CN104634503A - 一种测量流场压力场的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量流场压力场的方法，包括：对测量区域进行单次曝光粒子图像测速(PIV)实验，获取彩色粒子图像；所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；根据所述流场速度场确定流场压力场。本发明还同时公开了一种测量流场压力场的装置，采用本发明，能解决现有技术中采用PIV测量流场压力场时对硬件要求高的问题，降低了实验成本，有利于PIV流场压力场测量技术的普及。

Description

一种测量流场压力场的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测速技术领域中的粒子图像测速(PIV，Particle ImageVelocimetry)技术，尤其涉及一种测量流场压力场的方法及装置。

背景技术

PIV技术是一种现代激光测速技术，主要运用于流场速度测量，通过追踪示踪粒子在流场中的运动来得到流场速度场。PIV技术通过片光源或者体光源能实现二维或者三维速度场测量，通过高速相机成像还能实现时间解析的PIV实验测量，并利用流体力学控制方程，即N-S方程求解重构得到和速度场耦合的流场压力场。

但是，高速成像需要高速相机来实施，而且PIV测量通常采用的是科研级别的工业相机，价格高昂。此外，PIV采用的光源同样是价格不菲的激光器。可见，采用PIV测量来获得流场压力场的方法成本较高。因此，如果能在光源和成像相机两个实验硬件环节都采用普通的设备来实现流场压力场测量，将大大降低实验费用，利于PIV流场压力场测量技术的普及。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量流场压力场的方法及装置，能解决现有技术中采用PIV测量流场压力场时对硬件要求高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例公开了一种测量流场压力场的方法，所述方法包括：

对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像；其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；

根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；

对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；

根据所述流场速度场确定流场压力场。

优选地，所述对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像，包括：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；其中，对于二维场景，采用单个彩色相机；对于三维场景，采用3个以上的彩色相机；

其中，所述快门时间至少满足下述公式：

2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃；其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间；三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足下述公式：

t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

优选地，所述分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数，包括：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在相同曝光时间长度内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析每种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

优选地，所述根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分，包括：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

优选地，所述对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场，包括：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照二维PIV图像处理方法对每个查询区进行互相关分析；其中，二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\Δi},j+\mathrm{\Δj})}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2},$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对于三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求取两个流场速度场；

相应地，所述根据所述流场速度场确定流场压力场，包括：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的纳维-斯托克斯N-S方程得到压力梯度：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景， 均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。

本发明实施例还提供了一种测量流场压力场的装置，所述装置包括第一获取模块、第二获取模块、拆分模块、第一计算模块和第二计算模块；其中，

所述第一获取模块，用于对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像；其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；

所述第二获取模块，用于分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；

所述拆分模块，用于根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；

所述第一计算模块，用于对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；

所述第二计算模块，用于根据所述流场速度场确定流场压力场。

优选地，所述第一获取模块，还用于：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；其中，对于二维场景，采用单个彩色相机；对于三维场景，采用3个以上的彩色相机；

其中，所述快门时间至少满足下述公式：

2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃；其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间。三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足下述公式：

t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

优选地，所述第二获取模块，还用于：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在相同曝光时间长度内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析各种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

优选地，所述拆分模块，还用于：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

优选地，所述第一计算模块，还用于：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照二维PIV图像处理方法对每个查询区进行互相关分析；其中，二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\Δi},j+\mathrm{\Δj})}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对用三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求取两个流场速度场；

相应地，所述第二计算模块，还用于：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的N-S方程得到压力梯度：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景，均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。

本发明所提供的测量流场压力场的方法及装置，对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像；获取光强标定函数；根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；根据所述流场速度场确定流场压力场。如此，解决了现有技术中采用PIV测量流场压力场时对硬件要求高的问题，降低了实验成本，进而也非常有利于PIV流场压力场测量技术的普及。

附图说明

图1为本发明实施例提供的彩色相机实现流场压力测量的实验总体布置示意图；

图2为本发明实施例提供的彩色相机实现流场压力测量的光源调节光学部件的侧视和俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种测量流场压力场的方法的实现流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种测量流场压力场的装置的组成结构示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的应用场景中彩色相机记录的原始彩色粒子图三层灰度矩阵中的一层的示意图；

图5(b)为本发明实施例提供的应用场景的原始彩色粒子图三层灰度矩阵拆分后的放大图：上面三幅是初始记录的粒子各图层的实际灰度图，下面三幅是用图像拆分方程组处理后的各图层的理论灰度图；

