CN101793905A - 光纤式二维风速/风向测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风速/风向测量、数字图像处理等技术领域，涉及光纤式二维风速/风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分，在光纤末端的下方固定有摄像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图像计算风速和风向。本发明同时提供一种采用上述测量装置实现的二维风速/风向测量方法。本发明具有结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适中等特点。
Description
技术领域
本发明属于风速/风向测量、数字图像处理等技术领域。主要适用于环境、气象、军事、科研等领域。
背景技术
目前用于风速测量的主要方式包括热式、旋转式、超声式和压差式等。热式风速仪的原理是被电流加热的导体(如金属线、电阻等)放置在气流中，气流会带走被加热导体表面的热量，而导体散热率与风速的平方根成比例，从而实现对风速的测量。市场上常见的风杯风速表、桨叶风速表均使用旋转式测风技术，基本原理是风杯及桨叶的旋转速度与风速成一定的比例，通过将风杯和桨叶的旋转速度转换成电信号实现对风速的测量。超声式风速仪采用一对对射的超声换能器，利用顺风与逆风两种情况下超声传播的渡越时间差实现对风速的测量。皮托管式风速计属于压差式风速测量，它在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其压力差(前者为全压、后者为静压)，就可计算出风速。随着CMOS技术的发展，在半导体材料上用扩散方法形成电阻，利用半导体的压阻效应感受风压，也可实现对微风速的测量。
从市场占有率看，热式风速仪最高，此种风速仪价格相对较低，可测量较小风速，但热式风速仪的功耗相对较大。旋转式风速仪主要用于气象观测，测量精度相对较低，不太适合对微弱风速的测量。超声式风速仪的测量范围较宽，精度较高，但价格相对较高。压差式风速仪适合对较大风速的测量，精度低，市场占有率不高。
以上所提的风速测量方式均不能直接实现对风向的测量。在超声式的风速仪中，若有两对超声换能器，则可实现对二维风向的测量。在气象观测上，风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。
通过对国内外期刊论文、会议论文、国内学位论文、国内专利的检索，发现如下的几个专利申请使用了计算机视觉或图像处理用于风速或风向的测量：
专利“基于全方位视觉的三维风速风向测量装置”(申请人：汤一平，庞成俊，陆海峰等，申请号：200710071151.6)给出一种基于全方位视觉的三维风速、风向测量装置，在水平和垂直方向均安装风杯和风标用于检测风速和风向。全方位的视觉传感器包括外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反射镜面上成像的摄像头。通过图像识别与风杯和风标相连的指针和风向方位块上颜色达到测量风速和风向的目的。专利“基于计算机视觉的智能风速风向测量装置”(申请人：汤一平，庞成俊，陆海峰等，申请号：200710070675.3)给出了一种基于计算机视觉的智能风速风向测量装置。该两个专利利用风杯和风标感知风速和风向，通过颜色识别来测量风速/风向，需要采集和识别彩色图像，对测量装置和图像处理技术要求较高，从而成本也比较高。
专利“同步双成像云底风速测量方法”(申请人：马舒庆，申请号：200910301973.8)给出了一种同步双成像云底风速测量方法，该方法使用相隔一定距离的两个图像采集器同时拍摄云的同一区域，然后纯粹使用图像处理的方法测量云底的风速。该方法应用条件是天空必须有云，且测量的风速是云底高度的风速，存在测量条件的限制，且测量误差较大。
专利“测量大气平均风速风向的图像漂移速度法”(申请人：黄宏华，姚永帮，朱文越等，申请号：200610097683.2)公开了一种利用图像漂移速度法测量传输光路上横向平均风速和风向的方法。在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，目标的入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后光束进入四棱锥光楔分光，再经成像透镜，成像于面阵CCD传感器上，这样可以得到同一目标的四个像；所得图像可以两两组合成六组不同基线的图像对。利用图像到达角运动速度结构函数，在得到四个方向上的图像到达角运动漂移速度结构函数后，根据它们之间的数学关系得到传输光路上横向平均风速和风向。该方法存在测量装置复杂和测量技术难以实现的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适中的风速/风向测量装置，能够实现对二维平面上的瞬时和一段时间内的平均风速和风向的测量，其中风速的范围在0-5m/s，风向0-360°。为此，本发明采用如下的技术方案：
