结冰生长过程3D冰形在线测量方法

In icing wind tunnel experiments, it is very important to obtain time-resolved three-dimensional ice shape in ice accretion with 3D ice shape online measurement. This data is useful to discover the relationship between ice shape and icing parameters, verify the CFD calculated ice shape, and research the unsteady conditions icing experiment. To solve the problem that the 3D ice shape measurement method provided by NASA can not directly measure the transparent and mirror ice like graze ice. This project research a novel imaging method named as “laser-excitation-radiation imaging (LERI) ”. In addition, the image degradation caused by ice fog and wind tunnel vibration interference problems are researched in order to obtain high-precision 3D ice shape in ice accretion. The main research contents include: 1) the transparent and mirror ice surface structured light imaging method; 2) the image processing method for degraded images caused by fog in icing wind tunnel; 3) the correction methods for wind tunnel vibration interference; 4) the high precision 3D vision measurement algorithms. These scientific questions are extracted from the experiments in the large engineering icing wind tunnel. These researches are aim at the icing wind tunnel experiment large demand, with a strong academic value and engineering application prospect.

在结冰风洞试验中，进行结冰生长过程3D冰形在线测量，获取时间解析冰体三维形状数据，对探索结冰体外形与试验参数关系，验证CFD计算结果，开展非定常条件结冰试验研究等具有重大意义。本项目针对NASA提出的三维冰形测量方法不能直接测量透明、镜面冰体,无法满足在线测量需求的问题，研究新颖成像方法-激光激发辐射成像，解决透明、镜面冰体线结构光成像问题；研究图像数据处理方法，解决气流中水雾、洞体振动干扰问题，以获取高精度结冰生长过程3D冰形数据。主要研究内容包括：1）透明、镜面冰体线结构光成像方法；2）风洞试验中冰雾条件下退化图像处理方法；3）风洞试验中洞体振动干扰修正方法；4）高精度3D视觉测量算法。项目的科学问题和研究内容是从国家重大科技基础设施-大型结冰风洞试验的工程实践中所提炼，研究目标直接针对大型结冰风洞试验需求，具有较强的学术研究价值和工程应用前景。

飞机结冰广泛存在于飞行过程中，是造成飞行安全事故的主要隐患之一。机身表面结冰后会改变飞机绕流流场，导致部件载荷分布发生变化，进而破坏空气动力学性能，影响飞机的操纵性和稳定性，危害飞行安全。因此，飞机结冰及其防护问题一直是航空领域重要的研究内容。结冰风洞试验是目前开展飞机结冰研究的重要手段之一。在风洞结冰试验中，进行结冰生长过程3D冰形在线测量，获取时间解析冰体三维形状数据，对探索结冰体外形与试验参数关系，验证CFD计算结果，开展非定常条件结冰试验研究等具有重大意义。.为实现风洞试验中结冰生长过程3D冰形在线测量，本项目针对现有三维冰形测量方法不能直接测量透明、镜面冰体,无法满足在线测量需求的问题，研究激光激发辐射成像，用于解决透明、镜面冰体线结构光成像问题。具体研究内容包括：1）借鉴SFH和SFUV方法思想，分别研究和测试了透明冰体中波红外、UV激发辐射成像技术,最终选择中波红外，设计了线结构光测量系统，实现了三种冰型线结构光清晰成像，获得了透明冰体三维测量结果；2）针对风洞试验在线测量中水雾吸收中波红外产生的遮挡问题，提出了停止喷雾、空气吹扫的有效试验策略，消除了喷雾对激光成像的干扰；3）针对生产型结冰风洞试验存在的振动干扰问题，研究了基于主动视觉的振动干扰修正方法，以在轨道扫描测试平台实现了结构光测量系统振动修正；4）研究了基于神经网络的高精度线结构光测量系统标定方法和基于BM3D的激光光条提取算法，提升了测量系统精度，最终实现了结冰生长过程3D冰形在线测量。.本项目探索了激光激发辐射成像方法，测试了中波红外和UV光谱激光，证实激光激发辐射成像方法是一种有效的解决透明、镜面反射明冰三维测量的有效方法，未来有望应用于生产型结冰风洞试验测试中。