CN114740222B - 一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法 - Google Patents

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CN114740222B CN202210255200.6A CN202210255200A CN114740222B CN 114740222 B CN114740222 B CN 114740222B CN 202210255200 A CN202210255200 A CN 202210255200A CN 114740222 B CN114740222 B CN 114740222B
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Abstract

本发明公开了一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法，属于多相流测试领域。本发明提出了一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法，利用光的干涉设计了光路***，在待测流场当中形成交错激光网格，实现示踪分子的标记与激发。利用同步控制器实现增强型高速相机和脉冲激光器的时序控制，可实现动静叶栅间三维速度场及其均匀性的同步测量。同时，本发明根据激光光强特性重构磷光网格图像，可将速度场精度提高到亚像素精度。

Description

一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于多相流测试领域，尤其是一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法。
背景技术
在现代航空航天领域，发动机中动静叶栅间流速的高精度测量以及流场稳定性测量具有重大的意义。但是动静叶栅间空间小、速度大，成为测量的难点(动静叶栅间距8～10mm，转速可达几千转到几万转)。在加工过程中由于制造公差，会造成流场的不稳定，需要对流场周期内均匀性进行高精度测量。传统的测量方法，如：毕托管、热风线速仪，对流场干扰大，响应慢，难以适应小空间中高速流场的测量。近几年来，随着光学设备和高速摄影技术发展，一些光学非接触测速技术也得到了快速的发展，如：分子标记测速技术、激光多普勒测速法(LDV)和粒子图像测速法(PIV)等。其中，激光多普勒测速法和粒子图像测速法需要在流场中加入示踪颗粒，因为示踪颗粒的加入，会影响叶轮的正常运转，且由于颗粒的惯性较大，颗粒的滞后性很大，同时对流场的均匀性测量难以实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置，包括脉冲激光器和光路***，脉冲激光器用于发射激光，所述激光进入光路***内改变光路，之后经光路***的出口变成两束薄片状激光，所述激光薄片进入动叶片和静叶片之间待测流场中形成交错激光网格；
所述待测流场中采用联乙酰或丙酮作为示踪分子，待测流场为无氧环境；
待测流场的两侧分别设有第一增强型高速相机和第二增强型高速相机，第一增强型高速相机和第二增强型高速相机分别通过连接线连接有同步控制器，同步控制器连接有图像处理***；
所述第一增强型高速相机和第二增强型高速相机用于同步的拍摄示踪分子受激发后产生的磷光图像。
进一步的，光路***包括反光镜、分光镜和空气劈尖；
当一束激光通过空气劈尖后，分成多个薄片状激光，随后通过分光镜、反光镜将一束激光分成两束激光，两束激光进入待测流场中形成交错激光网格。
进一步的，空气劈尖包括第一石英玻璃和第二石英玻璃，第一石英玻璃和第二石英玻璃一端相接触，另一端之间设有金属丝；
两个石英玻璃之间形成一个空气薄膜，所述空气薄膜利用光的干涉将一束激光分成多个薄片状；
激光能够在第一石英玻璃的上表面激光全穿透，在下表面一部分发生发射，另一部分发生折射，在第二石英玻璃上表面发生全发射。
一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，基于本发明的动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置的进行，包括以下步骤：
步骤一、进行标定实验，计算第一增强型高速相机、第二增强型高速相机与实际空间位置关系，从而得到图像像素坐标a
32`和实际空间坐标之间的转换关系式：
Figure GDA0004001803650000031
式中：(u,v)代表像素坐标；(Xw,Yw,Zw)代表空间实际坐标；kij代表求解参数，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4；
步骤二、在示踪分子的磷光寿命内，利用第一增强型高速相机和第二增强型高速相机获得两个连续时刻t1、t2的磷光图像，分别表示为：
Figure GDA0004001803650000032
步骤三、对于t1时刻第一增强型高速相机、第二增强型高速相机获得的磷光图像
