CN103197095A - 分层同步三维粒子图像测速方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体力学模型试验技术领域，为提供一种高效、可靠、不同断面严格同步测量的粒子图像测速技术，本发明采取的技术方案是，分层同步三维粒子图像测速方法，利用一个三棱镜分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域；被照亮的粒子图像在不同断面呈现不同颜色特征；在测试区域附近，设置一组CCD摄像机，每台摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，具体与片光源颜色相一致，使得该台摄像机仅能拍摄到对应颜色的断面；所有摄像机同时工作，同步获取不同断面上的粒子图像，并对每个断面进行二维粒子图像分析，对不同断面间的图像进行相关分析，获取三维流场信息。本发明主要应用于流体力学模型试验、测量。

Description

分层同步三维粒子图像测速方法与装置

技术领域

本发明涉及流体力学模型试验技术领域，特别涉及流场粒子图像流动测速技术，具体讲，涉及分层同步三维粒子图像测速方法。

背景技术

流场的测量是流体力学试验的重要技术手段，在空气动力学及水动力学研究中至关重要。粒子图像流动测速（PIV）是上世纪七十年代末发展起来的一种流体力学测速方法，其原理是在流场中布撒大量示踪粒子跟随流场运动，利用激光器提供片光源，照亮流场断面，并利用数字相机拍摄流场照片，最后通过对前后两帧或多帧粒子图像进行互相关计算,获得速度分布。PIV测速具有瞬态、多点、无接触测量等多种优点，近年来随着与光机电、数字图象处理以及计算机技术的进步，正在不断发展。

受片光源特性限制，目前主流的PIV系统仍然针对二维流场，即同一时刻仅能够对一个厚度1mm薄层内的断面流速进行测量。针对二维流场测量的PIV硬件、软件以及相关算法目前均较为成熟，然而，由于很多情况下，流场具有明显的三维特性，例如存在三维涡体结构等，二维PIV技术需要向三维扩展。目前应用较多的为体透视法、全息图像法和片式扫描法等，其中体透视法是利用生物双目视觉原理，使用两套数字式粒子图像测速装置按照不同倾斜角度同时拍摄实验区域，即可获得三维速度向量场结果，目前这方面的尝试较多，例如我国北京立方天地科技有限责任公司近年来开发的三维粒子图像测速系统等；全息图像法利用全息投影技术实现三维流场测速；片式扫描法类似于医学检查所用的CT扫描，利用一个往复运动的片光源，在测试区域内扫描，同时摄像机连续拍摄，获得不同断面的流场数据。上述三维PIV技术均有着各自的局限性，例如，体透视法的测量断面厚度一般较小，最大不能超过十几毫米，否则粒子的重叠、误匹配将非常严重；全息图像法受全息技术的限制，目前成本非常高，且相应算法不够成熟，难以普及应用；而片式扫描法利用已有的二维PIV算法，能够获得较丰富的三维流场数据，然而，由于扫描存在一定的时间周期，不同断面不能够做到同步测量，而在流体力学分析中，流动的空间相关计算等严格要求不同测量位置处流速数据同步获取。此外，片光源的周期性扫描运动为机械设计、与摄像机的同步控制变得复杂，为推广应用带来了困难。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，克服目前实验室内流动测速中大范围三维流场同步测量的困难，提供一种高效、可靠、不同断面严格同步测量的粒子图像测速技术，为流体力学实验提供技术支持，为此，本发明采取的技术方案是，分层同步三维粒子图像测速方法，利用一个三棱镜分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域；被照亮的粒子图像在不同断面呈现不同颜色特征；在测试区域附近，设置一组CCD摄像机，每台摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，具体与片光源颜色相一致，使得该台摄像机仅能拍摄到对应颜色的断面；所有摄像机同时工作，同步获取不同断面上的粒子图像，并对每个断面进行二维粒子图像分析，对不同断面间的图像进行相关分析，获取三维流场信息。

