【摘要】：高超聲速飛行器在未來(lái)軍事、政治和經(jīng)濟(jì)中將發(fā)揮重要的戰(zhàn)略作用,已成為各國(guó)搶戰(zhàn)空間戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)的利器。高超聲速風(fēng)洞作為高超聲速流場(chǎng)測(cè)量研究的理想平臺(tái)受到各國(guó)的高度重視,測(cè)量技術(shù)能否準(zhǔn)確地測(cè)量高超聲速流場(chǎng)成為了高超聲速技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。由于高超聲速流場(chǎng)的非定常特性,對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了很高的要求。粒子圖像測(cè)速法(Particle Image Velocimetry,PIV)自誕生以來(lái),廣泛應(yīng)用于高速流場(chǎng)測(cè)量中。PIV圖像處理技術(shù)涉及PIV圖像處理算法和PIV圖像處理系統(tǒng),具有非常重要的理論意義和實(shí)際意義。本文對(duì)PIV圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行了研究,具體研究工作如下:(1)針對(duì)當(dāng)前PIV測(cè)量技術(shù)采用PC作為處理平臺(tái)而導(dǎo)致的實(shí)時(shí)性不足問(wèn)題,本文對(duì)PIV圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行了研究,并開發(fā)了一套PIV圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理流場(chǎng)圖像,圖像處理速率最高可達(dá)100fps,數(shù)據(jù)傳輸帶寬最高可達(dá)10.24Gbps。(2)針對(duì)PIV圖像的實(shí)時(shí)處理需求,設(shè)計(jì)了一套基于FPGA+2DSP架構(gòu)的PIV圖像處理硬件平臺(tái)。該平臺(tái)以FPGA芯片作為控制核心,DSP芯片作為處理核心,顯示單元作為人機(jī)交互核心。相較于傳統(tǒng)平臺(tái),大幅提高了傳輸速率和處理速率。(3)針對(duì)PIV圖像處理硬件平臺(tái)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了PIV圖像處理平臺(tái)固件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CameraLink數(shù)據(jù)的接收,DDR3的圖像數(shù)據(jù)高速緩存,Switch芯片的配置,SRIO高速數(shù)據(jù)據(jù)傳輸和以太網(wǎng)通信傳輸?shù)�。最后�?duì)各固件子模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各子模塊工作正常,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率高達(dá)99%。(4)針對(duì)PIV圖像處理系統(tǒng)的算法實(shí)時(shí)處理需求,設(shè)計(jì)了預(yù)處理算法固件系統(tǒng)和流場(chǎng)估計(jì)算法固件系統(tǒng)。前者采用高斯濾波算法消除圖像噪聲,流場(chǎng)估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了互相關(guān)算法和光流算法的實(shí)時(shí)處理。針對(duì)預(yù)處理算法固件系統(tǒng)和流場(chǎng)算法固件系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明預(yù)處理固件系統(tǒng)能夠有效去除圖像噪聲,流場(chǎng)算法固件系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出流場(chǎng)的速度矢量圖和幅值矢量圖,處理速率高達(dá)100fps。
【圖文】：

(a) (b)圖 4-10 真實(shí)流場(chǎng)圖片處理前后對(duì)比。(a) 處理前圖片，(b) 處理后圖片真實(shí)流場(chǎng)圖片預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)流程和模板圖片預(yù)處理實(shí)驗(yàn)是一致的，差別僅僅在于 CameraLink 數(shù)據(jù)生成板卡上存儲(chǔ)的圖片是真實(shí)圖片。圖 4-10 為預(yù)處理前后的對(duì)比。由圖 4-10 可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，圖片中的高斯噪聲已被消除，證明了預(yù)處理模塊能夠有效地去除 PIV 圖像中的高斯噪聲。4.4 本章小結(jié)本章首先介紹了圖像預(yù)處理算法對(duì) PIV 圖像處理系統(tǒng)的意義，，本設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)處理的要求選擇了高斯濾波算法作為圖像預(yù)處理算法；根據(jù)所選的預(yù)處理算法進(jìn)行了固件設(shè)計(jì)，針對(duì)預(yù)處理固件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；最后分別設(shè)計(jì)了模板圖片實(shí)驗(yàn)和真實(shí)圖片實(shí)驗(yàn)對(duì)整個(gè)預(yù)處理算法固件模塊進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)處理算法模塊能夠?qū)D像中的高斯噪聲進(jìn)行有效處理，顯著地提高了 PIV 圖像的圖像質(zhì)量，為 PIV 圖像的后續(xù)算法處理打下了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.41;O35

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2632164