案例研究：高速摄像机辅助风洞中的机翼变形测量测试
在此风洞测试应用中，德荷风洞选择了带有 10MP CMOS 传感器的 Emergent 20GigE 相机，因为它的光纤接口允许它们将所有四个相机从风洞模拟运行到一台远程 PC。
German-Dutch Wind Tunnels (DNW) 是世界领先的风洞服务提供商之一，由德国航空航天中心 (DLR) 和荷兰皇家航空航天中心 (NLR) 成立。 DNW 在德国和荷兰运营着六个风洞，包括不伦瑞克、哥廷根、阿姆斯特丹和 DNW 在马克内塞的总部。 通过将飞机、车辆、建筑物或其他实体模型置于已知速度的气流中，风洞使研究人员能够研究物体周围的气流或风对物体的影响。 DNW 运营着欧洲最大的风洞之一，为学术界和航空工业以及汽车、土木工程、造船、体育和其他行业的空气动力学研发项目提供实验模拟解决方案。
DNW 提供实验性空气动力学模拟。 通过运行六个风洞，包括亚音速、跨音速和超音速设施，DNW 可以评估工程和自然界中几乎所有的气流特性。 DNW 通过在受控环境中测试（缩放）模型，为行业提供空气动力学、气动声学和气动弹性仿真技术的数据。 它提供了广泛的模拟。 典型应用包括起飞、着陆和巡航飞机配置的性能表征； 机身降噪的气动声学研究； 在隔离和安装配置中模拟飞机推进。
风洞测试通常是高度专业化和具有挑战性的（图 1）。 风洞模型很复杂，仪器也很高科技。 除了极其严格的制造公差和细致的表面处理外，模型还配备了大量的测量设备和控制系统，例如力平衡、气动马达和遥控器。 此外，空气动力学和气动声学模拟通常需要复杂的工程设计。 例如，对于地下效应，被测物体下方的地面使用集成的移动带系统进行模拟。 移动带，也称为滚动道路系统，是集成在风洞地板中的 7.92 x 9.6 m 钢带。 它与空气同步移动，风速可达每秒 80 米。 将所有仿真、控制和测量技术集成到高效、经济的风洞测试中是一项艰巨的任务。 训练有素的 DNW 员工与客户和供应商密切合作，详细准备项目，并致力于为未来的可持续航空提供创新解决方案。
图 1：在 DNW-LLF 风洞中靠近移动地平面的 Dassault Falcon 公务机模型（图片由 Dassault Aviation 提供）。
立体点跟踪系统
DNW 的一项关键功能是从风洞测试中提取尽可能多的高质量数据。 为了提高服务质量和成本效益，DNW 不断开发测量技术和测试结果分析方面的高水平专业知识。 DNW 通常采用测量表面压力、力、速度和噪音的技术。 评估飞机性能需要准确了解螺旋桨、旋翼叶片和机翼几何形状。 在从起飞到着陆期间发生的各种风载荷下，风洞模型部件变形，导致机翼弯曲和扭曲。 一个 立体点跟踪系统 由 DNW 开发，通过在风洞测试期间从不同角度同时跟踪标记来测量此类模型变形。
该系统足够灵活，可以促进各种实验模拟，几乎可以处理任何标记数量、分布和布局。 当前的一项申请是一个名为 UHURA 的欧盟资助项目（根据欧盟地平线 2020 年拨款协议第 769088 号资助）。 这 优呼拉 项目旨在开发用于非定常高升力空气动力学的数值工具。 Krueger 襟翼是一种前沿设备，有望实现层流机翼技术。 该技术被视为运输机机身减阻的主要单一来源，将成为实现减排目标的关键技术。 克鲁格襟翼可以发挥双重功能，既可以提高气动高升力性能，又可以在起飞和着陆期间保护前缘免受污染。 由于其特定的部署路径，工程师需要充分了解瞬态行为期间的流动以及准确的零件位置和几何形状。
来自 DNW 风洞的实验测量为 UHURA 提供了一个独特的数据集，用于验证先进的 计算流体动力学 (CFD) 楷模。 详细的流量测量来自 粒子图像测速仪 (PIV) 和模型变形测量，可以研究流体和机翼结构之间的相互作用。 由此产生的理解可用于预测运输机系统高升力装置的行为和设计优化的技术。 这种先进的方法使飞机制造商能够进行更复杂的零件设计并显着缩短设计提前期。
需要长相机电缆
根据测试类型，DNW 使用 Emergent Vision Technologies 的两台或四台 20 MP、10GigE HR-20000 相机（图 2）来监控配备非侵入式标记的风洞模型。 HR-20000 相机采用 AMS 的 35 毫米全画幅光学格式 CMV20000 CMOS 传感器。 在全 5120 × 3840 分辨率下，这款相机达到 32 fps。 HR-20000 还提供 < 1µs 的多相机同步和低 CPU 开销。 立体相机设置要求在风洞中相隔一定距离安装四个相机，以便它们可以从不同角度捕捉标记的图像。 根据 DNW 的仪器工程师 Gerrit Feenstra 的说法，之所以选择 HR-20000 相机，是因为它们具有出色的性价比和光纤接口，允许电缆运行长达 10 公里，而无需光纤转换器或中继器。
