CN103698554B - 一种流场实时精确测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流场实时精确测量系统及方法。系统，包括示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统，示踪粒子发生器设置在待测流场上游，图像处理子系统采集流场中示踪粒子图像，传递给PIV测量子系统。方法，根据前一次测量，计算空间分辨率调整信息和时间分辨率调整信息，调整查询窗口参数和图像采集速度，在后一次测量时，根据调整后的图像采集速度采集流场粒子图像，对该幅图像和上幅图像，采用调整后的查询窗口参数，通过粒子图像测速方法获得当前全流场速度矢量。本发明提供的流场实时精确测量系统及方法，对于流速高，尤其是高超音速流场、变化剧烈的流场进行实时测量，精确度高。

Description

一种流场实时精确测量系统及方法

技术领域

本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种流场实时精确测量系统及方法。

背景技术

在对流场内部流动的模拟及其测试的研究中，以往的测试方法，如探针法、LDV系统等对流场有很大的干扰，从而使测试的结果和研究结论与实际有较大的出入。

在流场测速领域，尤其是在高超音速流场测速领域，精确的流体动力学测量显得更加重要。超高速运动的物体运动状态下遇到阻碍物会出现激波、膨胀波、附面层等复杂流场现象，其气动特性呈现出超高速、非定常、高度非均匀等特点。现在对流场全场动力学特性精确测量技术与仪器提出挑战：(1)需要测量仪器具有非接触、无干扰、全场瞬时速度测量功能；(2)流场速度在时间尺度上表现为非定常特性，即同一测量点的流体速度具有大范围的时变特性，需要测量仪器能够实时在线观测空气流场时序变化的能力；(3)流场速度在空间尺度上表现为高度非均匀特性，即在同一测量窗口的不同测量区域内，示踪粒子浓度差别很大，需要测量仪器具有自适应调整测量模式的功能。研制高速，尤其是高超音速、非定常、高度非均匀流场的精确测量仪器已成为高性能航空发动机研制的关键。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种流场实时精确测量系统及方法，其目的在于通过时间分辨率和空间分辨率自适应的流场测量，由此解决目前时间分辨率和空间分辨率固定的流场测量系统对于变化剧烈的流场测量精度较低、误差大、不能实时反应流场，尤其是高超音速流场的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种流场全场动力学特性进行精确测量的系统，包括：示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统；其中：

示踪粒子发生器，用于产生示踪粒子并释放到待测流场，设置在待测流场上游；

图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置，所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统；

PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元包括激光发生器、光学组件和片光源发生器；其中：

激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光；

光学组件，用于将多束柱状激光束激光合束；

片光源发生器，用于将激光束调制成薄片状；

多束激光发生器发出的柱状光束激光经过柱透镜组，形成单数高频大功率脉冲激光，经片光源发生器调制成薄片状激光片光。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元的光学组件包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器；

工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中：所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息，并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。

按照本发明的另一方面，提供了一种流场实时精确测量的方法，包括以下步骤：

(1)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第n时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Δt_n，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第n时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理；

(2)计算第n时刻的空间分辨率调整信息，并根据该信息更新第n+1时刻的查询窗口参数；

(3)根据第n+1时刻的查询窗口参数，对第n时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，并计算时间分辨率调整信息的速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)；

(4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1。

优选地，所述流场实时精确测量方法，所述查询窗口参数包括更新的查询窗口长度、查询窗口宽度、查询窗口角度和重叠率，采用自适应迭代算法更新查询窗口参数，具体过程为：

将前一次查询窗口参数作为初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度，并根据全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度计算查询窗口参数估计，如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数，再次调整，直至查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数；

计算查询窗口参数估计的方法包括以下步骤：

(a)按照初始查询窗口参数，进行粒子图像测速矢量估计，得到全流场速度矢量U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度Ux、Uy和峰值强度P；

(b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量，获得当前时刻流场动态特性信息：

海瑟张量矩阵：

其中，U_xx、U_xy、U_xy和U_yy为粒子速度U的四个二阶偏导数；

根据海瑟张量结构矩阵，计算其特征值：λ₁、λ₂、特征向量最小曲率半径r_min，最大曲率半径r_max；角度θ。λ₁、λ₂为det|H-λI|＝0的两个根，为(H-λI)X＝0对应的两个基础解系，最小曲率半径r_min、最大曲率半径r_max、角度θ其计算公式分别为：

