DIC测量技术用于风洞试验模型姿态角与变形测量

在航空工业风洞试验中，分析模型真实姿态角度、零部件动态变形数据，是校验仿真结果、优化飞行器气动外形的关键。传统接触式测量会干扰风洞内部气流，很难完成高速旋翼等复杂工况测试。

DIC数字图像相关测量技术属于非接触光学测量手段，能够同时解算模型俯仰、偏航、滚转姿态角，同时采集零部件三维变形，是风洞试验主流测试方案。

一、风洞DIC姿态角测量原理

风洞试验飞行器模型有三个核心姿态角：俯仰角、偏航角、滚转角，用来描述模型在空中的偏转状态。DIC光学测量技术依靠相机识别模型上标记点/散斑，建立现实世界坐标系和飞行器模型自身坐标系的换算关系，计算出三个角度。

1、俯仰角：可以简单理解成飞行器“抬头低头”的角度。把水平面当作参考基准，飞行器机体前后方向的轴线，向上抬或者向下低头，这条轴线和水平面之间形成的夹角，就是俯仰角。抬头角度为正，低头角度为负。

2、偏航角：相当于飞行器 “往左、往右摆头”。不看抬头低头，只看水平面上的转向。把飞行器机体轴线投影到水平面上，这个投影线和世界坐标水平基准轴之间的夹角就是偏航角，反映模型水平方向朝左或朝右偏转的大小。

3、滚转角：就是飞行器 “左右翻滚、侧倾”的角度。就像飞机机翼一侧抬高、一侧压低发生侧身翻转。以飞行器向前的轴线为转轴，机体平面相对于竖直铅垂面发生扭转，两者之间的夹角即为滚转角。。

新拓三维DIC测量系统通过相机捕捉模型表面特征点，把模型自身坐标系映射到风洞试验的世界坐标系，直接输出实时的俯仰、偏航、滚转三个角度数值。

针对螺旋桨这类高速旋转部件，采用高空俯视拍摄、低曝光成像，结合改进锁相环完成扇叶降频拍摄，解决高速旋转物体成像模糊难题，同时完成姿态与部件变形同步采集。

二、风洞复杂工况下相机振动抑制技术

风洞试验运行时，强气流冲击、设备共振会造成测量相机发生无规则抖动，直接改变相机外部参数，带来姿态角、变形测量误差。DIC测量技术方案从硬件结构加固、软件算法校正、共轭检测模型三层逻辑解决振动干扰。

硬件抗振结构设计：相机固定支架选用高强度铝合金或者碳纤维材料，提升支架结构刚性；配套定制相机减振装置，削弱气流冲击带来的机械扰动。

软件动态定位功能：在风洞试验段内完全静止不动的刚性构件表面粘贴标记点作为空间基准。试验全程软件不间断识别这些固定标记点，实时完成相机位置校准，抵消相机晃动引入的测量偏差。

相机共轭检测模型外参动态修正：试验过程中相机组会跟随垂尾摆动产生位移，交汇测量依赖精准的相机外参数。每组相机配置一台专门用于动态定位的相机，采集机背参考区域标志点，依托空间后方交汇理论，动态更新整套相机组的绝对外参数，保障多相机交汇测量精度，适配分布式多相机测试工况。

三、DIC锁相环功能，适配高速运动测试场景

针对风洞旋翼高速旋转、构件高频振动工况，系统搭载优化后的外部触发锁相环功能，是高速动态测试的核心能力。

实现原理：DIC软件实时读取被测物体运动频率，统一锁定首帧图像采集位置，保证多次采集都从运动物体同一个相位位置启动，同时实时展示采集帧率。

超高速运动场景：高帧率相机配合锁相环功能，物距 8m 工况下，可追踪最高 25m/s 的运动物体运动轨迹，满足螺旋桨、旋翼动态测试需求。

强晃动耦合场景：适用于大型构件振动试验，当整套测量设备会跟随被测件一起震动的工况，依靠锁相环配合动态定位算法，抑制整体晃动带来的数据失真。

四、DIC 技术在风洞试验的应用价值

传统应变片、单点位移传感器属于接触式测量，粘贴传感器会改变模型局部流场，同时测点数量有限，很难同步获取姿态角和全场变形。

新拓三维非接触式DIC测量系统，不需要在被测模型表面布设接触式传感器，不对气动流场造成干扰；单次试验即可同时输出三维姿态角、全场位移变形数据，广泛用于旋翼桨叶形变监测、飞行器模型气动弹性研究、CFD仿真结果对标，助力航空风洞试验研发迭代。

用户关注FAQ

Q1：风洞环境振动大，DIC测出来的姿态角误差会不会很大？

A：不会。一方面硬件采用高刚性支架和定制减振装置削弱机械振动；另一方面依靠风洞静止位置标记点，结合相机共轭检测模型，动态刷新相机外参数，抵消相机晃动带来的测量偏差，保障姿态角、变形测量结果可靠。

Q2：DIC技术可以作风洞里面高速旋转螺旋桨、旋翼的测量吗？

A：可以。依靠锁相环降频采集功能搭配短曝光拍摄，锁定旋转物体固定相位成像，8米物距条件下能够跟踪最高 25m/s 运动物体，适配旋翼、螺旋桨动态测试。

Q3：闭口风洞和开口风洞，DIC的测量范围有什么差别？

A：闭口试验最大测量2.5m，最大测量距离5m；开口试验最大测量平面 5.0×5.0m，最大物距可达8m，选型需要结合风洞试验段尺寸、被测模型大小确定硬件配置。

Q4：开展姿态角+三维变形风洞试验，需要配置几台相机？

A：三维姿态角与变形测量基础需要双目双相机；针对大尺寸模型全表面测量，可扩展至6 台相机，系统支持控制箱级联，保障多相机同步采集稳定性。

Q5：标记点测量和数字散斑测量，精度和用途有什么区别？

A：标记点单点独立测量精度≤0.2mm，适合用来解算模型姿态角；数字散斑全场位移测量精度≤0.5pixel，主要获取构件完整的变形场；实际测试中两种手段可以搭配使用。

使用场景：于高空进行俯视拍摄航飞机螺旋桨，使用低曝光利用改进锁相环功能将飞机螺旋桨扇叶进行降频拍摄。配合坐标转换装置进行风洞试验模型的姿态角测量和模型部件的变形测量。