画像取得デバイスのナイキスト周波数を超える超解像非定常圧力変動現象解明技術

Research Project

Project/Area Number	22K03916
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research Institution	Japan Aerospace EXploration Agency
Principal Investigator	中北和之国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主幹研究開発員 (50358595)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小澤雄太青山学院大学, 理工学部, 助教 (10898290) 野々村拓名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60547967)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	非定常PSP計測 / 空力騒音 / NACA0012翼 / 超解像計測 / 高速度カメラ / 非定常PSP計測技術 / 非定常空力現象 / 画像計測
Outline of Research at the Start	風洞試験における縮尺模型を用いた航空機や輸送機械等の空力騒音源の解明では、現象周波数は実際の機体現象に対し縮尺比に反比例した高周波数となる。非定常感圧塗料（PSP）計測技術での基本画像取得デバイスである高速度カメラでは、十分な画像解像度での計測フレームレートは高々数10 kfps（frame-per-second）であり、縮尺模型での非定常現象はナイキスト周波数を超える高周波数域となる。十分な高周波数で計測された非定常圧力センサやマイクロホンデータを組み合わせることで非定常PSP計測の画像取得デバイスのナイキスト周波数を超える超解像化により高周波数空力騒音現象解明の基盤技術を開発する。
Outline of Annual Research Achievements	2023年度は、2022年3月実施の２次元NACA0012模型（コード長25cm）トレーリングエッジノイズ流れ場計測の超解像処理を行った。従来型非定常PSP計測で高速度カメラで10kfpsで計測したものを基準データとし、10kfpsからダウンサンプリングした1kfps高速度カメラデータと非定常圧力センサデータ（20kHz）から20kHzに超解像したPSP結果を比較した。現象は定性的に再現されたが、圧力変動の振幅が30～80%に減衰する問題が発生した。また、圧力変動の部位外となる可能性のある模型固定の非定常圧力センサに対し、設置場所依存性がないマイクロホンを用いた超解像も試みたが、現象は得られなかった。 2023年度試験では、1）マイクロホンを用いた超解像PSP計測実現、2）10kfps計測を1kfps、500fps、100fpsとダウンサンプリング率を変化（高速度カメラfpsの何倍まで計測できるかに相当）させた計測忠実度評価、3）高速度カメラより暗ノイズが小さいsCMOSカメラを用いた低ノイズ超解像計測の可能性確認を行った。 1）マイクロホンを使った超解像では、高感度マイクを使用することで高S/Nデータが獲得でき、非定常圧力センサと同様に定性的に10kfps非定常PSPと一致する結果を得ることができた。定量的には依然、振幅減衰が生じ低次元化の取り込みモード数を増やす必要がある。 2）計測fps変化では、500→100fpsとダウンサンプリングの増大につれ振幅減衰が大きくなった。低次元化のモード数一定の条件下でノイズ由来モードの混入増大が原因と考える。有意な超解像倍率限界を定義するよう研究を進める。 3）sCMOSカメラは暗ノイズは小さいが、PSP発光計測時はショットノイズが支配的でありS/Nは高速度カメラと同レベルとなった。最高fpsが小さいsCMOSの優位性はなしと評価した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason おおむね順調に進捗している。2022年度試験データを処理し、ダウンサンプリングした時系列圧力変動画像と高速計測した非定常圧力センサデータから超解像時系列圧力変動データを定性的に再構成できることが確認でき、高速計測データは模型上の圧力データでなくとも空力騒音圧力変動場と相関するマイクロホンデータであっても同様な超解像再構成が可能であることも確認した。圧力変動量の定量値が減衰しないモード選択手法の開発、超解像可能な現象周波数と高速度カメラ周波数の関係の定義が課題である。最大でも100fpsだが低ノイズデバイスとして知られるsCMOSカメラによる低ノイズ超解像技術に関しては、トライアル計測にて発光計測時のショットノイズはsCMOSの暗ノイズを大きく上回るレベルであり、超高速カメラでの計測カウント値とsCMOSでの計測カウント値を同レベルにそろえた場合、カウント値対ショットノイズのS/N比は両者ほぼ同等であった。この場合、最高計測fpsの小さいsCMOSを使うことに優位性はないと結論した。当初に計画していたコード長5cm模型での高周波数現象の超解像トライアルは、比較対象となる面計測データがないことから、10kfps従来型非定常PSP計測での高速度カメラをダウンサンプリングすることで代替することとした。
Strategy for Future Research Activity	最終年度となる2024年度には、まず、すでに取得済みの試験データを用い、定性的には超解像処理を実証した非定常圧力センサ及びマイクロホンデータを用いた超解像に対し、圧力変動量の定量値の減衰を改善する手法の探求を行う。また、超解像可能な現象周波数と高速度カメラ周波数の関係の定義についても活動を進める。また、2022年度と2023年度は２次元NACA0012模型後縁のトレーリングエッジノイズ流れ場をテストスタンドとして技術開発を行ってきた。この流れ場はコヒーレンス長が大きく、圧力変動が存在する領域は相関性が高く、ほぼ２次元的な圧力変動場である。2024年度にも２週間の風洞試験枠を確保しているが、ここでは超解像技術の汎用性を高める観点から、複数の独立した圧力変動領域が存在する流れ場でもそれぞれの領域に非定常圧力センサが設置されている条件、およびマイクで複数の空力騒音を同時に計測している条件に対し、複数の流れ場を同時に超解像して再構築することを可能とする技術についても実証を行う計画である。