图6为本发明实施例提供的应用场景中RGB三色光源在不同图层上光强记录值的散点和曲线拟合图；

图7为本发明实施例提供的应用场景中刚体旋转流场的时间解析的速度矢量图；

图8为本发明实施例提供的应用场景中刚体旋转流场的加速度矢量图；

图9为本发明实施例提供的应用场景中刚体旋转流场的压力等值线图；

附图标记说明：

1-1--流动区域；1-2--彩色相机；1-3--三色光源；1-4--光源调节光学部件；1-5--计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的测量流场压力场的方法及装置的以下各实施例中，所涉及的彩色相机适用于各种彩色相机，不论彩色相机的彩色芯片是拜尔(Bayer)滤镜的芯片，还是三维电荷耦合器件(3-CCD，3-Charge Coupled Device)芯片。

在测量流场压力场之前，首先需要根据待测流场的工况及实验条件搭建实验平台，以二维流场为例，所述实验平台一般如图1所示。图1为本发明实施例提供的彩色相机实现流场压力测量的实验总体布置示意图，如图1所示，该总体布置示意图包括流动区域1-1、彩色相机1-2、三色光源1-3、光源调节光学部件1-4、计算机1-5。具体的，被测的流动区域1-1是平面片光源照射的区域；彩色相机1-2为单个彩色相机(注意，本示例选择的是二维流场，所以只需要单个彩色相机，若要测量三维流场，则需要多个彩色相机同时测量，一般为3到6个)，它可以是普通的彩色单反商业相机，或者是低/高速的彩色工业相机；三色光源1-3能产生红绿蓝(RGB，Red Green Blue)三色脉冲式的光源，用于照亮被测的流动区域1-1，该设备可采用投影仪，也可采用PIV专用的脉冲式高能激光器，但是该激光器必须具备红绿蓝三色脉冲触发功能；光源调节光学部件1-4用于将三色光源1-3产生的RGB三色脉冲式的光源生成片光源或体光源；所述光源调节光学部件1-4具体由如图2中所示的a、b两面平凸柱面镜来实现，图2给出了光源调节光学部件的侧视和俯视图；计算机1-5用于实现彩色相机1-2和三色光源1-3之间的同步，并进行图像数据的存储和处理。

图1为本发明实施例提供的一种测量流场压力场的方法的实现流程示意图，如图所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101：对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像。

其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息。

这里，所述测量区域是待测流场的测量区域。

优选地，所述对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像，包括：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；即，在同一曝光时间内分别用三种单色脉冲光源在不同时刻照射流场，获取记录了该流场信息的彩色粒子图像；

其中，所述快门时间至少满足公式(1)：

2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃                (1)

其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间。三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻(此处定义为脉宽中间时刻)分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足公式：t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

具体的，根据如图1所示的实验平台中，利用三色光源1-3先后发出等时间间隔为Δt₁的红(R)、绿(G)、蓝(B)三个单色脉冲光源；其中，每个单色脉冲光源的脉宽为Δt₂，并且，上述三个单色脉冲光源的信号通过计算机1-5控制；利用光源调节光学部件1-4将三色光聚焦成片光源(对多个彩色相机进行的三维体PIV测量可聚焦成一定厚度的体光源)，照亮流动区域1-1。然后，控制彩色相机1-2使其在一次快门时间Δt₃内记录下R、G、B先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，即三个脉冲光都落于一个曝光时间内，调整时间参数Δt₁、Δt₂、Δt₃及彩色相机等实验设备的可控参数，直到满足待测流场的工况要求，即在彩色相机单次曝光所记录的图像上可清晰地观察到三种不同颜色的粒子，分别为粒子在三个单色脉冲光源所对应的t₁、t₂和t₃时刻在彩色相机上的成像。

需要说明的是，上述所有与时间相关的参数都可根据实测流场所需工况进行调整，为已知参数。参数满足实验要求后，进行流场实验，获取记录有t₁、t₂和t₃三个瞬时流场信息的单张彩色粒子图像。

步骤102：分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数。

优选地，所述分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数，包括：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在同一曝光时间内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析每种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

具体的，在本发明的一个优选实施例中，所述分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数，可以包括步骤102a和步骤102b。