(c)估计查询窗口参数：

计算查询窗口长度l_x估计：

计算查询窗口宽度估计：

l_y＝l_x/ε

计算查询窗口角度估计：

其中，长宽比系数ε＝l_x/l_y＝k*r_max/r_min，k为补偿系数，l为上次使用的窗口大小；

查询窗口重叠率(overlap)估计，依据U_xx和U_yy越大，则调整窗口重叠率增大的原则调整。

优选地，所述流场实时精确测量方法，对所述r_max/r_min进行阈值约束，r_max/r_min的阈值等于4。

优选地，所述流场实时精确测量方法，其获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1的具体方法为：

其中：U(n)为第n时刻的速度场；a(n)为第n时刻的加速度场；x(n+2)为根据第n+1时刻流场，采用卡尔曼一步预测算法预测的n+2时刻的位移矢量场；a、b为阈值。

总体而言，按照本发明所构思的以上技术方案与现有PIV技术相比，能取得以下有益效果：

(1)由于所述激光发射单元能产生高能激光，所述图像采集装置，使用分光光束进行成像时，才能取得较好的成像效果的同时保证高速采集图像，因此本发明提供的测量系统，能超高速的采集示踪粒子图像，才能精确测量流场。

(2)本发明所采用的时间分辨率自适应测量方法，能根据流场的变化，对图像采集速度进行反馈调节，能更好的适应变化的流场，测量的实时结果更准确。

(3)本发明所采用的空间分辨率自适应测量方法，能根据所采集图像中查询窗口的粒子浓度，调整查询窗口参数，能更准确的测量示踪粒子不均匀的流场，对于非均匀流场有着更好的测量精度。

附图说明

图1是流场实时精确测量系统示意图；

图2是示踪粒子发生器结构示意图；

图3是激光发射单元示意图；

图4是图像采集装置示意图；

图5是PIV测量子系统示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为图像采集装置，2为安装支撑架，3为激光发射单元，4为激光片光，5为真空泵，6为真空箱，7为小型风洞，8为视觉测量支承平台，9为镜头，10为图像采集装置，11为示踪粒子发生器，12为示踪粒子控制器，13为储气罐，14为净化装置，15为压气机，16为激光发生器，17为光学组件，18为柱面透镜组，19为反射镜腔，20为棱镜组，21为高速图像传感阵列，23为高速图像采集装置控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种流场实时精确测量系统，包括：示踪粒发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统。

示踪粒发生器，用于产生均匀、稳定、持续的示踪粒子，设置在待测超高音速流场上游，示踪粒子随流场移动，能显示流场的运动学特性变化及分布。

图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置，所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统。

所述激光发射单元，用于在该流场实时精确测量系统工作期间持续输出高能片状激光束，优选方案，采取以下所述的方案发出高能激光片光：优选方案的激光发射单元，包括激光发生器、光学组件和片光源发生器。激光发射单元中激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光多束高频低功率脉冲激光，该多束脉冲激光通过所述光学组件，合成为单束高频大功率脉冲激光，从而提高激光亮度，然后利用片光源发生器将该激光束调制成薄片状的激光片光。该激光片光照射入小型风洞中，并把布撒在小型风洞中的示踪粒子照亮，以便于超高速相机捕捉示踪粒子跟随被测流体运动的图像。所述光学组件，用于将多路激光光线合成一束，包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。该光学组件用于将多路激光光线合成一束的由条纹镜与偏振合束原件组成的棱镜组，棱镜组包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件，条纹镜为表面交替镀有反射膜和增透膜的平板，光线从所述条纹镜的一个面上入射后被全部透射，光线从所述条纹镜的另一面入射后被全部反射。所述片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。合束后的激光经过一组柱面透镜后变成片激光，片激光经过多个反射镜组成的空腔多次反射后激光亮度得到增强，从而实现高亮度照射目标的作用。该用于增强激光亮度的光学组件具有结构简单，控制简单的特点，多个激光器的合成脉冲使得其具有激光脉冲输出频率高，亮度大的优点，可应用于高速相机的照明光源。

