气动力学测量,如气流和紊流分析,人们一般用所谓的“粒子图像测速(PIV)”方法来测量。通过向气流中加入微粒使气流可见。在大多数情况下,人们用精细雾化的滑油或相似的特殊液体,这是由于它们的微粒能始终悬浮在空气中。特殊成像系统在气流中拍摄这些粒子的图像并通过相关性分析(两张连续图像的相互关联性)计算它们的轨迹。这样,系统就能精确建立气流和紊流(如机翼或直升机旋翼周围的那些气流和紊流)的模型。

在用粒子图像测速来分析紊流或涡流的过程中,关键在于以尽可能高的帧速来拍摄气流,并使图像的间隔时间尽可能短。只有这样才能轻易检测到连续图像中相关粒子的位置,并在气流高速运动的情况下保持测量的精准性。如此,系统才能根据粒子位置之间的间隔和图像之间的间隔时间来计算颗粒的方向及其速度。

PIV能用一台或两台相机分别进行二维或三维的测量。在三维测量中,粒子在空间中的位置是通过三角测量来确定。

FIBUS研究所为粒子图像测速开发了专门的软件并命名为picCOLOR,用来进行高清图像的实时分析。它能一次在多达32个处理器上运行。

picCOLOR软件的根本原理是不跟踪单个粒子而是测量图像1和2之间的图案变化。这样,系统的计算能力得到最优利用且计算过程也大幅加快。为了仍能实现足够的精确性,整张图像被分割成默认尺寸为32 x32像素的小型方形分析窗口。这个尺寸能根据应用的需要进行调整。图像分析分为两步:

  •  第一步,系统测量同一窗口内图像1和图像2的像素位移。然而,在第一幅图像窗口边缘的粒子可能在第二幅图像中已经退出窗口。
  • 因此,在第二步中,分析窗口沿着步骤1中的总体位移趋势决定的矢量方向移位。系统再次比较移位后窗口内图像1和图像2的像素值。

在这两步中,picCOLOR计算图像中所有分析窗内的气流矢量表示。矢量代表粒子的路径和速度。如果分析完成,粒子的“坐标”和计算出的矢量可以不用图像数据就存储起来。从而大大减少了数据量。

以前,由于通常使用的冷却、低噪PIV相机的帧速很低,大多数PIV测量是在一个近似稳定且气流路径几乎不随时间而改变的气流上进行的。然而最近,越来越多的测量是在一个随时间推移而出现不可预测的改变并且不稳定的气流上进行的,因此系统是否能更快地生成PIV图像十分重要。这也称为“时间解析PIV”。

对于这些PIV应用,FIBUS推荐使用Allied Vision Technologies的Bonito CL-400相机。Bonito相机配备一个4百万像素的Global Shutter CMOS传感器,并凭借它的2  x 10-tap Camera Link  Full+接口能每秒传输近400幅全分辨率图像。

此外,Bonito相机利用特殊的PIV模式,使相机不只是为PIV分析生成一张图像,而是生成两张连续的图像。为了将两张图像的时间间隔最大程度地缩短,它们是在不用快门的情况下生成的。图像记录通过一个与相机同步的照明脉冲来确定。照明通常是一个能通过粒子的小激光断面。由于取消了电子快门,图像的时间间隔可减少到大约550纳秒。其优势在于粒子的路径和速度就能更精确地被检测到。

时间就是金钱:实时流传输和处理图像省下真金白银

AVT的Bonito相机另一个更加决定性的优势是能借助2 x 10-tap Camera Link Full+接口实时传输数据。FIBUS研究所的常务董事Reinert Müller博士解释道:“通常在风洞中,人们安装耗资巨大的高速相机,其帧速在全分辨率模式下高达每秒1000多幅。然而这些相机生成非常庞大的数据量,使它们的接口无法实时传输到电脑主机上。因此图像数据需首先存储到有限的相机内置存储器上,事后再以低速率再传输到电脑上。根据数据量和接口带宽的不同,这将会花上几分钟时间。只有做完这些才能开始进行图像处理。”

这个顺序过程浪费大量时间,因此在使用风洞时代价非常昂贵。Allied Vision Technologies的Bonito相机每秒只“仅仅”传输400幅图像。然而在很多情况下,4百万像素的全分辨率甚至不是必需的。通过相应的感兴趣区域提取,相机能取得每秒1000多帧的图像速率。然而,这个解决方案的最大优势是Bonito相机能以这个图像速率实时进行传输和处理——这是巨大的差异。Müller博士说:“在风洞使用中省下的时间和高价聘请的工程师等待时间是很大的一笔钱!除此以外,Bonito相机还比通常的高速相机更实惠。”

在风洞中,实时成像技术可节省许多时间与金钱。通过巧妙运用感兴趣区域提取,FIBUS研究所的智能成像分析算法和结合了PIV模式的AVT Bonito相机使实时成像变成现实。