一种光纤式二维风速/风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分，垂直部分光纤的长度可调，以适应0-5m/s范围内不同的风速，在光纤末端的下方固定有摄像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图像计算风速和风向。
作为优选实施方式，所述上板与底板平行，在上板上还固定有用于固定光纤的固定板，在固定板上开设有与点光源同轴的孔；摄像头的光轴与底板相垂直；所述的点光源为单色光点状激光灯，所述的光纤为多模数据传输用光纤；所述的图像处理单元通过对所采集的视频图像进行二值处理后，获取光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标，据此计算风向和风速。
本发明同时提供一种采用上述测量装置实现的二维风速/风向测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)安装测量装置，使底板水平放置，使摄像头的光轴与底板相垂直；
(2)采用下列方法标定装置：在无风条件下，由图像处理和计算单元对面阵光敏器件采集图像进行二值处理，获得光纤末端投射的亮斑位置并记录为(0，0)点；在标准风速/风向的条件下，通过改变风速，记录实际情况下不同的风速与光纤末端亮斑在面阵光敏器件上得到的不同投影坐标，最后通过曲线拟合的方法得到风速与投影坐标的对应关系，实现对光纤式二维风速测量装置的标定；
(3)实际风速/风向测量时，采集视频图像，并根据给定的灰度阈值进行二值处理，得到光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标(X，Y)；
(4)根据模长
及经过标定后的曲线拟合公式，获得风速的大小，风向通过θ＝arctan(Y/X)计算得出。
本发明给出的基于光纤形变检测的新型二维风速/风向测量装置和方法，基于光学原理，将点光源通过光纤投射到面阵光敏器件上。当光纤处于不同流速的流场中时，可认为光纤受均匀载荷，载荷随流速的增加而增大，经计算在均匀载荷下其末端偏移量与载荷成正比。将这一偏移量用面阵光敏器件识别，通过二值图像处理得到偏移值和偏移方向，然后经过非线性校正转换成二维的风/速风向值。光纤作为敏感元件具有电绝缘性、抗电磁干扰、非侵入性、高灵敏度的特点。本发明具有结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适中等特点。
附图说明
图1光纤式二维风速/风向测量装置模型图。
图2光纤的一维受力分析图。
具体实施方式
本发明的光纤式二维风速/风向测量装置的结构如图1所示。包含的主要部件有：电源1；显示屏2；固定板3；点光源4；上板5；光纤6；支撑杆7；摄像头8；电路板9；底板10。
电源1用于给整个风速/风向测量装置中的点光源4、摄像头8、电路板9和显示屏2提供电源，其中，点光源4的工作电压为3V，摄像头8、电路板9和显示屏2的工作电压为5V。固定板3的作用是固定点光源4，固定板3上的孔与点光源4同轴。点光源4与光纤6的始端相连，这样点光源4发出的光点经光纤6的始端进入并经光纤6的末端投射到摄像头8的CCD面阵光敏传感器上。上板5上开有一个直径非常小的孔用于固定光纤。光纤6实际分为两个部分，从点光源4到上板5的部分主要用于引入点光源，从上板5向下的垂直部分为本发明所提的光纤式二维风速/风向测量的感测气流部分，垂直部分光纤的长度可调，以适应0-5m/s范围内不同的风速。由于光纤的弹性模量较小，故它对一定范围内的不同风所产生的力具有较高的灵敏度。不同大小的风速和不同方向的风向会使得光纤末端的光点在摄像头8面阵CCD上产生的投影点位置不同，这样通过二值图像处理即可测出风速的大小和方向。支撑杆7起到支撑上板5的作用。摄像头8包括微距透镜组与面阵光敏器件两部分。电路板9包括必要的模拟/数字电路和微处理器，它的作用包括采集模拟图像并转换为数字格式，在此基础上进行数字图像处理，并把计算获得的风速/风向传输到显示屏进行实时显示。显示屏2用于显示瞬时或一段时间内的平均风速/风向信息。底板10用于固定摄像头8、电路板9等部件。
具体连接要求如下：上板5、底板10、支撑杆7之间通过螺丝相连，需保证上板5与底板10平行；上板5与固定板3上开有圆孔，用于固定光纤6，其中上板5的孔需与摄像头8的光心同轴；光纤6的垂直部分可以在一定的范围内上下移动，从而改变作为风敏感元件部分的长度，实现0-5m/s风速测量范围的调整。
敏感元件即光纤的垂直部分的一维受力分析如图2所示。图中θ为光纤末端偏角，ω为光纤末端相对于初始位置的水平偏移量，h为光纤静止时末端距CCD的距离，Δx为光纤末端射出的光点在CCD上的位移。Δx的大小和方向由二值图像处理获得。由于Δx远远大于CCD像素点的大小，所以，可以实现较高的精度。
光纤静止时，CCD对初点进行采集，作为原点坐标。当风作用在光纤上后，光纤发生位移，并在一定区域内进行无规则运动。由于无规则运动时，无法直接测得稳定点的坐标，所以需采取对坐标点求加权平均的算法，经计算得到稳定点坐标。从而可得到以原点为起点、稳定点为终点的向量。向量的模值即对应风速，角度值对应风向。