所述图像采集装置，为超高速图像采集装置，包括控制器和成像装置。所述控制器接收采集图像的时间间隔，调整成像装置的曝光速率。由于待测流场为流速高变化剧烈的流场，因此所述成像装置需高速采集图像。优选方案，图像采集装置，采取激光分束成像的方法提高成像速度，包括镜头、棱镜组和高速图像传感器阵列。工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像，达到了N倍的图像采集帧率，实现了图像的高速采集；N为大于等于3的整数。

所述PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置。PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中：所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息，并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。通过分析流体运动学特性，确定时间分辨率调整信息和空间分辨率调整：如果梯度变化太快，即流场变化剧烈，就可以将相邻两图像之间的图像采集时间间隔缩短，相反，如果梯度变化太小，就可以将相邻两图像之间的图像采集时间间隔增长，从而控制下一次的采集，此即为时间分辨率自适应反馈调整；如果敏感区域中的示踪粒子浓度太大(通常正常的为15个左右)，就缩小敏感区域，如果敏感区域中的示踪粒子浓度太小，就加大敏感区域，从而调整下一次图像分析时所设定的敏感区域大小，此即为空间分辨率自适应反馈调整。实时自适应PIV测量子系统通过测量示踪粒子的运动学特性来间接的测量流场瞬时的运动学特性。

本发明提供的一种流场实时精确测量方法，包括以下步骤，其中第1时刻图像与第2时刻图像之间的时间间隔Δt₁和第1时刻查询窗口参数，由人工指定：

(1)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第n时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Δt_n，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第n时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理。

对第n时刻流场纵剖面粒子图像和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行降噪处理，降噪方法可采用高斯滤波方法、均值滤波方法、中值滤波方法等滤波方法。

(2)计算第n时刻的空间分辨率调整信息，并根据该信息更新第n+1时刻的查询窗口参数。

本步骤的技术思路为：根据前一组流场纵剖面粒子图像中各区域内的粒子速度矢量，得到各区域内粒子加速度在X和Y向的变化率，若某区域粒子加速度在X向的变化率相对其Y向较大，则当前时刻在该区域内使用长宽比较大的查询窗口，反之，则当前时刻在该区域内使用长宽比较小的查询窗口，通过上述的查询窗口调整，能够保证查询窗口内的粒子密度恒定，从而保证最终矢量估计的准确性。

具体来说是通过自适应迭代算法，调整查询窗口参数：首先将第n时刻的查询窗口参数作为初始查询窗口参数，然后根据初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量U以及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度U_x、U_y和峰值强度P。计算查询窗口参数估计，如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为第n+1时刻的查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数，进行再次调整，直至更新查询窗口参数与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将更新查询窗口参数作为第n+1时刻的查询窗口参数。

计算查询窗口参数估计的具体方法如下：

(a)根据初始查询窗口参数，采用互相关计算，得到全流场速度矢量场U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度U_x、U_y和峰值强度P。初始化查询窗口参数，同时计算峰值强度P和速度梯度U_x、U_y反馈信息。其计算公式分别为：

P＝max{φ_fg(m,n)}，

U_x(i,j)＝(U(i+1,j)-U(i-1,j))/2

U_y(i,j)＝(U(i,j+1)-U(i,j-1))/2

其中，(m,n)表示图像中宽度为m，高度为n的某一区域，φ_fg表示该区域的强度，i和j分别表示某一像素点在图像中的X和Y方向坐标；

U＝(u,v)＝{U_(m,n)|P＝max{φ_fg(m,n)}}

其中，(k,l)表示宽度为M，高度为N的区域中某像素坐标，f(k,l)表示该坐标处的灰度值，表示该区域的灰度平均值，

U＝(u,v)＝{U_(m,n)|P＝max{φ_fg(m,n)}}表示的是宽度为M，高度为N的区域中峰值强度处的速度梯度。

(b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量，获得当前时刻流场动态特性信息，从而计算查询窗口参数估计。