步骤102a：获取三种单色脉冲光源在三个图层上的光强标定图像。

采用和步骤101中相同的三色光源1-3，由所述三色光源1-3发出R、G、B单色脉冲光源，每个单色脉冲光源的脉宽仍采用Δt₂，延长脉冲光源之间的时间间隔Δt₁，用彩色相机2-2分别记录每一单色脉冲光源的流场，即曝光时间Δt₃不变，但一次曝光只记录一个单色脉冲光源照射下的流场，从而获得三幅在不同颜色光源下的光强标定图像，所述三幅在不同颜色光源下的光强标定图像将作为步骤102b中光强标定函数的光强标定图像。

当然，也可大量采样R、G、B单色脉冲光源下的光强标定图像，作为步骤102b中光强标定函数的光强标定图像。

步骤102b：获取三种单色脉冲光源在三个图层上的光强标定函数。

具体的，将步骤102a所述的每一幅光强标定图像都分为R、G、B三层灰度矩阵，其中，灰度值范围为0～2ⁿ-1，n是彩色相机的位深。

以R单色的脉冲光源成像为例进行说明，将其得到的图像分为R、G、B三个图层的灰度矩阵，分别记为R^R、G^R、B^R，其中，变量R、G、B分别代表R、G、B三个图层灰度矩阵，上标R代表脉冲光源是R单色，矩阵大小均为M×N。将R^R中灰度值为v的像素点位置的集合记为其中，v代表灰度值大小，取值范围为0≤v≤2ⁿ-1，(i，j)为R^R上灰度值为v的像素点对应的行列坐标索引值，v不同，对应的像素位置(i，j)的集合也不同，i、j的取值范围分别为1≤i≤M、1≤j≤N。这里认为，在R单色作为脉冲光源时，R^R上每个像素点记录的灰度值都是R脉冲光源在R^R矩阵上的理论灰度值。对于所有的G^R在这些像素点上的灰度值并不一定是常数，所以求取的统计平均值，作为在R色脉冲光源下，R单色光对G^R的成像贡献，即R^R灰度矩阵光强灰度为v时，G^R灰度矩阵对应位置上接收到光强的理论灰度值。这样便得到R色脉冲光源下，G^R上的理论灰度值相对于R^R上记录的灰度值v(0≤v<2ⁿ-1)之间的关系图。依次类推，可以获得所有三种单色对其他图层成像的贡献(作用)。这里，用于标定的所有RGB三色光下三色图层对应的光强理论灰度值计算公式，如公式(2)所示，在公式(2)中，为函数，表示当R脉冲光源在R^R上的灰度记录值为v_R时，G^R上相同像素位置处的灰度矩阵理论值，其中上标R表示脉冲光源是R单色，下标G表示G图层灰度矩阵，v_R表示R脉冲光源在R^R上的灰度记录值为v，表示在R脉冲光源下的像素位置上对应的G^R的像素灰度值的总和，表示在R脉冲光源下集合中像素点的个数。其他函数符号的表示规则以此类推。

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{f}_R^R\left(v_R\right)=\frac{1}{n_{v_R}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_{\mathrm{ij}}^R=v_R\\ f_G^R\left(v_R\right)=\frac{1}{n_{v_R}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{G}_{\mathrm{ij}}^R,\\ f_B^R\left(v_R\right)=\frac{1}{n_{v_R}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_{\mathrm{ij}}^R\end{array}\right.(i,j)\&Element;\left\{(i,j)\right|R_{\mathrm{ij}}^R=v_R\}\\ \left\{\begin{array}{c}{f}_R^G\left(v_G\right)=\frac{1}{n_{v_G}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_{\mathrm{ij}}^G\\ f_G^G\left(v_G\right)=\frac{1}{n_{v_G}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{G}_{\mathrm{ij}}^G=v_G,\\ f_B^G\left(v_G\right)=\frac{1}{n_{v_G}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_{\mathrm{ij}}^G\end{array}\right.(i,j)\&Element;\left\{(i,j)\right|G_{\mathrm{ij}}^G=v_G\}\\ \left\{\begin{array}{c}{f}_R^B\left(v_B\right)=\frac{1}{n_{v_B}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_{\mathrm{ij}}^B\\ f_G^B\left(v_B\right)=\frac{1}{n_{v_B}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_{\mathrm{ij}}^B,\\ f_B^B\left(v_B\right)=\frac{1}{n_{v_B}}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_{\mathrm{ij}}^B=v_B\end{array}\right.(i,j)\&Element;\left\{(i,j)\right|B_{\mathrm{ij}}^B=v_B\}\end{array}---\left(2\right)$

