正弦波型高频动态压力光学校准系统及其应用

动态压力是气动部件表面的关键气动参数。光学压力敏感涂料（PSP）测量技术在测量气动部件表面动态压力方面具有全域测量、不影响流场自身的优势，而光学压力敏感涂料的动态响应特性则是进行动态压力测量的决定性因素。基于声学驻波管原理，自主设计并组建了正弦波型高频动态压力光学校准系统，主要包含有驻波管型校准舱、声源、激光源、高频压力传感器、光电倍增管以及测控系统。对动态压力光学校准系统及某新型快响压敏涂料的实验结果表明，所组建的动态压力校准系统可产生最短响应时间12.5 μs、最大压力幅值为4.37 kPa的正弦型动态压力，其有效动态频响范围为0.4~20.0 kHz（50 μs~2.5 ms），不确定度小于0.004 9%；校准系统合理的光路布局可进行快响压敏涂料动态特性的校准，所测涂料可用于动态频响不高于9.1 kHz（响应时间为109.9 μs）的非定常流场的压力测量。     

压力敏感涂料特性及其校准技术实验研究

 精细化的校准技术和涂料特性研究是影响压力敏感涂料(PSP)测量技术测量精度及其工程应用的重要因素。为此以PSP地面实验测量系统为主要平台,进行了国产PSP的静态校准和光降解实验,基于自主编制的PSP静态校准图像后处理程序研究了PSP压力、温度灵敏度之外所展现出的重要特性。研究结果表明:一定压力范围内,PSP的Stern-Volmer响应曲线呈现出较为明显的非线性,在校准中应采取高阶Stern-Volmer关系式进行拟合;在均匀压力和温度下,不同样片区域的校准结果呈现出空间不均匀性,这种不均匀性会影响PSP的校准精度;PSP存在光降解效应,其降解曲线在一定时间内近似为线性。同时,本文还简要分析了其产生机理以及对PSP测量精度的影响,初步提出了相应的评估指标及改进措施。     

基于预先校准的压力敏感涂料图像处理方法

基于国产单组份压力敏感涂料预先校准试验,以自主编制的涂料校准与特性分析图像后处理软件为主要分析工具,对PSP图像平均、滤波以及无效采集图像剔除等图像后处理方法进行了较为深入地研究,研究分析结果表明:一些随机因素或操作失误会造成某些PSP采集图像为跳点,图像后处理中,应将无效采集图像剔除;与高斯滤波、平均滤波相比,中值滤波可以更好地抑制图像的椒盐噪声,同时,滤波窗口大小对图像滤波效果有较大影响;图像平均可以有效地抑制CCD相机的随机噪声,同时,存在着最佳的图像平均幅数,超过最佳图像平均幅数,随机噪声的抑制效果变化不再明显,反而会降低试验效率。     

快速响应压力敏感涂料截止频率实验研究

快速响应压力敏感涂料（PSP）测量技术在获取模型表面动态压力这一关键参数上具有广阔的应用前景,而聚合物粘结剂作为快速响应PSP的重要组成部分,其结构对涂料的性能有着决定性的影响。针对两类聚合物支链长度不同的快速响应压力敏感涂料,在正弦波型高频动态压力光学校准系统中采用光强法对涂料进行测量,获得不同的压力脉动频率下涂料发射光强的时域变化结果。通过对测得的原始压力及光强信号进行滤波获得了不同频率下压敏涂料的发光响应对压力变化的跟随性;对压力及光强信号进行快速傅里叶变换获得各压敏涂料的截止频率。结果显示两类压敏涂料截止频率分别为1.8～3.8 kHz和4.7～9.0 kHz,压敏涂料的截止频率与聚合物酯基链长度具有正相关性。采用的测量方法可有效获取PSP的动态参数,相较于传统阶跃型校准方案,更能为工程上PSP校准和应用需求提供参考和借鉴。     

叶栅风洞出口处孤立叶片吸力面全域压力分布测量

应用自主建立的压力敏感涂料测量系统对固定在跨声速叶栅风洞出口下档板处的大弯度孤立叶片吸力面进行了表面全域压力分布测量尝试,基于涂料实验校准的特性曲线和图像后处理技术,获得了叶片表面压力分布状况。     

应用压力敏感涂料测量孤立叶片吸力面压力(英文)