根据上一次计算得到的流场速度矢量场U，构建海瑟张量结构矩阵(Hessiantensor)：

其中，U_xx、U_xy、U_xy和U_yy为粒子速度U的四个二阶偏导数；根据海瑟张量结构矩阵，计算其特征值：λ₁、λ₂、特征向量最小曲率半径r_min，最大曲率半径r_max；角度θ。λ₁、λ₂为det|H-λI|＝0的两个根，为(H-λI)X＝0对应的两个基础解系。最小曲率半径r_min、最大曲率半径r_max的计算公式分别为：

更新查询窗口的长宽比系数ε：

ε＝l_x/l_y＝k*r_max/r_min

其中，k为调整系数，优选范围对r_max/r_min进行阈值约束以防止窗口长宽比异常产生误矢量。

长度l_x估计为：

其中，P为峰值强度，l为初始使用的窗口大小。

窗口的宽度估计为：

l_y＝l_x/ε

查询窗口角度估计为：

对r_max/r_min进行阈值约束以防止窗口长宽比异常产生误矢量。

窗口重叠率(overlap)估计，依据U_xx和U_yy越大则窗口重叠率越大的原则确定，具体应用时，窗口重叠率可在0.4、0.5、0.6、0.8中按照上述原则选取。

(3)根据第n+1时刻的查询窗口参数，对第n时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，以及用于计算时间分辨率信息的速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)。

根据最终查询窗口参数，再次采用传统互相关方法或者基于FFT-CC的互相关算法或者使用梯度光流法，得到粒子速度矢量分量u和v，以及时间分辨率信息：速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)。

对得到的全流场速度矢量，在局部邻域内使用滤波器，如高斯权重滤波器，剔除掉一些误矢量，然后利用线性插值函数将剔除的矢量重新插补，得到最终的全流场速度矢量U，并将最终的全流场速度矢量U输出显示。

(4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1。

第0时刻图像与第1时刻图像之间的时间间隔Δt₀，第0时刻的全流场速度矢量、位移场、加速度场，由人工指定，更新第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的间隔Δt_n+1，具体方法如下：

其中，U(n)为第n时刻的速度场，a(n)为第n时刻的加速度场，x(n+2)为根据第n+1时刻流场，采用卡尔曼一步预测算法的预测n+2时刻的位移矢量场，a、b为阈值，a处于1至2.5之间，b处于0.4至0.7之间。

以下为实施例：

实施例1

一种场实时精确测量系统，包括：示踪粒发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统，如图1所示。

使用小型风洞，产生高超音速流场，用于测量。小型风洞的产生主要由气压机、净化装置、储气罐、真空箱和真空泵组成。其中气压机用来进行空气压缩，形成高压气流；净化装置用于对气压机中的高压气体进行去湿、去油、去杂质处理，从而形成纯净流场；储气罐用于储存气体从而缓冲，保证喷出气体的气压稳定；真空箱用于在小型风洞一侧形成稳定的真空负压；真空泵用于产生真空。

示踪粒发生器，如图2所示，用于产生均匀、稳定、持续的示踪粒子，通过测量示踪粒子在已知很短的时间间隔内的位移量来间接测量流场的瞬态运动学特性变化及分布，设置在待测超高音速流场上游。

图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置。所述激光发射单元用于产生薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子。所述图像采集装置，垂直于流场方向设置，用于采集流场纵剖面的示踪粒子图像。

所述激光发射单元，如图3所示，在该高超音速流场实时精确测量系统工作期间持续输出连续的柱状激光束，包括激光发生器、光学组件和片光源发生器。激光发射单元中激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光多束高频低功率脉冲激光，该多束脉冲激光通过所述光学组件，合成为单束高频大功率脉冲激光，从而提高激光亮度，然后利用片光源发生器将该激光束调制成薄片状的激光片光。该激光片光照射入小型风洞中，并把布撒在小型风洞中的示踪粒子照亮，以便于超高速相机捕捉示踪粒子跟随被测流体运动的图像。

