CN104459209A - 一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法 - Google Patents

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一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，它涉及一种流场测量的标定方法。本发明为了解决现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题。方法：步骤一：激光束标定机构的布置；步骤二：激光束标定方法：(1)确定标定起始点的位移读数；(2)在激光束图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置；(3)调整水平激光束位置，获取精密位移机构的读数和像素点位置；(4)调整垂直激光束位置，重复上面操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵；(5)获得高速相机相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系。本发明用于不规则几何体内流场测量。

Description

一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法
技术领域
本发明涉及一种流动测量的标定过程，具体涉及不规则几何体、细小结构的内部流场标定方法。
背景技术
流体测试技术对于流体动力学及相关工程领域的发展具有至关重要的作用。其中，粒子图像测速仪(缩写为PIV)技术实现了对流场无干扰的平面速度测量，另外，采用至少两台相机，则可以获得该测量平面内的三维速度场。
PIV测试技术的基本原理是：在待测量的流场均匀散布跟随性良好的示踪粒子，使用高速相机获取不同时刻的示踪粒子静态图像，然后对该系列图像进行分析，即可以获得流场的速度场信息。比如以二维PIV为例，单独跟踪某个运动粒子，则其在二维平面内的x、y两个方向的位置信息随时间而变化。要将示踪粒子图像的位置信息转化为速度场，就需要将流场中的位置尺寸(距离)和相机图像中的位置尺寸(像素)精确对应起来，这就是流场测量的标定过程。
目前，不管是二维标定还是三维标定，都需要事先在流场中布置一个标定板，标定板上布置有垂直交叉排列的圆点、方块或十字等规则图形，以方便目标像中心坐标的提取。在三维标定中，或者使用双平面的三维标定板，系统只需要采集一次图像即可完成标定；或者使用二维标定板配合精密位移机构，在片状激光面的厚度(现在片光厚度可小于1mm)之内，沿垂直片光方向进行平移定位，系统需要在相机景深范围内采集至少三个位置的标定板图像。在使用标定板的标定过程中，需要保证片状激光面与相机的像平面保持平行，同时也需要片状激光面与标定板平面保持严格共面。所以在该过程中，相机像平面与标定面之间的位置偏差是测量误差的主要来源之一。为了消除位置偏差的影响，德国远景公司已经开发了基于小孔成像模型的自标定方法，仅利用片状激光面所照亮的示踪粒子本身的图像特征进行最终标定，不需要标定板和激光面严格的重合。上述标定方法中，均需要在流场中布置标定板，这对于不规则几何体内部、细小区域内部等的流场显然无能为力。为此，国内已开发出了基于透视学中灭点定理的自标定方法，但该法需要复杂的数学换算，操作要求高，具有一定的误差。
综上所述，现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题，进而提供一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法。
本发明的技术方案是：一种不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：
步骤一：激光束标定机构的布置：
精密位移机构固定安装在水平面上，精密位移机构的上端竖直放置激光器放置板，第一激光器和第二激光器由上至下依次可滑动安装在激光器放置板上，支撑架固定安装在水平面上并与精密位移机构位于同一直线上，反射镜固定安装在支撑架上，且反射镜的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体内的流场位于精密位移机构与支撑架之间，高速相机位于不规则几何体的侧面前方，标定时不需要激光面透镜，而标定结束后将激光面透镜插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；
步骤二：激光束标定方法：
(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；
(2)利用高速相机获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；
(3)通过精密位移机构的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；
(4)通过精密位移机构的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：
( x 1 , z 1 ) ( x 2 , z 1 ) . . . ( x n , z 1 ) ( x 1 , z 2 ) ( x 2 , z 2 ) . . . ( x n , z 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x 1 , z n ) ( x 2 , z n ) . . . ( x n , z n ) , ( x p 1 , z p 1 ) ( x p 2 , z p 1 ) . . . ( x pn , z p 1 ) ( x p 1 , z p 2 ) ( x p 2 , z p 2 ) . . . ( x pn , z p 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x p 1 , z pn ) ( x p 2 , z pn ) . . . ( x pn , z pn )
(5)获得高速相机相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，至此，标定过程完成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明能够胜任不能放置标定板的流动标定场合。它通过精密位移机构、激光器放置板、激光器、支撑架、反射镜形成交叉激光束，将其打入使用折射率调整后流场内部，即可在相机平面形成清晰的激光亮斑；然后通过搜寻亮斑亮度峰值获得像素点位置，结合精密位移机构，可以获得像素点位置和位移点位置的相互关系，并完成标定。操作简单易行。可以保证复杂几何体内、不规则形状或者细小几何体内的流场标定的顺利进行，进一步提高标定过程和后续流场测量的精度。
