高速风洞模型姿态立体测量技术研究

Accurately measuring model attitude in real-time becomes more and more important as the rapid development of modern aerocraft. The task aims at studying the method to measure model attitude in high-speed wind tunnel with stereo photogrammetry. The contour of marker will be segmented with fast variational level set method, the position system is calibrated with non-linear scheme, and zero-drift of the system is also taken into consideration. Then the corrected imaging mode is presented by superimposing the refractive offset to the pre-calibration model. The presented technique can avoid airflow's impact to the base of positioning system, and expand the applied scope of stereo photogrammetry to small high-speed wind tunnel.

现代飞行器精细化的发展趋势亟需风洞试验具备精确、实时测量模型空间姿态的能力。本课题旨在应用光学立体测量技术，研究高速风洞中模型姿态的测量方法。设计基于变分水平集的方法提取标标识点轮廓，采用非线性方法标定定位系统，并同时考虑系统的零点漂移现象。然后计算定位系统光线通过风洞观察窗的折射偏移，标定出系统校正后的实际成像模型。利用本技术可以有效避免风洞试验过程中气流对定位系统基准的冲击，同时可将光学立体测量技术的应用范围拓展到小型高速风洞试验。

立体视觉技术在风洞试验领域的重要性愈发突出，在模型变形测量和运动轨迹追踪等方面得到越来越广泛的应用。本研究针对立体视觉测量技术在风洞试验中的应用特征，对基于多个线阵 CCD 相机的三维定位系统、柱面组合透镜、空间系统标定和玻璃折射偏移校正等进行了系统性的理论分析和试验研究，设计基于双高斯物镜的组合透镜，在降低光学畸变的前提下实现点光源到线光源的变换，同时，组合镜头可相对CCD进行三自由度微调，保证测量目标成像于焦平面附近；并根据需求设计了相应的光学成像系统和电路系统，完成测量系统软、硬件系统的开发，搭建一套能对空间多个光点进行高精度、实时光学定位的三维定位系统；标定过程中利用三坐标测量机构建虚拟阵列靶，采用线性标定的方法实现定位系统成像模型的的高精度解算。新测量系统在风洞自由振动试验机械阻尼测量和虚拟飞行试验中模型姿态追踪等试验中得到了应用。本研究对于进一步提升我国的风洞试验能力和技术测试水平，及国内风洞试验基础研究领域的长期、良性发展具有一定意义。