所述光学组件，用于将多路激光光线合成一束，包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。该光学组件用于将多路激光光线合成一束的由条纹镜与偏振合束原件组成的棱镜组，棱镜组包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件，条纹镜为表面交替镀有反射膜和增透膜的平板，光线从所述条纹镜的一个面上入射后被全部透射，光线从所述条纹镜的另一面入射后被全部反射。

所述片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。合束后的激光经过一组柱面透镜后变成片激光，片激光经过多个反射镜组成的空腔多次反射后激光亮度得到增强，从而实现高亮度照射目标的作用。该用于增强激光亮度的光学组件具有结构简单，控制简单的特点，多个激光器的合成脉冲使得其具有激光脉冲输出频率高，亮度大的优点，可应用于高速相机的照明光源。

所述速图像采集装置，如图4所示，为超高速图像采集装置，包括控制器和成像装置。所述控制器接收时间分辨率调整信息，调整成像装置的曝光速率。所述成像装置，包括镜头、棱镜组和高速图像传感器阵列。工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成6个光强各不相同的子光束，6个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中6个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像，达到了6倍的图像采集帧率，实现了图像的高速采集。

所述PIV测量子系统，如图5所示，包括上位机和下位机，其中：所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息，并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。通过分析流体运动学特性，确定时间分辨率调整信息和空间分辨率调整：如果梯度变化太快，就可以将相邻两图像之间的图像采集时间间隔缩短，相反，如果梯度变化太小，就可以将相邻两图像之间的图像采集时间间隔增长，从而控制下一次的采集，此即为时间分辨率自适应反馈调整；如果敏感区域中的示踪粒子浓度太大(通常正常的为15个左右)，就缩小敏感区域，如果敏感区域中的示踪粒子浓度太小，就加大敏感区域，从而调整下一次图像分析时所设定的敏感区域大小，此即为空间分辨率自适应反馈调整。实时自适应PIV测量子系统通过测量示踪粒子的运动学特性来间接的测量流场瞬时的运动学特性。

实施例2

一种流场实时精确测量方法，包括以下步骤，其中第1时刻图像与第2时刻图像之间的时间间隔Δt₁和第1时刻查询窗口参数，由人工指定：

(1)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第n时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Δt_n，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第n时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理。

对第n时刻流场纵剖面粒子图像和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行降噪处理，降噪方法可采用高斯滤波方法、均值滤波方法、中值滤波方法等滤波方法。

(2)根据第n时刻的空间分辨率调整信息，更新第n+1时刻的查询窗口参数。

根据前一组流场纵剖面粒子图像中各区域内的粒子速度矢量，通过自适应迭代算法，调整查询窗口参数：首先将第n时刻的查询窗口参数作为初始查询窗口参数，然后根据初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度U_x、U_y和峰值强度P。计算查询窗口参数估计，如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为第n+1时刻的查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数，进行再次调整，直至更新查询窗口参数与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将更新查询窗口参数作为第n+1时刻的查询窗口参数。

计算查询窗口参数估计的具体方法如下：

(a)根据初始查询窗口参数，采用互相关计算，得到全流场速度矢量场U和空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度U_x、U_y和峰值强度P。初始化查询窗口参数，同时计算峰值强度P和速度梯度U_x、U_y反馈信息。其计算公式分别为：

P＝max{φ_fg(m,n)}，

U_x(i,j)＝(U(i+1,j)-U(i-1,j))/2

U_y(i,j)＝(U(i,j+1)-U(i,j-1))/2

其中，(m,n)表示图像中宽度为m，高度为n的某一区域，φ_fg表示该区域的强度，i和j分别表示某一像素点在图像中的X和Y方向坐标；

U＝(u,v)＝{U_(m,n)|P＝max{φ_fg(m,n)}}

其中，(k,l)表示宽度为M，高度为N的区域中某像素坐标，f(k,l)表示该坐标处的灰度值，表示该区域的灰度平均值，

U＝(u,v)＝{U_(m,n)|P＝max{φ_fg(m,n)}}表示的是宽度为M，高度为N的区域中峰值强度处的速度梯度。

(b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量，获得当前时刻流场动态特性信息，从而计算查询窗口参数估计。