附图说明
图1是本发明的激光束标定机构的布置示意图；图2是两束激光交叉点的亮度值变化示意图；图3是二维标定过程流程图；图4是二维到三维标定过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：
步骤一：激光束标定机构的布置：
精密位移机构2固定安装在水平面1上，精密位移机构2的上端竖直放置激光器放置板3，第一激光器4和第二激光器5由上至下依次可滑动安装在激光器放置板3上，支撑架6固定安装在水平面1上并与精密位移机构2位于同一直线上，反射镜7固定安装在支撑架6上，且反射镜7的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体8内的流场位于精密位移机构2与支撑架6之间，高速相机10位于不规则几何体8的侧面前方，标定时不需要激光面透镜9，而标定结束后将激光面透镜9插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；
步骤二：激光束标定方法：
(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；
(2)利用高速相机10获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；
(3)通过精密位移机构2的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构2的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；
(4)通过精密位移机构2的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：
( x 1 , z 1 ) ( x 2 , z 1 ) . . . ( x n , z 1 ) ( x 1 , z 2 ) ( x 2 , z 2 ) . . . ( x n , z 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x 1 , z n ) ( x 2 , z n ) . . . ( x n , z n ) , ( x p 1 , z p 1 ) ( x p 2 , z p 1 ) . . . ( x pn , z p 1 ) ( x p 1 , z p 2 ) ( x p 2 , z p 2 ) . . . ( x pn , z p 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x p 1 , z pn ) ( x p 2 , z pn ) . . . ( x pn , z pn )
(5)获得高速相机10相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，至此，标定过程完成。
通过上述机构，可以使得两束激光在同一平面内，并形成90°夹角通过待测量区域，两束激光将形成一个交点。然后通过调节精密位移机构，可以在不规则的几何体内形成大量的三维点阵，用来进行标定工作。
用高速相机采集标定激光束的静态图像，并进行图像分析，获得两束激光的实际中心线，最后获得相应的交点信息。通过采用高精度的精密位移机构，获得的标定点精度可小于0.1像素。
本实施方式的激光器放置板3上设有垂直布置的滑轨，该滑轨能够使得第一激光器4和第二激光器5在激光器放置板3上进行上下移动。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中反射镜7的平面与竖直方向之间的夹角为45°。如此设置，可以获得相互交叉的激光束，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式在所述步骤一中的待测量的不规则几何体8中添加折射率调整后的液体并在上述液体中混入体积浓度为0.01％的荧光粒子。如此设置，保证该几何体8的材料和其中液体具有相同的折射率。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式中折射率调整液体为碘化钠溶液。如此设置，保证该几何体8的材料和其中液体具有相同的折射率。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤一中的精密位移机构2具有在x、y、z方向的线性平移运动和xy平面内的旋转运动。如此设置，在该激光束标定机构中，精密位移机构具有4个自由度，即空间x、y、z方向的三个线性平移自由度和xy平面内的旋转自由度。由于激光器固定在精密位移机构上，所以激光束可以在x、y、z三个方向上分别平移，同时xy平面内的旋转自由度可以微调激光器的位置，使其发出的激光束对准待测量流场。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
如图1所示，发明的激光束标定机构示意图，整个系统由布置在稳定的水平面1上，精密位移结构2具有四个自由度，可以在x、y、z三个方向上平移，并在xy平面内的旋转；激光器放置板3安装在精密位移机构之上，其上具有沿z方向的导轨，第一激光器4和第二激光器5分别安装在激光器放置板3上面；支撑架6上布置了45°偏转的反射镜7；待测量的不规则几何体8内流场布置在精密位移机构2和支撑架6之间的适当位置。激光面透镜9布置在激光束的前方，作用是将激光束转化为片状光源，故在标定过程中并不使用该透镜9，而在测量时才在光路中插入该透镜；正对不规则几何体8的方向上，可以布置高速相机10进行标定和测量工作，在二维标定时，仅需一台高速相机10，而在三维标定时，需要两台高速相机10。
其工作过程为：在标定开始之前，从光路中取出激光面透镜9，确保激光束的线光源透过光路；在待测量的不规则几何体8中，添加折射率调整后的液体，并在其中混入体积浓度0.01％的荧光粒子，保证该几何体8的材料和其中液体具有相同的折射率；然后调整反射镜7和激光束的相对位置，将不规则几何体8布置在激光束可以扫描的适当位置。然后，依据实验测量的要求，分别调整x、y、z三个方向的位移，使得激光束可以逐层扫描待标定流场。
在标定完成之后，无需调整激光器和待测量几何体的位置，直接将激光面透镜9安装到第一激光器4和第二激光器5上，形成片状光源，即可进行下一步的流动测量。