上述方案中，计算单色光下其他图层灰度矩阵理论值是为了获得该单色光对其他图层灰度贡献的光强标定函数。在得到光强关系图后，通过二次多项式曲线拟合方法可获得R脉冲光源在G^R上的光强标定函数，其形式如公式(3)所示：

$f_G^R\left(v_R\right)=a{v}_R^2+b{v}_R+c---\left(3\right)$

其中，a、b、c为拟合参数。用同样的方法可以得到R脉冲光源在B^R上的光强标定函数。

依次类推，用G和B单色脉冲光源，分别可以得到G^R,G^B,B^R,B^G的光强标定函数。

步骤103：根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分。

优选地，所述根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分，包括：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式如(4)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

具体的，在本发明的一个优选实施例中，所述根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分的具体实现过程可以包括步骤103a和步骤103b。

步骤103a：构建图层拆分函数。

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，即由3×M×N个图层拆分函数组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组如(4)所示，其中，R_read、G_read、B_read表示彩色相机在实验中单次曝光得到的彩色粒子图像(不是光强标定图像)各对应图层的实际灰度读出值(已知)，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像各图层的灰度矩阵理论值(未知待求)，各单色脉冲光源在不同图层上的记录的灰度矩阵理论值函数 这九个函数由步骤102b中获得，即通过二次多项式曲线拟合方法获得所述九个函数。

步骤103b：对所述实验单曝光得到的彩色粒子图像进行图层拆分。

将步骤101所述单次曝光得到的彩色粒子图像各图层灰度矩阵代入到所述图层拆分方程组(4)中，所述方程组是三元二次方程组，方程组的根不唯一，对于每个未知数都有两个实数根和六个两两共轭的复数根，其中，较大的实数根为方程组符合实际情况的真实根。所以，选取所述符合实际情况的真实根，便得到拆分后的各图层的理论灰度矩阵。

步骤104：对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场。

优选地，所述对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场，包括：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照二维PIV图像处理方法，将整个粒子图像划分为等尺寸的查询区域，通常为一个n_x×n_y大小的矩形网格区域，并对每个查询区域进行不同时间步的互相关分析；二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\&Delta;i},j+\mathrm{\&Delta;j})}{{\mathrm{\&sigma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_2}---\left(5\right)$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对于三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求流场速度场。

也就是说，对用多个彩色相机获得的三维体空间的粒子图像可用相同方法进行图像分拆后，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求取流场速度场。

这里，所述两个流场速度场的时间间隔为Δt₄＝Δt₁+Δt₂。

这里，所述二维PIV图像处理方法和所述三维PIV图像处理方法可以是现有技术中的处理方法，在此不再赘述。

步骤105：根据所述流场速度场确定流场压力场。

优选地，所述根据所述流场速度场确定流场压力场，包括：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的纳维-斯托克斯(N-S)方程得到压力梯度，所述压力梯度公式如式(5)所示：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景，均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。

目前已有的压力重构技术包括直接路径积分方法和求解泊松方程的方法，这里，我们采用的是对压力梯度直接进行路径积分的方法，即直接对压力梯度场的目标点选择从边界到目标点的积分路径进行积分，由于测量得到的实验数据误差不可避免，这里采用从所有边界点向目标点进行积分并对积分结果取平均值的方式减小积分结果对积分路径的依赖性，以所述平均值作为最终积分结果，从而减小误差。边界点的压力通过选取参考点，由所述参考点向其它边界点积分求得。

这里，具体如何求物质导数和压力场的过程，可参考现有技术中已有方法，在此不再赘述。

需要说明的是，对采用多个彩色相机获得的三维速度场可按相同的方法进行处理，在三维空间通过伪追踪法求得物质导数，再对压力梯度进行三维空间积分得到三维压力场。

由上可知，本发明提出了一种简便的实现流场压力场测量的方法，仅通过彩色相机单次曝光配合三色光源来完成流场压力场测量，可以大大降低实验费用，非常有利于PIV流场压力场测量技术的普及。

需要说明的是，本发明所述技术方案，同样适用于利用多个彩色相机从不同视角进行三维体PIV观测的实验的场景，即采用多个彩色相机(一般为3到6个)从不同视角进行成像，一次曝光记录三个不同波段光源下的粒子图像，进而实现最终的压力场重构。

图4为本发明实施例提供的测量流场压力场的装置的组成结构示意图，如图4所示，所述装置包括第一获取模块41、第二获取模块42、拆分模块43、第一计算模块44和第二计算模块45；其中，

所述第一获取模块41，用于对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像；其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；