根据上一次计算得到的流场速度矢量场U，构建海瑟张量结构矩阵(Hessiantensor)：

其中，U_xx、U_xy、U_xy和U_yy为粒子速度U的四个二阶偏导数；根据海瑟张量结构矩阵，计算其特征值：λ₁、λ₂、特征向量最小曲率半径r_min，最大曲率半径r_max；角度θ。λ₁、λ₂为det|H-λI|＝0的两个根，为(H-λI)X＝0对应的两个基础解系。最小曲率半径r_min、最大曲率半径r_max的计算公式分别为：

更新查询窗口的长宽比系数ε：

ε＝l_x/l_y＝k*r_max/r_min

其中，k为调整系数，优选范围对r_max/r_min进行阈值约束以防止窗口长宽比异常产生误矢量。

估计长度l_x：

其中，P为峰值强度，l为初始使用的窗口大小。

估计窗口的宽度：

l_y＝l_x/ε

估计查询窗口角度：

对r_max/r_min进行阈值约束以防止窗口长宽比异常产生误矢量。

窗口重叠率(overlap)估计，依据U_xx和U_yy越大，则窗口重叠率越大的原则调整，具体应用时，窗口重叠率可在0.4、0.5、0.6、0.8中按照上述原则选取。

(3)根据地n+1时刻的查询窗口参数，对第n时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，以及时间分辨率调整信息的速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)。

根据最终查询窗口参数，再次采用传统互相关方法或者基于FFT-CC的互相关算法或者使用梯度光流法，得到粒子速度矢量分量u和v，以及时间分辨率调整信息：速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)。

对得到的全流场速度矢量，在局部邻域内使用滤波器，如高斯权重滤波器，剔除掉一些误矢量，然后利用线性插值函数将剔除的矢量重新插补，得到最终的全流场速度矢量U，并将最终的全流场速度矢量U输出显示。

(4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1。

第0时刻图像与第1时刻图像之间的时间间隔Δt₀，第0时刻的全流场速度矢量、位移场、加速度场，由人工指定，更新第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间差Δt_n+1，具体方法如下：

其中，U(n)为第n时刻的速度场；a(n)为第n时刻的加速度场；x(n+2)为根据第n+1时刻流场，采用卡尔曼一步预测算法预测的n+2时刻的位移矢量场；a、b为阈值，a为1，b为0.6。

实施例3

将高散色性强跟随性的示踪粒子填装在示踪粒子发生器中，将图像采集系统中薄片状激光片光沿流场方向布置，将图像采集装置垂直于流场方向布置。启动示踪粒子发生器、激光发射单元和超高速图像采集装置，这样。

激光发射单元会间歇性的发射片状激光，照亮示踪粒子，超高速图像采集装置在激光发射的同时进行触发采集流场纵剖面的示踪粒子图像传递给PIV测量子系统的上位机。

上位机对采集到的图像进行预处理和显示，然后传送给PIV测量子系统下位机，下位机通过自适应迭代算法，调整空间分辨率大小，对图像进行高速并行计算，得到全流场速度矢量U、加速度场和位移场，并将上述参数反馈给PIV测量子系统上位机；PIV测量子系统下位机，同时计算时间分辨率调整信息，调整计算的时间分辨率大小，并反馈给PIV测量子系统上位机，PIV测量子系统上位机根据下位机反馈的结果，调整激光发射单元激光束的发射时间和超高速图像采集装置的触发时间，即调整时间分辨率大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种流场实时精确测量系统，其特征在于，包括：示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统；其中：

示踪粒子发生器，用于产生示踪粒子并释放到待测流场，设置在待测流场上游；

图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置：

所述图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器；工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像；

所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统；所述激光发射单元包括激光发生器、光学组件和片光源发生器；其中：

激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光；

光学组件，用于将多束柱状激光束激光合束；包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束元件；

片光源发生器，用于将激光束调制成薄片状；包括用于将合束后的激光束转换为激光片光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组；

多束激光发生器发出的柱状光束激光经过柱透镜组，形成单数高频大功率脉冲激光，经片光源发生器调制成薄片状激光片光；

PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置；所述PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中：所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息，并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。