所述方法进一步细化为：

(1)计算机通过数据采集与控制器，控制激光器发出多色复合激光；

(2)多色激光通过三棱镜分光作用，色散为红、黄、蓝等不同的单色激光；

(3)单色激光经透镜、反射镜调制，形成一系列片光源，照入测试区域，形成具有不同颜色特征的测量断面；

(4)具有不同颜色特征的粒子图像经滤光片的选择性过滤，由CCD摄像机拍摄，并经数据采集传入计算机；

(5)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行单独分析，获得不同层的流场速度分布，具体采用二维灰度矩阵时间相关函数法，其计算公式为：

$r_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1(x_i,y_j)f_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中r₁₂为时间相关函数，f为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个时间步，i,j代表灰度矩阵坐标索引，x,y为沿横向和纵向的像素坐标，M,N为灰度矩阵在x,y方向的大小。

(6)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行联合分析，获得不同层间的空间相关特征及三维流场结构，具体采用三维灰度矩阵空间互相关函数法，其计算公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{g}_1(x_i,y_j,z_k)g_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j,z_k+{\mathrm{\Δz}}_k)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中R₁₂为空间相关函数，g为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个层不同，i,j,k代表不同层、不同位置的灰度矩阵坐标索引，x,y,z为沿横向、纵向和垂向的像素坐标，M,N,P为灰度矩阵在x,y,z方向的大小。

分层同步三维粒子图像测速装置，包括：计算机、数据采集与控制器、激光器、三棱镜、透镜组合、反射镜、滤光片、相机阵列、流体盒、摄像系统；激光器，用于提供多色复合的激光束；数据采集与控制器2，用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；三棱镜用于将多色激光分散为不同颜色的光源，并通过透镜组合调制为平行片光源，最后由反射镜照向测量区域；流体盒由透明玻璃或有机玻璃组成，以便于激光片光源的照入和摄像机的拍摄，流体内携带有示踪粒子；数据采集与控制器用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；摄像系统由CCD相机阵列和一组与其配套的滤光片组成，所拍摄粒子图像画面将由数据线连接数据采集与控制器，并最终传入计算机。

本发明的技术特点及效果：

由于不断面的片光源具有特定的颜色特征，且与摄像机滤光设置相互配合，有效避免了不断面间粒子图像的误匹配；能够对不同断面的流场进行同步测量，避免了片光扫描法由于光源运动导致的时间延迟；通过调整片光源的断面个数、间距，能够测量较大范围的三维流场；此外，该技术具有很高的可行性和可靠性，可以从二维PIV系统很方便地扩展，另外，由于不存在运动部件（如扫描法等），系统硬件可靠高。

附图说明

图1是本发明的分层同步三维粒子图像测速（PIV）装置的示意图。

图中符号：

1-计算机  2-数据采集与控制器  3激光器  4-三棱镜

5、6-透镜组合  7-反射镜  8-流体试验装置  9-示踪粒子

10-滤光片  11-CCD相机阵列  12-数据线。

具体实施方式

本发明的分层同步三维粒子图像测速（PIV）技术，它利用一个三棱镜分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域；被照亮的粒子图像在不同断面呈现不同颜色特征。在测试区域附近，设置一组CCD摄像机，每台摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，具体与片光源颜色相一致，使得该台摄像机仅能拍摄到对应颜色的断面。所有摄像机同时工作，同步获取不同断面上的粒子图像，并每个断面进行二维粒子图像分析，对不同断面间的图像进行相关分析，获取三维流场信息。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示的本发明整套流场测速装置包括计算机1、数据采集与控制器2，用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；激光器3，用于提供多色复合的激光束；光学处理系统包括三棱镜4、透镜组合5和6、反射镜7，其中，三棱镜用于将多色激光分散为不同颜色的光源，并通过透镜组合调制为平行片光源，最后由反射镜照向测量区域；流体试验装置8由透明玻璃或有机玻璃组成，以便于激光片光源的照入和摄像机的拍摄，流体内携带有示踪粒子9；摄像系统由CCD相机阵列11和一组与其配套的滤光片10组成，所拍摄粒子图像画面将由数据线12连接数据采集与控制器2，并最终传入计算机。整套装置的执行流程包括如下步骤:

(1)计算机通过数据采集与控制器，控制激光器发出多色复合激光；

(2)多色激光通过三棱镜分光作用，色散为红、黄、蓝等不同的单色激光；

(3)单色激光经透镜、反射镜调制，形成一系列片光源，照入测试区域，形成具有不同颜色特征的测量断面；

(4)具有不同颜色特征的粒子图像经滤光片的选择性过滤，由CCD摄像机拍摄，并经数据采集传入计算机；

(5)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行单独分析，获得不同层的流场速度分布，具体采用二维灰度矩阵时间相关函数法，其计算公式为：

$r_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1(x_i,y_j)f_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中r₁₂为时间相关函数，f为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个时间步，i,j代表灰度矩阵坐标索引，x,y为沿横向和纵向的像素坐标，M,N为灰度矩阵在x,y方向的大小。

(6)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行联合分析，获得不同层间的空间相关特征及三维流场结构，具体采用三维灰度矩阵空间互相关函数法，其计算公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{g}_1(x_i,y_j,z_k)g_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j,z_k+{\mathrm{\Δz}}_k)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中R₁₂为空间相关函数，g为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个层不同，i,j,k代表不同层、不同位置的灰度矩阵坐标索引，x,y,z为沿横向、纵向和垂向的像素坐标，M,N,P为灰度矩阵在x,y,z方向的大小。

Claims (3)

1.一种分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，利用一个三棱镜分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域；被照亮的粒子图像在不同断面呈现不同颜色特征；在测试区域附近，设置一组CCD摄像机，每台摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，具体与片光源颜色相一致，使得该台摄像机仅能拍摄到对应颜色的断面；所有摄像机同时工作，同步获取不同断面上的粒子图像，并对每个断面进行二维PIV图像分析，对不同断面间的图像进行相关分析，获取三维流场信息。

2.如权利要求1所述的分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，所述方法进一步细化为：

(1)计算机通过数据采集与控制器，控制激光器发出多色复合激光；

(2)多色激光通过三棱镜分光作用，色散为红、黄、蓝等不同的单色激光；

(3)单色激光经透镜、反射镜调制，形成一系列片光源，照入测试区域，形成具有不同颜色特征的测量断面；

(4)具有不同颜色特征的粒子图像经滤光片的选择性过滤，由CCD摄像机拍摄，并经数据采集传入计算机；

(5)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行单独分析，获得不同层的流场速度分布，具体采用二维灰度矩阵时间相关函数法，其计算公式为：

$r_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1(x_i,y_j)f_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中r₁₂为时间相关函数，f为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个时间步，i,j代表灰度矩阵坐标索引，x,y为沿横向和纵向的像素坐标，M,N为灰度矩阵在x,y方向的大小。

(6)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行联合分析，获得不同层间的空间相关特征及三维流场结构，具体采用三维灰度矩阵空间互相关函数法，其计算公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{g}_1(x_i,y_j,z_k)g_2(x_i+{\mathrm{\Δx}}_i,y_j+{\mathrm{\Δy}}_j,z_k+{\mathrm{\Δz}}_k)}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中R₁₂为空间相关函数，g为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个层不同，i,j,k代表不同层、不同位置的灰度矩阵坐标索引，x,y,z为沿横向、纵向和垂向的像素坐标，M,N,P为灰度矩阵在x,y,z方向的大小。

3.如权利要求1所述的分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，分层同步三维粒子图像测速装置，包括：计算机、数据采集与控制器、激光器、三棱镜、透镜组合、反射镜、滤光片、相机阵列、流体盒、摄像系统；激光器，用于提供多色复合的激光束；数据采集与控制器2，用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；三棱镜用于将多色激光分散为不同颜色的光源，并通过透镜组合调制为平行片光源，最后由反射镜照向测量区域；流体盒由透明玻璃或有机玻璃组成，以便于激光片光源的照入和摄像机的拍摄，流体内携带有示踪粒子；数据采集与控制器用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；摄像系统由CCD相机阵列和一组与其配套的滤光片组成，所拍摄粒子图像画面将由数据线连接数据采集与控制器，并最终传入计算机。

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