以国产温度不敏感的荧光压力敏感涂料和自主建立的测量系统为基础,应用基于光强的压力敏感涂料测量技术获得了叶栅风洞中孤立叶片吸力面的压力分布。实验测量分别在叶栅风洞出口处气流速度0.3和0.4马赫条件下进行,叶片攻角–12°,大气温度与压力分别为15 ℃和95.4kPa。实验叶片吸力面有4排10列测压孔,弯度约40°左右,叶片连同基座被固定在叶栅风洞出口处的下导流档板上,以方便采集荧光图像。实验测量中还同时采用了静压扫描装置进行常规压力测量,以便进行数据对比。在理论与方法确立方面,对基于光强的测量方法进行了回顾并针对自主建立的测量系统提出采用事后校准的方式进行先验校准,以消除校准与测量中参考压力不一致所引起的误差;提出了荧光图像后处理过程的实施步骤及图像对准的操作方法以进一步提高测量的准确性。压力敏感涂料测量所获得的压力值与静压扫描所得数值之间的误差在7%之内,说明实验测量是有效可信的。     

基于中值滤波和参考点的风洞压敏涂料试验图像处理技术

提出了一种结合图像中值滤波和试件参考点的风洞压敏涂料（PSP）试验图像数据处理方法。与通常用校准箱获取校准曲线进而得到PSP试验试件表面压力或压力系数（Cp）的方法不同，该方法通过空心中值滤波技术恢复PSP光强比图像中测压孔处的光强比数据，结合若干参考点处常规测压技术实测所得Cp值，获得Cp值和PSP图像光强比数据的关系曲线，进而得到整个试件表面的Cp值数据，该方法获得的数据结合了风洞试验诸多因素对试验结果的影响。利用MATLAB对PSP技术试验图像数据进行了处理，并将PSP方法获得的Cp值与常规测压方法获得的Cp值进行了比较，得到的结果显示，笔者采用的方法获得的Cp值与常规测压方法获得的Cp值吻合较好。该方法为PSP图像数据的处理提供了一种新的方法，具有较大的发展潜力和应用价值。     

压敏涂料技术在风洞中的应用研究

压敏涂料技术是重要的风洞模型表面压力测量技术之一。作者介绍了压敏涂料的研制及该技术应用于风洞试验时的自动化试验图像采集技术、试验数据处理与修正技术及实际应用中的一些经验,给出了在飞机机翼、边条、前缘襟翼、副翼表面,压敏涂料技术与常规测压孔技术测量结果的比较。     

基于寿命法的压力敏感涂料静/动态特性实验

压力敏感涂料测量技术在内外流表面压力测量方面具有独特的技术优势。涂料光谱特性及"传感器"特性的研究对于分析喷涂固化中环境差异等不可控因素的影响程度、检验拟用涂料配方特定试验的适用性具有十分重要的意义。为此,以一种在研的磷光压力敏感涂料为对象,基于自主研发的静态校准系统对发光寿命随压力与温度的变化规律进行了实验研究,通过对测量结果的拟合分析发现所用涂料的温度适用范围在30~60℃之间,且可进行温度敏感度修正;基于自主研发的高频动态压力光学校准系统对涂料在不同压力脉动频率下的涂料发光寿命峰峰值规律进行了实验研究,通过分析研究确定所用涂料基于发光寿命的截止频率上限为0.94 kHz。实验研究进一步验证了涂料特性静动态校准组合方法的可行性与有效性,为压力敏感涂料配方的研发及其应用拓展提供了重要的技术支撑。     

热敏液晶测温标定及误差分析

对SPN／R30C20W型热敏液晶的特性进行了实验研究。实验以相机视角、光源强度、液晶厚度等参数作为对象,讨论了3种参数对液晶测温结果的影响。分析结果表明：在视角小于15°时,相机视角对液晶测温的影响可以忽略;光强不同导致由标定曲线计算出的最大温差达到5．5℃;液晶厚度对标定数据有较大的影响。该实验结论在液晶测温领域广泛应用。     

压力敏感涂料的标定及在气膜冷却效率测量中的应用

采用自行设计的标定装置对压力敏感涂料进行了标定实验,研究了激励光源光强、温度两种参数对标定曲线的影响.结果表明:当激励光源光强能够使得光敏分子发生氧猝熄条件下,激励光源光强对标定曲线的影响可以忽略不计;标定曲线对温度变化较为敏感.据此提出了采用二维插值方法得出发射光强关于压力比、温度比的表达式,从而对测量结果进行温度修正.在此基础上,将压力敏感涂料测试技术分别应用于圆柱孔、扇形孔气膜冷却效率的测量中,所得实验数据与前人结果符合较好.      