下面给出本发明的一个实施例。该实施例的总体积在110mm(长)×110mm(宽)×130mm(高)左右，与现有的二维风速仪相比，体积适中。所提装置结构部件中，电源1由电池盒和稳压电路组成，电池盒中使用4节1.5伏干电池，经稳压电路，输出3V和5V的电压，用于给点光源4、摄像头8、电路板9和显示屏2供电。点光源4采用光点集中的红光点状激光灯，输出功率3.00毫瓦，雷射波长650纳米。光纤6采用多模数据传输用光纤，直径0.25mm。摄像头8中的面阵光敏器件采用CCD传感器，可直接利用USB传输视频信号。电路板9中的微处理器可以选择低功耗的单片机或ARM7芯片进行数据处理。固定板3、上板5和底板10可采用轻质的黑色有机玻璃材料。支撑杆7可选用轻质的铝合金材质。显示屏2可根据需要选用LCD或LED。
在部件安装方面，上板5的孔的大小要与管线的直径相匹配，这样一方面可保证光纤的垂直部分不会倾斜，另一方面也可实现光纤的垂直部分上下移动，实现对0-5m/s范围内不同大小风速的测量。实际操作时，如果没有比较精密的激光打孔技术，可在上板5的孔上加装专业的光纤固定器，并且四个支撑杆7要一次加工成型，保证其轴向长度一致。上板5和底板10可以采用平整度较好的雅克利玻璃板。总之，各部件经过固定后，尽力保证光纤垂直于摄像头的正中央。
本实施例采用微处理器作为图像处理和计算单元，在实际应用中，还可以采用计算机，以计算机的显示器作为显示屏。
本发明实施例给出的二维风速/风向测量装置没有造价很高的材料或元器件。在功耗上，激光电光源、电路板和显示屏的功耗都很低。
在实际风速/风向测量之前，首先要对所提的测量装置进行标定。在无风条件下，打开激光头，红色激光光束经过光纤末端传导到摄像头的面阵CCD上，此时会得到一个位于中心的红色亮斑。通过二值图像处理，获得此时亮斑的位置并记录为(0，0)点。当有风吹动时，光纤的垂直部分会随着风速/风向偏转。每隔0.5秒截取一幅视频图，然后根据给定的灰度阈值对原有的图像进行二值化。因实际情况下红色亮斑对应的像素不止一个，因此需将所有灰度值为1的点的横坐标以及纵坐标分别取平均，即可得到光纤末端在CCD阵列上的投影点坐标(X，Y)。
然后在标准风速条件下，通过改变风速，记录实际情况下不同的风速与光纤末端亮斑在面阵光敏器件上的不同投影坐标，最后通过曲线拟合的方法得到风速与投影坐标的对应关系，实现对光纤式二维风速测量装置的标定。
在实际风速/风向测量时，根据模长
及经过标定后的曲线拟合公式，可以获得风速的大小。因光纤在不同方向的特性是相同的，因此风向可通过θ＝arctan(Y/X)计算得出。
Claims (6)
1.一种光纤式二维风速/风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分，垂直部分光纤的长度可调，以适应0-5m/s范围内不同的风速，在光纤末端的下方固定有摄像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图像计算风速和风向。
2.根据权利要求1所述的光纤式二维风速/风向测量装置，其特征在于，所述上板与底板平行，在上板上还固定有用于固定光纤的固定板，在固定板上开设有与点光源同轴的孔。
3.根据权利要求1或2所述的光纤式二维风速/风向测量装置，其特征在于，摄像头的光轴与底板相垂直。
4.根据权利要求1或2所述的光纤式二维风速/风向测量装置，其特征在于，所述的点光源为单色光点状激光灯，所述的光纤为多模数据传输用光纤。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的光纤式二维风速/风向测量装置，其特征在于，所述的图像处理单元通过对所采集的视频图像进行二值处理后，获取光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标，据此计算风向和风速。
6.一种采用权利要求1所述的实现二维风速/风向测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)安装测量装置，使底板水平放置，使摄像头的光轴与底板相垂直；
(2)采用下列方法标定装置：在无风条件下，由图像处理和计算单元对面阵光敏器件采集图像进行二值处理，获得光纤末端投射的亮斑位置并记录为(0，0)点；在标准风速/风向的条件下，通过改变风速，记录实际情况下不同的风速与光纤末端亮斑在面阵光敏器件上得到的不同投影坐标，最后通过曲线拟合的方法得到风速与投影坐标的对应关系，实现对光纤式二维风速测量装置的标定；
(3)实际风速/风向测量时，采集视频图像，并根据给定的灰度阈值进行二值处理，得到光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标(X，Y)；
(4)根据模长
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