如图2所示，当激光束交叉穿过不规则几何体内的流体时，由于激光束激发了荧光粒子，故高速相机可以拍摄到激光束的行进路线。由于激光束具有一定的直径(典型激光束直径为1mm)，激光束的交叉点将形成一个亮斑，记录在相机图像上，其亮度值变化如图所示，亮度值在某个位置具有峰值。
如图3所示，以二维流场标定为例，在xz平面内，利用激光束进行标定的流程图示，标定过程根据如下原则进行：
(1)确定标定起始点，记录精密位移机构的读数(x1,z1)；
(2)获取该处激光束交叉点亮斑亮度值，自动搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；
(3)调整水平激光束位置z，分别获取精密位移机构的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；
(4)调整垂直激光束位置x，重复上面操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：
( x 1 , z 1 ) ( x 2 , z 1 ) . . . ( x n , z 1 ) ( x 1 , z 2 ) ( x 2 , z 2 ) . . . ( x n , z 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x 1 , z n ) ( x 2 , z n ) . . . ( x n , z n ) , ( x p 1 , z p 1 ) ( x p 2 , z p 1 ) . . . ( x pn , z p 1 ) ( x p 1 , z p 2 ) ( x p 2 , z p 2 ) . . . ( x pn , z p 2 ) . . . . . . . . . . . . ( x p 1 , z pn ) ( x p 2 , z pn ) . . . ( x pn , z pn )
(5)获得高速相机相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，标定过程完成。
如图4所示，为使用激光束从二维到三维标定过程的示意图。针对三维标定情况，需要使用两台高速相机进行图像标定。在完成xz平面内标定之后，在y坐标方向上至少移动三个平面，平面间隔2mm。然后使用相同方法进行标定其他平面的像素点矩阵。
本发明的激光束标定机构，可以对不规则几何体、细小流动结构等内部不能放置标定板的情况进行流场的标定，适应性很广。使用该方法进行标定后，不需要再调整激光器和待测量流场的的位置，直接将激光面透镜安装到激光器上，形成片状光源，即可进行下一步的流动测量。该发明可以轻易扩展到三维流场的标定，标定过程简单易行，标定精度很高，依赖于精密位移机构，精度可小于0.1像素。另外，为了进一步提高标定精度，可以使用更小直径和更小分散性的激光束。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：所述不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：
步骤一：激光束标定机构的布置：
精密位移机构(2)固定安装在水平面(1)上，精密位移机构(2)的上端竖直放置激光器放置板(3)，第一激光器(4)和第二激光器(5)由上至下依次可滑动安装在激光器放置板(3)上，支撑架(6)固定安装在水平面(1)上并与精密位移机构(2)位于同一直线上，反射镜(7)固定安装在支撑架(6)上，且反射镜(7)的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体(8)内的流场位于精密位移机构(2)与支撑架(6)之间，高速相机(10)位于不规则几何体(8)的侧面前方，标定时不需要激光面透镜(9)，而标定结束后将激光面透镜(9)插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；
步骤二：激光束标定方法：
(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；
(2)利用高速相机(10)获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；
(3)通过精密位移机构(2)的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构(2)的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；
(4)通过精密位移机构(2)的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：
( x 1 , z 1 ) ( x 2 , z 1 ) · · · ( x n , z 1 ) ( x 1 , z 2 ) ( x 2 , z 2 ) · · · ( x n , z 2 ) · · · · · · · · · · · · ( x 1 , z n ) ( x 2 , z n ) · · · ( x n , z n ) , ( x p 1 , z p 1 ) ( x p 2 , z p 1 ) · · · ( x pn , z p 1 ) ( x p 1 , z p 2 ) ( x p 2 , z p 2 ) · · · ( x pn , z p 2 ) · · · · · · · · · · · · ( x p 1 , z pn ) ( x p 2 , z pn ) · · · ( x pn , z pn ) ,
(5)获得高速相机(10)相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，至此，标定过程完成。
2.根据权利要求1所述的一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：所述步骤一中反射镜(7)的平面与竖直方向之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：在所述步骤一中的待测量的不规则几何体(8)中添加折射率调整后的液体并在上述液体中混入体积浓度为0.01％的荧光粒子。
4.根据权利要求3所述的一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：所述液体为碘化钠的水溶液。
5.根据权利要求1或4所述的一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：步骤一中的精密位移机构(2)具有在x、y、z方向的线性平移运动和xy平面内的旋转运动，共四个自由度。
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