所述第二获取模块42，用于分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；

所述拆分模块43，用于根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；

所述第一计算模块44，用于对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；

所述第二计算模块45，用于根据所述流场速度场确定流场压力场。

优选地，所述第一获取模块41，具体还用于：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；即，在同一曝光时间内用三种单色脉冲光源在不同时刻照射流场，获取记录了该流场信息的彩色粒子图像；其中，所述快门时间至少满足公式2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃；其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间；三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻(此处定义为脉宽中间时刻)分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

优选地，所述第二获取模块42，具体还用于：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在同一曝光时间内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析各种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

优选地，所述拆分模块43，具体还用于：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

优选地，所述第一计算模块44，具体还用于：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照PIV图像处理方法对每个查询区进行互相关分析；二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\&Delta;i},j+\mathrm{\&Delta;j})}{{\mathrm{\&sigma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_2}$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对于三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求流场速度场。

相应地，所述第二计算模块45，具体还用于：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的N-S方程得到压力梯度：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景，均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。

这里，我们采用的是对压力梯度直接进行路径积分的方法，即直接对压力梯度场的目标点选择从边界到目标点的积分路径进行积分，由于测量得到的实验数据误差不可避免，这里采用从所有边界点向目标点进行积分并对积分结果取平均值的方式减小积分结果对积分路径的依赖性，以所述平均值作为最终积分结果，从而减小误差。边界点的压力通过选取参考点，由所述参考点向其它边界点积分求得。

本领域技术人员应当理解，图4所示的测量流场压力场的装置中的各模块的实现功能可参照前述测量流场压力场的方法的相关描述而理解。

实际应用中，所述测量流场压力场的装置中的各个模块可由所述测量流场压力场的装置所属系统的中央处理器(CPU，Central Processing Unit)、微处理器(MPU，Micro Processor Unit)、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)或现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)实现。

上述测量流场压力场的装置可以应用于实际工程或实验中的流场测量系统中。

为了更好地说明本发明方法的实现效果，下面结合具体应用场景对本发明方法进行描述。

本应用场景中，使用投影仪作为三色光源，其中，投影仪选用明基W1100/W1200投影仪，刷新频率为60Hz；彩色相机选用佳能(Canon)DS126151单反相机，分辨率为3888×2592像素；计算机采用型号为ASPIRE 4736G的宏基笔记本计算机，内存为2GB；计算机和投影仪之间采用高清晰度多媒体接口(HDMI，High Definition Multimedia Interface)进行连接。以二维刚体旋转作为实测流场进行说明，刚体选用刚性平板，用哑光漆均匀喷涂平板表面，并在平板上均匀播撒PIV示踪粒子。对于刚体旋转实测流场，这里可以简化实验平台，在如图1所示的实验平台基础上，省去光源调节部件，直接用投影仪照射示踪粒子均匀分布的旋转刚体平面，刚体通过电机带动绕平面中心旋转。

具体的流场压力场测量步骤包括：

步骤一：进行单次曝光三色PIV实验，获取彩色粒子图像。

将刚体平板表面涂黑，在刚体平面上均匀播撒示踪粒子，通过计算机1-5控制投影仪1-3实现等时间间隔为Δt₁＝0.1s的红、绿和蓝三个单色投影，在该时间间隔内，用投影仪投影黑色的背景，每个单色脉冲光源的投影时间为Δt₂＝0.04s。照亮旋转刚体平面，用电机带动刚体平面旋转，旋转角速度为0.25rad/s。彩色相机1-2调整为手动模式，调节彩色相机1-2的参数，使彩色相机1-2可以在一次快门时间Δt₃内同时记录下R、G、B三个单色脉冲光源照射的流场信息，即快门时间Δt₃要满足公式(1)。

本次实测流场中，彩色相机的参数为：快门时间Δt₃＝0.4s，光圈为8，感光度(即ISO)为800，图像记录格式为RAW格式，位深为16位。

所有参数调节到满足实验要求后，拍摄刚体旋转流场，获取一幅记录有三个单色脉冲光源对应时刻的流场信息的彩色粒子图像。图5(a)给出了本应用场景中彩色相机记录的原始彩色粒子图三层灰度矩阵中的一层的示意图。

步骤二：获取光强标定函数。

将投影仪1-3的投影光源调为R色脉冲光源，脉冲时间0.04s，用彩色相机1-2记录该脉冲光源下的刚体平面，快门时间0.4s，除脉冲时间外的0.36s的时间均用投影仪投影黑色背景，用同样的方法记录G色色脉冲光源和B色脉冲光源下的刚体平面，这三幅图像将作为光强标定函数的光强标定图像。