Figure GDA0004001803650000033
和/>
Figure GDA0004001803650000034
根据磷光最大强度点进行网格交点一一匹配，得到实际空间中同一个网格交点在两个不同相机拍摄图片中像素点的坐标，随后将两个像素点坐标带入式，计算出实际网格空间点的坐标(Xw,Yw,Zw)t1；
步骤四、分别对第一增强型高速相机、第二增强型高速相机获得两个时刻的磷光图像
Figure GDA0004001803650000035
和/>
Figure GDA0004001803650000036
和/>
Figure GDA0004001803650000037
进行互相关计算，得到同一个相机捕捉到两个不同时刻磷光网格图片中网格交点的对应关系；利用互相关算法计算得到t2时刻两个相机磷光图像/>
Figure GDA0004001803650000038
和/>
Figure GDA0004001803650000039
中网格交点的像素点的坐标，带入式，计算出t2时刻网格交点在实际空间中的坐标(Xw,Yw,Zw)t2；
步骤五、根据t1时刻和t2时刻网格交点在实际空间中的位置(Xw,Yw,Zw)t1、(Xw,Yw,Zw)t2与时间的关系，计算得到流场的三维速度场为
Figure GDA00040018036500000310
进一步的，步骤二还包括：
对所述磷光图像进行去噪处理，同时增强图像对比度；
对于单条磷光网格图像，在垂直于网格线的方向采用高斯函数对磷光光束进行拟合。
进一步的，通过对脉冲激光器、第一增强型高速相机和第二增强型高速相机的时序控制，使得对每个动叶片经过同一个静叶片时的速度场进行测量，通过比较不同动叶片之间的速度场的差异，从而实现流场的周期内均匀性的测量。
进一步的，测量速度场均匀性具体操作为：
当动叶片运动的转速为n，动叶片个数为k，则动叶片旋转一周的时间为
Figure GDA0004001803650000041
此时同一个静叶片经历2个相邻的叶片所需要的时间为/>
Figure GDA0004001803650000042
此时脉冲激光器的频率为f＝nk，高速相机拍摄时间/>
Figure GDA0004001803650000043
相邻两次脉冲激光激发时间满足：
Figure GDA0004001803650000044
当
Figure GDA0004001803650000045
时，脉冲激光器的频率为/>
Figure GDA0004001803650000046
高速摄像机拍摄时间
Figure GDA0004001803650000047
进一步的，在t1时刻，磷光网格图像初始分布布置在两个动叶片中间位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法，利用光的干涉设计了光路***，在待测流场当中形成交错激光网格，实现示踪分子的标记与激发。利用同步控制器实现增强型高速相机和脉冲激光器的时序控制，可实现动静叶栅间三维速度场及其均匀性的同步测量。同时，本发明根据激光光强特性重构磷光网格图像，可将速度场精度提高到亚像素精度。
进一步，根据激光的波长设计了空气劈尖，可进一步提高标记激光的质量，提高网格的空间分辨率，且在流场中形成一个高质量的网格磷光图像。
进一步，本发明根据动静叶栅的转速、半径、叶片数，设计了磷光拍摄时序，确定了相机频率、脉冲激光器频率、以及相机曝光时间等，可实现流场均匀性的测量，并提高的测量的精确性。
进一步，本发明利用分子标记测速技术测量动静叶栅间三维速度场，对流场无干扰，测量精度高。
附图说明
图1为动静叶栅间三维速度场测量装置的结构图；
图2为光路***的结构图；
图3为空气劈尖的结构图；
图4为磷光网格图像。
其中：01-脉冲激光器；02-激光；03-第一数据传输线；04-第一增强型高速相机；05-光路***；06-动叶片；07-第二增强型高速相机；08-第二数据传输线；09-静叶片；10-同步控制器；11-第三数据传输线；12-图像处理***；01-脉冲激光器；13-反光镜；14-分光镜；15-空气劈尖；16-第一石英玻璃；17-金属丝；18-第二石英玻璃。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明采用分子标记测速技术实现动静叶栅间三维速度场和流场均匀性的同步测量。其中，分子标记测速技术是一个非侵入式、非接触式激光诊断技术。其原理是采用特定波长的激光激发流场中示踪分子发出磷光，一定时间间隔后直接捕捉磷光信号确定示踪分子的位置，进而根据示踪分子位移-时间关系求解速度。分子标记测速技术能够有效的克服激光多普勒测速法和粒子图像测速法的缺点，能够很好的应用于动静叶栅间速度场的高精度测量，同时采用时序控制，可实现流场周期内均匀性测量。本发明基于分子标记测速技术提出了一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置及测量方法，可克服以往测试方法的缺点，实现动静叶栅间三维速度场和速度场均匀性的同步测量。