2.一种流场实时精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据第n+1时刻流场纵剖面粒子图像与第n时刻流场纵剖面粒子图像之间的时间间隔Δt_n，采集第n+1时刻流场纵剖面粒子图像，并对第n时刻和第n+1时刻的流场纵剖面粒子图像进行降噪处理；

(2)计算第n时刻的空间分辨率调整信息，并根据该信息更新第n+1时刻的查询窗口参数；

(3)根据第n+1时刻的查询窗口参数，对第n时刻和第n+1时刻流场纵剖面粒子图像进行PIV流场矢量估计，得到全流场速度矢量，并计算时间分辨率调整信息的速度场x′(n+1)和加速度场a(n+1)；

(4)根据时间分辨率调整信息，获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1。

3.如权利要求2所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，所述查询窗口参数包括更新的查询窗口长度、查询窗口宽度、查询窗口角度和重叠率，采用自适应迭代算法更新查询窗口参数，具体过程为：

将前一次查询窗口参数作为初始查询窗口参数，使用互相关方法计算全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度，并根据全流场速度矢量、速度梯度大小方向和峰值强度计算查询窗口参数估计，如果查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，则将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数，否则将查询窗口参数估计作为初始查询窗口参数，再次调整，直至查询窗口参数估计与初始查询窗口参数的差值小于给定阈值，将查询窗口参数估计作为后一次查询窗口参数；

计算查询窗口参数估计的方法包括以下步骤：

(a)按照初始查询窗口参数，进行粒子图像测速矢量估计，得到全流场速度矢量U及空间分辨率调整信息，空间分辨率调整信息包括：速度梯度Ux、Uy和峰值强度P；

(b)计算速度矢量的海瑟(Hessian)矩阵的特征向量，获得当前时刻流场动态特性信息：

海瑟张量矩阵：

$H=\left[\begin{array}{cc}{U}_{xx}& U_{xy}\\ U_{xy}& U_{yy}\end{array}\right]$

其中，U_xx、U_xy、U_xy和U_yy为粒子速度U的四个二阶偏导数；

根据海瑟张量结构矩阵，计算其特征值：λ₁、λ₂、特征向量最小曲率半径r_min，最大曲率半径r_max；角度θ；λ₁、λ₂为det|H-λI|＝0的两个根，为(H-λI)X＝0对应的两个基础解系，最小曲率半径r_min、最大曲率半径r_max、角度θ其计算公式分别为：

$r_{\min }=\frac{1}{\left|{\mathrm{\λ}}_1\right|}$

$r_{max}=\frac{1}{\left|{\mathrm{\λ}}_2\right|}$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\stackrel{\→}{l_1}}{\stackrel{\→}{l_2}}\right)$

(c)估计查询窗口参数：

计算查询窗口长度l_x估计：

计算查询窗口宽度估计：

l_y＝l_x/ε

计算查询窗口角度估计：

$\widetilde{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\θ}$

其中，长宽比系数ε＝l_x/l_y＝k*r_max/r_min，k为补偿系数，l为上次使用的窗口大小；

查询窗口重叠率(overlap)估计，依据U_xx和U_yy越大，则调整窗口重叠率增大的原则调整。

4.如权利要求3所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，对所述r_max/r_min进行阈值约束，r_max/r_min的阈值等于4。

5.如权利要求2所述的流场实时精确测量方法，其特征在于，所述获取第n+2时刻与第n+1时刻图像采集时间之间的时间间隔Δt_n+1的具体方法为：

${\mathrm{\&Delta;t}}_{n+1}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{U{\left(n\right)}^2+2a\left(n\right)}-U\left(n\right)}{a\left(n\right)}& \left(x\right(n+2)\&GreaterEqual;a)\\ {\mathrm{\&Delta;t}}_n& (b\&le;x(n+2)<a)\\ \frac{\sqrt{U{\left(n\right)}^2+1.2a\left(n\right)}-U\left(n\right)}{a\left(n\right)}& \left(x\right(n+2)<b)\end{array}\right.$

其中：U(n)为第n时刻的速度场；a(n)为第n时刻的加速度场；x(n+2)为根据第n+1时刻流场，采用卡尔曼一步预测算法预测的n+2时刻的位移矢量场；a、b为阈值。