CN102393193A - 一种用于流速测量的高频图像采集系统 - Google Patents

一种用于流速测量的高频图像采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于流速测量的高频图像采集系统，属于水利量测技术领域，该系统包括高速摄像机、镜头、连续激光器和组合透镜；其特征在于，所述高速摄像机配置一个50mm大口径镜头接口，所述镜头为F1.0/50mm大口径光圈的镜头，所述连续激光器采用一台最大功率为2W-5W的低功率连续激光器，所述组合透镜采用将所述激光器发出的光束转换成1mm厚矩形片光的一套组合透镜。本系统可以经济、安全、高频、高质量的实现图像采集，以连续测量明渠或管道流动。

Description

一种用于流速测量的高频图像采集系统
技术领域
本发明属于水利量测技术领域，特别涉及紊动流速场的高频量测。
背景技术
紊动水流的流速具有空间分布和时间连续的随机性。在流速测量的发展过程中，从传统的浮漂测距-计时法、毕托管、旋桨流速仪，到现代的电磁流速仪、热膜(丝)流速仪、激光流速仪等都为单点测量；超声流速仪则可以同时测量流速的垂线分布；近30年发展起来的粒子图像测速技术PIV(Particle Image Velocimetry)实现了从点、线到面的瞬时剖面流速场测量的跨越，为实验流体力学提供了新的测量技术，在水利学科则主要用于室内明渠水流的实验研究。该粒子图像测速技术已有了商用PIV成套设备，如美国TSI公司和丹麦Dantec公司生产的PIV系统(以下简称T&D系统)以及中国北京立方天地科技发展有限责任公司生产的PIV系统(以下简称立方系统)。
T&D系统的图像采集系统，如图1所示，主要包括镜头接口为F口(内径35mm)或C口(内径25mm)的高速摄像机11、F口或C口镜头12、两台脉冲激光光源13、组合透镜14、延时器15及同步控制器16。其基本工作原理是：延时器15控制两台脉冲激光器13分别从时刻t及时刻t+Δt以频率f1重复发射脉冲激光束，脉冲激光束经组合透镜14转变为扇形激光片光后照亮待测流体中的示踪粒子17；在激光脉冲的瞬间，同步控制器16控制高速摄像机11进行曝光拍摄，记录下不同时刻测量区域18内示踪粒子图像作为运用粒子图像测速技术进行后续相关计算的依据。该系统的主要缺点在于需要对高速摄像机及激光光源进行同步控制，因而设备构造复杂、操作不便；同时，受脉冲激光源脉冲频率的制约，该系统的采集频率低，无法实现对紊流的连续测量。
为了改进T&D系统的不足之处，北京立方天地科技发展有限责任公司提出了立方系统。立方系统的图像采集系统，如图2所示，主要包括镜头接口为C口(25mm)或F口(35mm)的高速摄像机21、F口或C口镜头22、一台大功率连续激光器23和组合透镜24，其工作原理是：连续激光器发出的激光光束经组合透镜转换为扇形片光源照亮待测流体中的示踪粒子25，高速摄像机以频率f2记录下不同时刻测量区域26内示踪粒子图像作为运用粒子图像测速技术进行相关计算的依据。相对T&D系统而言，立方系统设备构成及操作简化了许多，且可以实现高速拍摄，但由于连续激光源光束的强度较脉冲激光束低很多，为了使得示踪粒子被充分照明，需要选用功率高达10W的连续激光器。这样的连续激光器不仅价格昂贵，而且极易对水槽或风洞边壁的玻璃介质造成损伤，安全性较低；同时，如果激光器的功率很大，会在靠近水槽近底部分产生亮光条带(高光溢出)而无法拍摄清晰的粒子图像。
此外，该系统与T&D系统的共同缺陷还在于，其片光均呈扇形分布，因此，光强沿径向衰减，光强等值线呈弧线27。然而，实际测量过程中，摄像机的拍摄区域为矩形，且其底边一般与水流方向平行。因此，扇形片光的缺陷在于单次脉冲的光源强度无法被充分利用，因为大部分光强均没有经过拍摄区域；此外，由于片光强度等值线呈弧线，而测量范围为矩形，即平行于水槽的检测窗口中图像的强度也是随水流方向而变化的，这将会给后续流速场的计算带来误差。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种用于流速测量的的高频图像采集系统，该系统可以经济、安全、高频、高质量的实现图像采集，以连续测量明渠或管道流动。