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为动静叶栅间三维速度场测量装置的结构图，一种动静叶栅间三维速度场的高精度测量装置，由动静叶栅结构、光路***、图像捕捉***、图像处理四部分组成。动静叶栅结构由动叶片06和静叶片09组成，该结构可存在于发动机，燃气轮机当中。光路***主要由脉冲激光器01、反光镜13、空气劈尖15和分光镜14构成，用于在流场待测区域中构建交错激光网格，实现对待测流场内示踪分子的激发与标记。图像捕捉***主要由同步控制器10、第一增强型高速相机04和第二增强型高速相机07构成，可获得连续两个不同时刻示踪分子的磷光网格图像。图像处理***12主要根据示踪分子的磷光网格图像重建磷光网格三维模型，根据磷光强度分布特性，开发互相关算法得到不同时刻网格空间位置之间关系，从而得到三维速度场。
动静叶栅结构可存在发动机燃气轮机当中，采用石英玻璃对待测量区域进行可视化，同时为了避免拍摄过程其他荧光对示踪分子磷光的影响，应该对叶片进行氧化发黑处理。采用示踪分子为联乙酰、或者丙酮，此时流场中的气体应该无氧存在。氧气会造成示踪分子磷光淬灭。
参见图2，图2为光路***的结构图，光路***中一束激光通过空气劈尖15分成多个激光薄片，随后通过分光镜14、反光镜13将一束激光分成两束激光并且在待测流场中形成交错激光网格。利用光的干涉搭建高质量的激光网格，其中示踪分子受激发出磷光和激光强度成正比，根据激光强度特性，开发磷光图像重构算法，可将速度场精度提高的亚像素精度。
参见图3，图3为空气劈尖的结构图，空气劈尖15主要由两块石英玻璃和金属丝组成，两个石英玻璃之间形成一个空气薄膜，利用光的干涉将一束激光分成多个薄片。其中，第一石英玻璃16上表面激光可全穿透，下表面一部分发生发射，一部分发生折射；第二石英玻璃18上表面发生全发射。
激光在空气薄膜上下表面发生干涉，形成明暗相间的激光薄片。由于金属丝直径D很小，两相干光相遇时光程差约为
Figure GDA0004001803650000071
形成明暗条纹的条件为：
Figure GDA0004001803650000072
相邻两条明纹间空气薄膜的厚度差
Figure GDA0004001803650000073
可知相邻两条明纹之间的距离为l＝Δdsinθ，由于空气薄膜的角度从θ很小，近似为/>
Figure GDA0004001803650000074
金属丝直径D和相邻两条明纹间距l之间的关系为/>
Figure GDA0004001803650000075
当动静叶栅间距离为10mm，待测流场空间小，对激光网格质量要求高。选用联乙酰作为示踪份子，选用激光波长355nm，L为20mm，两条明纹之间的距离为1mm，此时金属丝直径为3.55×10-6m。利用6条明纹激光在待测流场形成一个6×6激光标记网格，从而实现待测流场的标记和激发。
图像捕捉***中增强型高速相机由高速摄像机、图像增强器、镜头以及滤波片等组成，可实现磷光信号的精准捕捉，测试中需要根据示踪分子磷光特性的不同选择不同尺寸的滤波片。同步控制器10通过第三数据传输线11连接有图像处理***12，同步控制器10通过第一数据传输线03连接第一增强型高速相机04，同步控制器10通过第二数据传输线08连接第二增强型高速相机07。同时，利用同步控制器10触发控制第一增强型高速相机04、第二增强型高速相机07以及脉冲激光器01，保证两个相机拍摄的每一帧图像是同步的，从而实现脉冲激光器和增强型高速相机时序控制。图像捕捉***中可在示踪分子的磷光寿命内，连续获得两个不同时刻t1和t2流场中的磷光网格图形。其中，连续拍摄的时间由相机频率决定
Figure GDA0004001803650000081
为了避免求解速度场时产生错误的信息，相邻图像中网格节点的最大位移应保持在网格间距的一半以下/>
Figure GDA0004001803650000082
此时，相机的频率为/>
Figure GDA0004001803650000083
且由于拍摄流场为高速流场，相机每一帧图像的曝光时间不宜太长，否则将会造成较大的拖影，对速度场的求解精度有较大的影响。为了保证测量精度，曝光时间Δt应满足/>
Figure GDA0004001803650000084
图像处理部分主要利用图像捕捉***得到的示踪分子磷光图像，并结合理论分析与图像处理技术，得到叶栅间三维速度场。在联乙酰磷光寿命内，利用第一增强型高速相机04和第二增强型高速相机07分别获得两个连续时刻的磷光图像，得到的磷光网格图像如图4所示分别表示为：
Figure GDA0004001803650000091
获得包含以下步骤：
步骤一、进行标定实验，计算两相机与实际空间位置关系，从而得到图像像素坐标和实际空间坐标之间的转换关系式：
Figure GDA0004001803650000092
式中：(u,v)代表像素坐标；(Xw,Yw,Zw)代表空间实际坐标；kij代表求解参数，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4)；
步骤二、对得到的磷光图像进行预处理，采用高斯滤波器、均值滤波器对图像进行去噪处理，去除背景噪声，利用图像处理软件，对图像进行统一处理，增强图像对比度，提高磷光图像亮度；