当然，为了提高实验精度，也可以大量连续采样光强标定图像。

将所述每一幅光强标定图像都分为R、G、B三层灰度矩阵，灰度值范围为0～65535。以R色脉冲光源为例，将在该R色脉冲光源下得到的图像分为R、G、B三个图层的灰度矩阵，分别记为R^R、G^R、B^R，正常大小字体的R、G、B分别代表R、G、B三个图层灰度矩阵，上标R代表脉冲光源是R单色，在本应用场景中，由于实测域很小，所以只截取了图片中实测区域部分的图片进行处理，分辨率为401×401。将R^R中满足灰度值为v的像素点位置的集合记为其中v_R代表R图层上的灰度值大小，(i，j)为R^R上灰度值为v_R的像素点对应的行列坐标索引值，v_R不同，对应的像素位置(i，j)的集合也不同，i、j的取值范围分别为1≤i≤401、1≤j≤401。这里认为，在R单色作为脉冲光源时，R^R上每个像素点记录的灰度值都是R脉冲光源在R^R矩阵上记录的灰度矩阵理论值。对于所有的求出的统计平均值，所述的统计平均值作为在R色脉冲光源下，R^R灰度矩阵像素点上灰度记录值为v_R时对应的G^R灰度矩阵上相同位置处的灰度矩阵理论值，这样便得到G^R上的灰度矩阵理论值相对于R^R上的灰度值v(0≤v<65535)的散点图，通过二次多项式曲线拟合方法可获得R色脉冲光源在G^R上的光强标定函数，记为用同样的方法可以得到R色脉冲光源在B^R上的光强标定函数，记为依次类推，可以获得所有三种单色脉冲光源在RGB三个图层上的光强标定函数，各图层在三色脉冲光源下记录的灰度值散点图和曲线拟合图如图6所示，各光强标定函数如式(6)所示：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{f}_R^R\left(v_R\right)=v_R\\ f_G^R\left(v_R\right)=0.00000{3v}_R^2+0.0410v_R+803.4\\ f_B^R\left(v_R\right)=0.000002v_R^2+0.1266v_R+1352.0\end{array}\right.,0\&le;v_R\&le;65535\\ \left\{\begin{array}{c}{f}_B^R\left(v_R\right)=0.00000{8v}_G^2+0.1637v_G-885.3\\ f_G^G\left(v_G\right)=v_G\\ f_B^G\left(v_G\right)=0.000005v_G^2+0.3752v_G-79.3\end{array},\mathrm{0\&le;}\right.v_G\&le;65535\\ \left\{\begin{array}{c}{f}_B^G\left(v_G\right)=0.00000{5v}_B^2-0.0897v_B+1573.4\\ f_G^B\left(v_B\right)=0.000008v_B^2+0.0524v_B+1403.3\\ f_B^B\left(v_B\right)=v_B\end{array},0\&le;v_R\&le;65535\right.\end{array}---\left(6\right)$

其中，代表当R脉冲光源在R^R上记录的灰度值为v_R时，G^R上相同位置像素处的灰度值函数，上标R代表脉冲光源是R单色，下标G代表G图层灰度矩阵，v_R代表R色脉冲光源的强度为v或R色脉冲光源在R^R上记录的灰度值为v，其它物理量的含义与此相似。

步骤三：通过步骤二所述光强标定函数(6)对步骤一所述的彩色粒子图像进行图层拆分，将光强标定函数代入到图层拆分方程组(4)中，得到下式：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=R_{\mathrm{phy}}+0.00000{8G_{\mathrm{phy}}}^2+0.1637G_{\mathrm{phy}}+0.000005{B_{\mathrm{phy}}}^2-0.0897B_{\mathrm{phy}}+688.1\\ G_{\mathrm{read}}=0.000003{R_{\mathrm{phy}}}^2+0.0410R_{\mathrm{phy}}+G_{\mathrm{phy}}+0.000008{B_{\mathrm{phy}}}^2+0.0524B_{\mathrm{phy}}+2206.7\\ B_{\mathrm{read}}=0.000002{R_{\mathrm{phy}}}^2+0.1266R_{\mathrm{phy}}+0.000005{G_{\mathrm{phy}}}^2+0.3752G_{\mathrm{phy}}+B_{\mathrm{phy}}+1272.7\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read代表相机在脉冲光源下各图层的实际灰度读出值(已知)，R_phy、G_phy、B_phy代表相机在脉冲光源下各图层的灰度理论值灰度矩阵理论值(未知待求)。该方程组是三元二次方程组，方程组的根不唯一，有两个实数根和六个两两共轭的复数根，其中较大的实数根为方程组符合实际情况的真实根。求解方程组得到图像理论灰度值R_phy、G_phy、B_phy。图5(b)为本应用场景中的彩色粒子图像三层灰度矩阵拆分后的放大图，具体的，上面三幅是初始记录的粒子各图层的实际灰度图，下面三幅是用图像拆分方程组处理后的各图层的理论灰度图(求解得到)。从图5(b)中可以看到，由于滤波片对各波长光波的实际滤波能力难以达到理想的程度，单个单色光源照射下的原始流场中的单个粒子会在三个图层上均有灰度值记录，但是通过图层拆分算法的处理，可有效地消减该单色光源对应的图层之外的两个图层上的灰度记录值，从而提高了后续PIV互相关分析求解速度场的精度。