本发明提出的一种用于流速测量的高频图像采集系统，其特征在于，该系统包括高速摄像机、镜头、连续激光器和组合透镜；其特征在于，所述高速摄像机配置有一个50mm大口径镜头接口，所述镜头为具有50mm大口径光圈的镜头、所述连续激光器采用一台最大功率为2W-5W的低功率连续激光器，所述组合透镜采用将所述激光器发出的光束转换成1mm厚矩形片光的一套组合透镜。
本发明的技术效果是：
1、以连续激光器为光源，采样频率由高速摄像机控制，可以明显提高采样速度，实现连续测量。
2、采样的连续激光器最大功率为2W-5W，相对于脉冲激光器和功率高达10W的连续激光器具有明显的经济性和安全性。
3、采用专门设计的透镜系统可将连续激光束转换为1mm厚的矩形激光，以提高激光的利用率；采用专门设计的接口配置大口径光圈的镜头，增加摄像机机进光量。以上两方面保证了摄像机可以获得高质量的图像。
附图说明
图1为已有的T&D系统图像采集系统示意图。
图2为已有的立方系统图像采集系统示意图。
图3为本发明的用于流速测量的高频图像采集系统结构及工作原理示意图。
图4已有镜头接口结构(图4(a))与本发明的镜头接口结构(图4(b))对比示意图。
图5为本发明的透镜系统的1mm厚片光光路结构示意图。
图6为已有系统产生的扇形片光(图6(a))与本发明系统产生的矩形片光(图6(b))对比示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明的一种用于流速测量的高频图像采集系统进行详细说明。
本发明提出的用于流速测量的高频图像采集系统，如图3所示，该系统包括高速摄像机31、镜头32、连续激光器33和组合透镜34；其特征在于，所述高速摄像机配置有一个50mm大口径接口，所述镜头为F1.0/50mm大口径光圈的镜头、所述连续激光器采用一台最大功率为2W-5W的低功率连续激光器，所述组合透镜采用将所述激光器发出的光束转换成1mm厚矩形片光的一套组合透镜。
本发明系统的构建原理为：
根据光学成像知识可知，由高速摄像机、镜头、激光片光源组成的图像采集系统得到的图像质量受到感光度、光强、曝光时间及光圈大小的影响，各参数的综合影响可表示为：
Figure BDA0000097947370000031
随着各项参数的增大，分子表示有利影响，分母表示不利影响。在构建图像采集系统时，对各种参数进行综合权衡，得出针对流速测量的最优组合参数。
为了实现图像的高速采集，同时，为了明显降低连续激光源的购买成本和显著提高其应用的安全性，改善近壁区域的拍摄质量，本发明选用低功率连续激光器。从上式中可以看到，在不改变其它参数的条件下，可以通过提高光强和增大光圈的方法提高成像质量。综合以上因素，本发明对图像采集系统的各部件的参数进行了合理配置，构建了性能优良的用于流速测量的高频图像采集系统。
本发明系统的各部件的具体实施例及其功能详细说明如下：
本实施例的大光圈镜头选用佳能F1.0/50mm镜头，其基本特征是具有最大的通光孔径，可以显著提高进光量，从而提高摄像机的成像质量。但是，该款镜头的接口外径为50mm，无法和常见的C口(25mm)或F口(35mm)高速摄像机直接相连。