步骤三、对于单条磷光网格图像，在垂直于网格线的方向采用高斯函数对其磷光光束进行拟合，从而提高图像空间分辨率，将图像精度提高到亚像素；
步骤四、对于t1时刻两个相机获得的磷光图像
Figure GDA0004001803650000093
根据磷光最大强度点进行网格交点一一匹配，得到实际空间中同一个网格交点在两个不同相机拍摄图片中像素点的位置，随后将两个像素点坐标带入式2，计算出实际网格空间点的坐标(Xw,Yw,Zw)t1；
步骤五、分别对相机1和相机2获得两个时刻的磷光图像
Figure GDA0004001803650000094
和/>
Figure GDA0004001803650000095
和/>
Figure GDA0004001803650000096
进行互相关计算，得到同一个相机捕捉到两个不同时刻磷光网格图片中网格交点的一一对应关系。利用互相关算法计算得到t2时刻两个相机磷光图像(/>
Figure GDA0004001803650000097
和/>
Figure GDA0004001803650000098
)中网格交点的像素点的坐标，带入式2，计算出t2时刻网格交点在实际空间中的坐标(Xw,Yw,Zw)t2；
步骤六、根据t1时刻和t2时刻网格交点在实际空间中的位置(Xw,Yw,Zw)t1、(Xw,Yw,Zw)t2与时间的关系，从而计算得到流场的三维速度场为
Figure GDA0004001803650000101
Figure GDA0004001803650000102
进一步，由于实际制造加工过程中，因为工艺的差异，会造成动静叶栅间流场的不均匀，为了测量动静叶栅间三维速度场的大小以及流场的不均匀程度，可通过对脉冲激光器、增强型高速相机的时序控制对每个动叶片经过同一个静叶片时的速度场进行测量，通过比较不同动叶片之间的速度场的差异，从而实现流场的周期内均匀性的测量。速度场不均匀性测量可描述为：
当动叶片运动的转速为n，动叶片个数为k，叶片旋转一周的时间为
Figure GDA0004001803650000103
此时同一个静叶片需经历2个相邻的叶片所需要的时间为/>
Figure GDA0004001803650000104
此时脉冲激光器的频率为f＝nk，高速相机拍摄时间/>
Figure GDA0004001803650000105
由于示踪分子的磷光寿命可达1ms，为了保证同一时间待测流场中不会出现两组磷光网格图像，相邻两次脉冲激光激发时间应满足：/>
Figure GDA0004001803650000106
当
Figure GDA0004001803650000107
时，为了保证待测流场中不会出现两组磷光网格图像，脉冲激光器的频率为
Figure GDA0004001803650000108
高速摄像机拍摄时间/>
Figure GDA0004001803650000109
虽然脉冲激光器频率减小，但高速相机拍摄也随之变周期增大，将导致相机的内存增大。同时，为了保证测量的准确性，初始时刻，磷光网格图像初始分布应布置在两个动叶片中间位置。
一种动静叶栅间速度场均匀性测量流程如下：
1)根据待测流场的特征，选择示踪分子种类，确定激发激光波长，空气劈尖的结构，滤波片尺寸；
2)根据动叶片的转速、叶片数，确定脉冲激光器频率和拍摄周期；
3)根据叶片的转速和叶片直径确定估算流场速度Vest,max，计算相机频率和曝光时间；
4)设置好各个设备参数，开展相机标定实验，进行动静叶栅间速度场测量实验，同时计算流场速度Vact；
5)比较Vest,max和Vact,max的大小，若Vest,max>Vact,max，试验结束；若Vest,max<Vact,max，则需要根据Vact,max重新计算相机频率和曝光时间，重复实验，直到结束。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，基于动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置进行，所述动静叶栅间三维速度场均匀性测量装置，包括脉冲激光器(01)和光路***(05)，脉冲激光器(01)用于发射激光(02)，所述激光(02)进入光路***(05)内改变光路，之后经光路***(05)的出口变成两束薄片状激光，所述激光薄片进入动叶片(06)和静叶片(09)之间待测流场中形成交错激光网格；
所述待测流场中采用联乙酰或丙酮作为示踪分子，待测流场为无氧环境；
待测流场的两侧分别设有第一增强型高速相机(04)和第二增强型高速相机(07)，第一增强型高速相机(04)和第二增强型高速相机(07)分别通过连接线连接有同步控制器(10)，同步控制器(10)连接有图像处理***(12)；
所述第一增强型高速相机(04)和第二增强型高速相机(07)用于同步的拍摄示踪分子受激发后产生的磷光图像，包括以下步骤：
步骤一、进行标定实验，计算第一增强型高速相机(04)、第二增强型高速相机(07)与实际空间位置关系，从而得到图像像素坐标和实际空间坐标之间的转换关系式：