步骤四：将拆分后的图像灰度矩阵R_phy、G_phy、B_phy按照标准PIV图像处理方法对每个小的查询区采用二维互相关公式进行互相关分析，二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\&Delta;i},j+\mathrm{\&Delta;j})}{{\mathrm{\&sigma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_2}$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离。分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求出两个流场速度场，本应用场景中刚体旋转流场的时间解析的速度矢量图如图7所示，从图7中可以看到求出的流场速度场和刚体旋转速度场一致。

步骤五：记这两个流场速度场分别为和在拉格朗日坐标系下，根据已有压力场重构方法对粒子伪追踪求得其中间时刻的物质导数，粒子伪追踪采用迭代的方法，首次追踪选用一阶精度的单侧速度场()进行追踪，迭代过程采用二阶精度中心差分格式的速度场进行追踪。记两次相邻计算物质导数的残差为a_rms，记最近一次计算物质导数绝对值的均值为则所述应用场景中粒子伪追踪过程迭代收敛条件为本应用场景中刚体旋转流场的加速度矢量图如图8所示，从图8中可以看出，求出的加速度场也很好的符合刚体旋转速度场的加速度分布，即刚体是匀速旋转，只有指向旋转中心的向心加速度，切向加速度为零。由忽略粘性项和体积力的N-S方程通过在二维平面上对压力积分，得到旋转刚体压力场。这里，我们采用对压力梯度进行直接路径积分的方法。对于边界点，在边界上选取参考点，并采用单向路径及对应单一压力梯度分量进行积分。对于内点，采用从所有边界点向目标点进行积分并对积分结果取平均值的方式，减小积分结果对积分路径的依赖性，以所述平均值作为最终积分结果，从而减小误差。本应用场景中刚体旋转流场的压力等值线图如图9所示，从图9中可以看出，在旋转中心处存在一个压力极小值，压力近似于同心圆分布，符合理论旋转流场的压力分布。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量流场压力场的方法，其特征在于，所述方法包括：

对测量区域进行单次曝光粒子图像测速PIV实验，获取彩色粒子图像；其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；

根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；

对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；

根据所述流场速度场确定流场压力场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像，包括：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；其中，对于二维场景，采用单个彩色相机；对于三维场景，采用3个以上的彩色相机；

其中，所述快门时间至少满足下述公式：

2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃；其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间；三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足下述公式：

t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数，包括：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在相同曝光时间长度内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析每种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分，包括：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场，包括：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照二维PIV图像处理方法对每个查询区进行互相关分析；其中，二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\&Delta;i},j+\mathrm{\&Delta;j})}{{\mathrm{\&sigma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_2},$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对于三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求取两个流场速度场；

相应地，所述根据所述流场速度场确定流场压力场，包括：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的纳维-斯托克斯N-S方程得到压力梯度：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景， 均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。

6.一种测量流场压力场的装置，其特征在于，所述装置包括第一获取模块、第二获取模块、拆分模块、第一计算模块和第二计算模块；其中，

所述第一获取模块，用于对测量区域进行单次曝光PIV实验，获取彩色粒子图像；其中，所述彩色粒子图像记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息；

所述第二获取模块，用于分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并分析各种单色光对三个图层光强的贡献，获取光强标定函数；

所述拆分模块，用于根据所述光强标定函数对所述彩色粒子图像进行图层拆分；

所述第一计算模块，用于对拆分后的彩色粒子图像进行互相关分析，获得流场速度场；

所述第二计算模块，用于根据所述流场速度场确定流场压力场。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取模块，还用于：