机器视觉导引系统中摄像机的标定方法

针对无人机(UAV)自主起飞与着陆机器视觉导引系统中摄像机的标定问题,讨论了标定摄像机内参数的重要意义,选定了包含畸变因素的摄像机透视投影模型。采用改进两步法进行摄像机内参数标定,结果中主要参数相对误差均小于1%,位置误差小于0.2像素,证明了所选择模型和标定方法的合理性。分析并验证了影响标定精度的因素,包括模型选择、图像拍摄质量和标定靶精度。针对机器视觉导引的应用条件,基本解决了准确、快速标定摄像机内参数的实际问题。     

压敏漆测量三角翼模型气动载荷的超声速风洞实验

采用压敏漆在超声速风洞中测量三角翼模型气动载荷,得到了应用压敏漆测压与天平测力相结合获取的三角翼模型气动载荷对比实验结果。简述了压敏漆原理、标定、试验设置和数字图像数据处理方法。由于尺寸限制,模型没有开设测压孔。对三角翼模型进行了数值计算,对试验和计算得到的结果进行了比较分析。     

Harmonic Radar Systems for Near-Ground In-Foliage Nonlinear Scatterers

The radar transmission equation for a harmonic radar operating over a planar, finite dielectric Earth through foliage is derived for an interesting class of nonlinear scatterers. The received power can typically depend on range to the (-14) power for small objects near the ground. The maximum detection range of a ground-based system is related to all major system parameters: it is most sensitive to polarization, transmit antenna height, and transmit wavelength; moderately sensitive to transmit power and transmit antenna area; and least sensitive to receive antenna area, harmonic scattering cross section, and mode of data processing. For example, there is seen to be a best apportionment of total available aperture area into disjoint transmit and receive apertures which can be well approximated by the equal gain condition. Also, there is seen to be a critical path distance through foliage; at distances less than this, small wavelengths are desirable and, conversely, the upper transmit frequency limit may be set by nonlinear scatterer response. Airborne synthetic aperture radar systems are discussed and quantification of harmonic noise and effects of scatterer fluctuation are made. A useful phenomenological model of a nonlinear scatterer is given that is consistent with some observations and predicts a frequency dependence. Nonlinear scatterer effects on range resolution are discussed.     

高超声速风洞压敏漆试验技术

提出了适用于高超声速风洞开展压敏漆(PSP)试验研究的关键技术及解决办法。采用自主设计的PSP校准系统及测试系统,考核了代号为EC-PSP的压力敏感涂料在高超声速条件下的适用性、图像处理软件功能以及高温条件影响下数据处理方法的可行性。以压缩拐角模型为例开展了马赫数为5的高超声速PSP技术验证性风洞试验研究,辅以红外测温方法获得模型表面连续温度分布。试验结果表明在高超声速风洞开展的PSP试验技术研究清晰地捕获了基于压力变化的压缩拐角模型表面流动特征,实现了连续压力分布的测量。     

Application of PSP in low speed flows

Since low speed tests play an important role for the design phase of aircraft's, the PSP technology has to be developed also for small pressure variations in the pressure range between 800 and 1000 mbar. Several tests at ONERA and at DLR have been performed to optimize the PSP system components and the paints. Tests on different models like basic aircrafts or parts of them and car models are presented. A careful choice of the paint as well as a specialized procedure and a devoted software have provided accurate results, with a maximal error of ±1 mbar. Calibration methods were developed to optimize the accuracy.The main sources of errors have been identified and their relative importance has been assessed. As a result, a good agreement with conventional pressure taps is obtained. Fine details can be seen in the final pressure maps, showing the benefit of PSP for low speed tests down to 25 m/s.     

Advances in non-linear apodization

Selected new methods and applications of non-linear apodization for irregularly-shaped and parse coherent apertures and arrays are presented. The benefits include unproved impulse response performance, i.e., reduced peak sidelobes and integrated sidelobe power, along with improved mainlobe resolution, compared to classic windowing techniques. Nonlinear apodization (NLA) techniques can also serve as powerful engines for effective superresolution and bandwidth extrapolation of coherent data for filling sparse apertures. The sparse aperture filling property of superresolution algorithms for radar data forms the basis for a new concept which is introduced here: synthetic multiple aperture radar technology (SMART). Increased swath and/or reduced antenna size are some of the benefits postulated for SMART applied to synthetic aperture radar (SAR) systems. The benefits of these new methods and applications for nonlinear apodization are then demonstrated for two specific applications: 1) sidelobe control for Y-type synthetic aperture radiometers, such as the European Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) system (Kerr et al.) and JPL's proposed GeoSTAR (Lambrigsten) concept; and, 2) filling of sparse synthetic aperture radar data by exploiting the bandwidth extrapolation properties of nonlinear apodization based superresolution techniques. The methods that have been developed and demonstrated herein have potential application to a wide range of passive and active microwave remote sensing and radar systems.