Figure FDA0004001803640000011
式中：(u,v)代表像素坐标；(Xw,Yw,Zw)代表空间实际坐标；kij代表求解参数，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4；
步骤二、在示踪分子的磷光寿命内，利用第一增强型高速相机(04)和第二增强型高速相机(07)获得两个连续时刻t1、t2的磷光图像，分别表示为：
Figure FDA0004001803640000012
Figure FDA0004001803640000013
步骤三、对于t1时刻第一增强型高速相机(04)、第二增强型高速相机(07)获得的磷光图像
Figure FDA0004001803640000021
和/>
Figure FDA0004001803640000022
根据磷光最大强度点进行网格交点一一匹配，得到实际空间中同一个网格交点在两个不同相机拍摄图片中像素点的坐标，随后将两个像素点坐标带入式(2)，计算出实际网格空间点的坐标(Xw,Yw,Zw)t1；
步骤四、分别对第一增强型高速相机(04)、第二增强型高速相机(07)获得两个时刻的磷光图像
Figure FDA0004001803640000023
和/>
Figure FDA0004001803640000024
Figure FDA0004001803640000025
和/>
Figure FDA0004001803640000027
进行互相关计算，得到同一个相机捕捉到两个不同时刻磷光网格图片中网格交点的对应关系；利用互相关算法计算得到t2时刻两个相机磷光图像/>
Figure FDA0004001803640000028
和/>
Figure FDA0004001803640000029
中网格交点的像素点的坐标，带入式(2)，计算出t2时刻网格交点在实际空间中的坐标(Xw,Yw,Zw)t2；
步骤五、根据t1时刻和t2时刻网格交点在实际空间中的位置(Xw,Yw,Zw)t1、(Xw,Yw,Zw)t2与时间的关系，计算得到流场的三维速度场为
Figure FDA00040018036400000210
通过对脉冲激光器(01)、第一增强型高速相机(04)和第二增强型高速相机(07)的时序控制，使得对每个动叶片(06)经过同一个静叶片(09)时的速度场进行测量，通过比较不同动叶片(06)之间的速度场的差异，从而实现流场的周期内均匀性的测量。
2.根据权利要求1所述的动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，光路***(05)包括反光镜(13)、分光镜(14)和空气劈尖(15)；
当一束激光通过空气劈尖(15)后，分成多个薄片状激光，随后通过分光镜(14)、反光镜(13)将一束激光分成两束激光，两束激光进入待测流场中形成交错激光网格。
3.根据权利要求1所述的动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，空气劈尖(15)包括第一石英玻璃(16)和第二石英玻璃(18)，第一石英玻璃(16)和第二石英玻璃(18)一端相接触，另一端之间设有金属丝(17)；
两个石英玻璃之间形成一个空气薄膜，所述空气薄膜利用光的干涉将一束激光分成多个薄片状；
当激光入射时，激光能够在第一石英玻璃(16)的上表面激光全穿透，在下表面一部分发生发射，另一部分发生折射，在第二石英玻璃(18)上表面发生全发射。
4.根据权利要求1所述的动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，步骤二还包括：
对所述磷光图像进行去噪处理，同时增强图像对比度；
对于单条磷光网格图像，在垂直于网格线的方向采用高斯函数对磷光光束进行拟合。
5.根据权利要求4所述的动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，测量速度场均匀性具体操作为：
当动叶片(06)运动的转速为n，动叶片(06)个数为k，则动叶片(06)旋转一周的时间为
Figure FDA0004001803640000031
此时同一个静叶片(09)经历2个相邻的叶片所需要的时间为/>
Figure FDA0004001803640000032
此时脉冲激光器的频率为f＝nk，高速相机拍摄时间/>
Figure FDA0004001803640000033
相邻两次脉冲激光激发时间满足：
Figure FDA0004001803640000034
当
Figure FDA0004001803640000035
时，脉冲激光器的频率为/>
Figure FDA0004001803640000036
高速摄像机拍摄时间/>
Figure FDA0004001803640000037
6.根据权利要求4所述的动静叶栅间三维速度场均匀性测量方法，其特征在于，在t1时刻，磷光网格图像初始分布布置在两个动叶片中间位置。
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