先后发出等时间间隔的三种单色脉冲光源；

根据测量工况是二维场景或三维场景将三种单色脉冲光源聚焦成片光源或体光源，照亮测量区域；

控制彩色相机在一次快门时间内记录下先后三个单色脉冲光源照射的流场信息，以获取记录有三种单色脉冲光源在同一曝光时间内的不同时刻照射的流场信息的彩色粒子图像；其中，对于二维场景，采用单个彩色相机；对于三维场景，采用3个以上的彩色相机；

其中，所述快门时间至少满足下述公式：

2Δt₁+3Δt₂≤Δt₃；其中，Δt₁表示单色脉冲光源之间的时间间隔，Δt₂表示每个单色脉冲光源的脉宽，Δt₃表示快门时间。三个单色脉冲光源的信号峰值所对应时刻分别用t₁，t₂和t₃来表示，则所述峰值时刻满足下述公式：

t₂-t₁＝t₃-t₂＝Δt₁+Δt₂。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二获取模块，还用于：

分别对三种单色脉冲光源进行流场粒子成像，并获取与每种单色脉冲光源相对应的光强标定图像；其中，所述光强标定图像中记录有一种单色脉冲光源在相同曝光时间长度内照射的流场信息；所述三种单色脉冲光源分别为R色脉冲光源、G色脉冲光源、B色脉冲光源；

将每种光强标定图像都分为三个图层的灰度矩阵；其中，所述三个图层是指R图层、G图层、B图层；

分析各种单色脉冲光源对三个图层光强的贡献；

结合二次多项式曲线拟合方法确定每种单色脉冲光源分别在三个图层上的光强标定函数。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述拆分模块，还用于：

将三个图层上每个相同像素点位置处的光强标定函数联立，组成M×N个像素点的图层拆分方程组，每个像素的图层拆分方程组的表示形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{read}}=f_R^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_R^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ G_{\mathrm{read}}=f_G^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_G^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\\ B_{\mathrm{read}}=f_B^R\left(R_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^G\left(G_{\mathrm{phy}}\right)+f_B^B\left(B_{\mathrm{phy}}\right)\end{array}\right.$

其中，R_read、G_read、B_read表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的实际灰度矩阵读出值，R_phy、G_phy、B_phy表示所述彩色粒子图像中R图层、G图层、B图层的理论灰度矩阵值，分别表示R色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示G色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数，分别表示B色脉冲光源在R图层、G图层、B图层上的光强标定函数；各灰度矩阵大小均为M×N；

对所述彩色粒子图像进行图层拆分，读取所述彩色粒子图像各图层灰度矩阵，记为实际灰度矩阵读出值；

将所述实际灰度矩阵读出值代入到所述图层拆分方程组中；

将求解出的两个实数根中的较大的实数根确定为理论灰度矩阵。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，还用于：

对于二维场景，将拆分后的彩色粒子图像的理论灰度矩阵值R_phy、G_phy、B_phy按照二维PIV图像处理方法对每个查询区进行互相关分析；其中，二维互相关公式为：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_1(i,j)I_2(i+\mathrm{\&Delta;i},j+\mathrm{\&Delta;j})}{{\mathrm{\&sigma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_2}$

式中，R₁₂代表互相关系数，I代表二维灰度矩阵，σ代表标准方差，下标1、2代表相邻两个时间步，n_x和n_y分别代表每个查询区上矩形灰度矩阵在x、y方向上的大小，其中Δi、Δj分别代表计算互相关系数R₁₂时，I₂灰度矩阵相对于I₁在x、y两个方向上的以坐标索引为单位的偏置距离；

分别由R_phy和G_phy互相关以及G_phy和B_phy互相关求取两个流场速度场；

对用三维场景，对拆分后的彩色粒子图像，采用三维PIV图像处理方法及体互相关公式求取两个流场速度场；

相应地，所述第二计算模块，还用于：

在拉格朗日坐标系下，通过伪追踪法求得所述流场速度场在中间时刻t₂的物质导数；

由忽略粘性项和体积力的N-S方程得到压力梯度：

其中，表示压力梯度，ρ表示密度，表示物质导数； 分别表示流场速度场；对应时刻为(t₁+t₂)/2，对应时刻为(t₂+t₃)/2；其中，对于二维场景，均为二维矢量；对于三维场景，均为三维矢量；

对压力梯度进行积分，得到t₂时刻的流场压力场。