本实施例的大口径接口高速摄像机选用由美国Readlake公司生产的MotionPro X3型高速摄像机加工改进而成。MotionPro X3型高速摄像机的镜头接口为C口(25mm)，而本实施例中选用的佳能F1.0/50mm镜头的接口外径为50mm，两者尺寸不匹配将会使得摄像机拍摄的图像边缘产生畸变，为此，本实施例对高速摄像机的接口进行了改进。图4(a)为原相机接口41示意图，该接口41呈空心圆柱状，内径25mm，外径40mm，接口外表面后端的螺纹42用于与相机机身43相连，接口内壁前端的螺纹44则用于连接外径为25mm的镜头。本实施例拆除了原相机接口41，重新加工了新的相机接口45，如图4(b)所示，该接口45呈阶梯型空心圆柱状，圆柱小端内径36mm，外径40mm，该端的圆柱外表面螺纹46用于与相机机身43相连，圆柱大端内径50mm，外径56mm，该端的圆柱内壁加工有卡口47与镜头直接相连。
本实施例的低功率连续激光器采用长春新产业光电技术有限公司生产的MGL-F-532型激光器，其最大功率为2W，通过机身旋钮可以在0W-2W实现功率的连续调节，发射出的激光光束直径为4mm，光束强度稳定可靠。
本实施例中的矩形片光组合透镜的目的是为了显著提高激光片光利用率，同时使光强等值线呈直线分布，从而提高图像的成像质量。由连续激光器发出的激光光束直径约4mm，而PIV测量的理想片光源厚度为1mm。最简单的方法是加1mm的光栅，但这样将损失3/4的能量，大量的余光还会对消光和遮光造成困难。本发明采用一组透镜，具体结构如图5所示，由同光轴依次设置的柱面镜51、凸透镜52、凹透镜53和凸透镜54组成；其工作原理为：先利用柱面镜51将激光器发出的光束扩展为厚4mm的扇形光，然后利用凸透镜52将4mm厚的片光聚光，在片光厚度为1mm的位置再加凹透镜53将其转换为1mm厚的扇形片光。由于扇形片光的强度不仅随径向距离而衰减，而且随片光宽度增大而减小。假定如图6(a)中的水槽61宽度300mm，片光源的扩散角为60°。片光源自水槽左侧射入，宽度为170mm，到右侧壁时宽度将扩展到520mm，相应的强度衰减了3.08倍。此外，光强等值线62为圆弧线，而测量范围63为矩形，即平行于水槽的检测窗口中图像的强度也是随水流方向而变化的，这将会给流速场的计算带来误差。如图6(b)所示，本发明在1mm厚扇形片光的后面再添加一个凸透镜54将扇形光源汇聚成与测量范围相匹配的矩形片光，这样既可以充分利用激光器的能量，又可以使检测窗口内沿流向的光强均匀而提高流场计算的精度。
本实施例的具体工作方式如图3所示：由低功率连续激光器33发出的激光束，经矩形片光组合透镜34转化为厚度为1mm、宽度略大于拍摄区域的矩形片光照亮待测流体中的示踪粒子35，高速摄像机31配备大口径光圈32以频率f3连续记录拍摄区域36内示踪粒子的分布图像，作为运用粒子图像测速技术进行相关分析的依据。

Claims (3)

1.一种用于流速测量的高频图像采集系统，其特征在于，该系统包括高速摄像机、镜头、连续激光器和组合透镜；其特征在于，所述高速摄像机配置有一个50mm大口径镜头接口，所述镜头为F1.0/50mm大口径光圈的镜头，所述连续激光器采用一台最大功率为2W-5W的低功率连续激光器，所述组合透镜采用将所述激光器发出的光束转换成1mm厚矩形片光的一套组合透镜。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述大口径接口为一阶梯型空心圆柱，接口小端外表面设有用于与相机机身相连的螺纹，接口大端内壁设有用于连接所述的镜头的卡口。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述组合透镜由同光轴依次设置的柱面镜、第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜组成，所述柱面镜将激光器发出的光束扩展为厚4mm的扇形光，所述第一凸透镜将4mm厚的片光聚光，在该片光被聚光为1mm厚度的位置设置凹透镜将该片光转换为1mm厚的扇形片光；所述第二凸透镜将扇形光源汇聚成与测量范围相匹配的矩形片光。
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