风洞结冰模型3D冰形测量关键技术研究

摘要

不同气象环境下飞机部件的结冰外形是飞机结冰研究必不可少的内容，对开展结冰气动分析、结冰防护设计、结冰飞行操作和结冰适航取证等研究具有重要意义。现有的冰形测量技术多存在容易损坏冰形、测量效率低等问题。针对该问题，本文提出基于视觉的非接触式测量方法，以实现冰形轮廓的测量。 本文首先介绍了风洞结冰模型的常用测量技术以及视觉三维测量技术发展现状。通过对不同冰形透射率的分析，提出两套完整的冰形轮廓测量实施方案：对表面透射率低的冰体，采用可见线结构光三角测量法的原理；对表面透射率高的冰体，采用红外激光激发辐射成像与激光三角法结合技术进行测量。对两套系统分别进行硬件搭建和软件算法设计，硬件平台用于采集冰体表面激光图像，软件算法设计主要包括光带图像的处理、中心线提取、测量系统的标定以及三维点云的获取。详细分析了两方法存在的关键技术和难点问题。在光带图像的获取上，分析了光带图像的特点从而选择合适的图像预处理方法，考虑结冰风洞存在冰雾和水滴造成图像的退化现象，采用基于暗通道的图像增强算法；为了获取更高的测量精度，先采用阈值分割法提取光带部分，采用Hessian矩阵和梯度重心法结合的方法提取光带中心线。在测量系统的标定上，基于双重交比不变性来获取足够数量的结构光平面标定点。在红外激光测量法中，我们针对红外相机设计了专用的高精度平面靶标，实验验证标定效果良好。 在实验室环境下进行验证试验，可见光测量系统对已知半径圆柱低透明度冰块进行了横截面轮廓测量，平均误差为0.15mm，平均相对误差为0.004，满足冰体表面轮廓的精细测量需求；红外激光测量系统对相同规格的高透明度冰块进行测量，平均误差为0.58mm，平均相对误差为0.012，重见效果良好，为高透明度冰体的轮廓测量奠定了一定的技术基础。

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