“在 Emergent 推出其 10 GB 以太网光纤接口之前，我们进行了复杂的测试设置。 摄像机和计算机之间的电缆长度限制为 2 到 3 米，这意味着立体成像系统需要在风洞中使用两台 PC，”Feenstra 解释道。 “Emergent 的光学接口更适合，因为我们可以将所有四个摄像机从风洞模拟运行到一台远程 PC，可以将其设置在更方便的位置。”
图 2：DNW 依靠 Emergent Vision Technologies 的 HR-20000 相机对航空模拟和风洞测试模型进行精确定位。
变形测量
立体点跟踪测量技术基于跟踪被测物体标记物的三维坐标，已成功应用于以下项目： 高速跟踪坠落物体 和客机 机翼变形测量 到高精度直升机旋翼跟踪实验。 在这些实验中，将具有已知坐标的标记网格阵列应用于被测对象。 标记可以是主动控制的嵌入式光源或被动荧光粘合剂或喷漆标记。
在 UHURA 项目的模型变形测试期间，Emergent 相机设置捕捉了布置在机翼和 Krueger 装置模型上的被动荧光标记的视频，因为它们在风洞中的各种空气动力学模拟下展开和缩回（图 3）。 从自定义图像分析软件获得的高精度三维标记位置作为校准软件的输入，校准软件将二维数码相机图像平面与模型的测量体积相关联。
进一步的图像分析确定了模型的几何特性，例如其精确的姿态、位置以及弯曲和扭曲分布。 机翼变形通过基于单个标记网格点建模 3D 有限元表面几何形状（空间中的三角形线框，没有不连续点）来表示。 实时提供包括基于误差传播算法的统计误差估计的数据（高达 500 Hz）。
系统的空间分辨率取决于相机类型、镜头系统、模型长度比例和标记配置。 像素分辨率可达十分之一像素。 坐标分辨率取决于相机芯片尺寸和模型尺寸（数量级为 1/(10 * R)，其中 R 是每成像米的像素数量）。 对于典型的全翼展风洞模型，机翼位移的坐标检测精度约为弦长的0.5‰，机翼扭转（扭力）的坐标检测精度约为0.1度。
图 3：在 UHURA 项目的模型变形测试期间，风洞中的立体摄像机设置捕捉了布置在机翼和克鲁格襟翼模型上的被动荧光标记的视频，因为它们在各种空气动力学模拟下展开和缩回。
紫外线照明技术
在每个实验期间，在设置风洞条件后，隧道照明变暗并激活定制的高功率 405 nm 紫外光源。 为了通过相机系统为标记检测产生足够的照明和对比度，战略性地放置在风洞中的十几个或更多光源依赖于 28、30 W 405 nm LED 阵列。 紫外线灯照亮标记，将黄色反射回相机。 根据 Feenstra 的说法，使用光学长通滤光片可以抑制紫外线照射，同时仍能透过标记发出的荧光。 这会创建一个高对比度的真实黑白图像，便于计算机进行标记定位和构建 3D 点云。
“自 2016 年以来，我们一直在使用 Emergent 相机在风洞中精确定位模型并进行变形测量，”Feenstra 说。 “它们是常量，始终安装在隧道中，并且始终在每次测试中运行，持续监控模型的定位并跟踪标记。 它们的功能在起飞和着陆场景的地面效应调查中尤为重要，这是我们在 DNW 所做的大部分工作，因为如果模型接触到滚动道路系统，它可能会损坏模型，该系统模拟跑道在飞机下方移动每秒 80 米的飞机模型。”
未来设计
基于使用 20 MP 10GigE HR-20000 相机项目的初步成功，DNW 升级了相机并从 Emergent Vision Technologies 购买了两台 HZ-21000-G 相机以备将来使用。 作为屡获殊荣的 Zenith 系列 100GigE 相机的一部分，这些 21 MP 相机通过 QSFP542 28GigE 接口实现了 100 fps 的帧速率。
公认是 2022 顶尖创新 由 inVISION 杂志报道，HZ-21000-G 采用 Gpixel 的 GSPRINT4521 全局快门 CMOS 图像传感器。 借助新相机，DNW 可以实现显着更快的帧速率，并具有与 HR-20000 相机相同的优势，包括 < 1µs 的多相机同步和低 CPU 开销。
了解更多信息：
Emergent Vision Technologies 的高速相机：
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
