CN104698219A - 一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近场散射的流动二维速度场测量方法及装置，其中测量装置包括一激光器、一空间滤波器、一准直透镜、一透镜组、一CCD相机及一计算机，与现有技术相比，本发明具有以下优点：该测量装置相当简单，对光路对中要求不高，并且在无需添加去除中心光强的复杂装置的情况下，可实现杂散光的有效去除；该测量技术所需的示踪粒子粒径可小于激光器发出的入射光波长，并且示踪粒子的浓度也可以相对较高，可应用于纳米流体流动二维速度场的测量；该测量技术的数据分析简单、快速，可实现在线测量，并且采用差分处理方法保证了该速度测量方法精度和线性度不受限于示踪粒子的粒径及浓度大小。

Description

一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置及方法

技术领域

本发明属于速度测量技术领域，具体涉及一种基于近场散射的流动二维速度场测量方法及装置。

背景技术

在现代流体动力学实验中，如何精确、快速且简单地测量流体流动的流场分布一直是速度测量领域中一个很具挑战性的难题。通常是在流体中加入很小的示踪粒子，通过照射流体，检测散射光来实现速度分布的测量。目前，常见的测量二维速度场的技术主要有激光散斑测速(LSV)、在LSV基础上发展起来的粒子图像测速(PIV)和全息粒子图像测速(HPIV)等。

LSV和PIV(HPIV)都是通过比较已知时间间隔的两帧图像，采用空间互相关方法分析图像，可以测量出局部示踪粒子的位移，进而计算出流体流动二维速度场分布。PIV是20世纪80年代发展起来的研究流体动力学的一种非常重要的测量技术，但由于对流场中示踪粒子浓度有很大的限制,实验测量的流场空间分辨率并不理想，目前商品化的PIV仪器设备复杂、价格昂贵，这极大地限制了PIV测量仪的应用及发展。随后发展起来的HPIV是在原有的PIV技术上改良的可用来测量三维速度场分布的一种速度测量技术，但该技术的装置较为复杂，数据处理具有滞后性，并且在线测量的实现难度较大。此外，当实验投放的粒子浓度过高时,散斑噪音会严重影响干涉成像效果和粒子识别。

流体中加入的示踪粒子的粒径和浓度制约着如上现有的测量技术，无论是LSV还是PIV(HPIV)，所使用的示踪粒子的粒径不能过小，浓度不能太高，否则无法保证系统的精度和线性度，而且杂散光对系统的干扰也较大。

发明内容

技术问题：本发明针对现有二维速度场测量技术如LSV、PIV等在测量上的不足，提出一种基于近场散射的流动二维速度场测量方法及装置。该测量方法可实现垂直于光轴的流动方向上二维速度场的实时测量，并且与示踪粒子的浓度和粒径无关。

技术方案：本发明基于近场散射光学原理，提出一种基于近场散射的流动二维速度场测量方法及装置，其基本思路为：所述的激光器发出相干光束，经由所述空间滤波器，滤除大部分由激光器产生的杂散光，再由所述透镜组的准直透镜，对激光进行准直，准直光束照射待测溶液发生散射，然后调节测量区域后的所述透镜焦距，使得距离测量区域Z处的透射光与散射光的叠加所成的散斑图像，经所述透镜放大，被所述CCD相机所记录，每隔一定的时间间隔由CCD相机采样一次，并且由计算机存储处理。采用自相关的方法对所得的散斑图像进行处理分析，得到流体的二维流场分布。

一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置，其特征在于，包括：

一激光器，用于发出相干光束；

一空间滤波器，用于滤除由激光器产生的杂散光，得到高斯光束；

一准直透镜，用于将激光器发出的光束转换成直光束；

一透镜组，用于设定焦距，将距离测量区域Z处的散斑放大成像；

一CCD相机，用于设定时间间隔采集所述透镜组成像的近场散斑图像；

一计算机，对所述CCD相机采集的近场散斑图像进行计算得到流体的流场分布。

所述计算机对近场散斑图像进行计算的方法是：通过比较已知时间间隔的两幅图像，采用自相关方法，得到在该时间间隔内流体的位移，从而计算出流体的流场分布。

所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。

一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置测量流动二维速度场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、激光器发出的相干光束照射含有示踪粒子的流体，调整透镜组焦距，使得CCD相机采集距离管道中心Z处的图像，并设定CCD采样时间间隔τ，通过CCD相机获取透射光和散射光干涉后光强分布的散斑图像：

$f(\stackrel{\→}{r},t)={\left|e_0\right|}^2+2\mathrm{Re}\{e_0^{*}{e}_s(\stackrel{\→}{r},t)\}$

其中，表示散斑图像，其中是对应的成像平面的位置向量，t是对应的成像时刻，e₀是透射光场，|e₀|²是静态透射光强，e_s是散射光场，Re表示取实部运算，*号是取共轭运算，其中距离Z的选取必须满足D*＝2Z·NA<D，NA是透镜的数值孔径，D是相干光源的光束尺寸；

步骤二、CCD相机采集的N帧散斑图像相邻两组图像采样的时间间隔为τ，对相邻两组图像散斑强度值作差，得到N-1组差分信号图像

步骤三、将所得到的每组差分信号图像划分成S个小的计算区域，计算每个小的子区域内的平均速度，平均速度的计算方法是：

A、根据差分信号图像的自相关函数得到该时间间隔内示踪粒子的运动位移其中，差分信号的自相关函数为：

$g_{\mathrm{\&tau;}}\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=4{\left|e_0\right|}^2\mathrm{Re}\{2G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},0)-G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})-G(-\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})\}---\left(3\right)$

其中，表示示踪粒子的运动位移，第一项是正值，表示的是散射场的自相关函数，它正比于测量区域内示踪粒子的数量，均为散射场的互相关函数；

的定义为：

$G(\&PlusMinus;\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=<e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t)\stackrel{*}{e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&PlusMinus;\stackrel{\&RightArrow;}{x},t+\mathrm{\&tau;})>}$

其中，<…>表示总体平均运算符；

散射场的互相函数值是其自相关函数值的一种平移，即

$G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=G(\stackrel{\&RightArrow;}{x}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r},0)$

B、根据步骤A得到的示踪粒子的运动位移计算s示踪粒子的运动速度为

$<\stackrel{\&RightArrow;}{v}>=\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r}/\mathrm{\&tau;}.$

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：该测量装置相当简单，对光路对齐的要求不高，并且在无需添加去除中心光强的复杂装置的情况下，可实现杂散光的有效去除；该测量技术所需的示踪粒子粒径可小于激光器发出的入射光波长，并且示踪粒子的浓度也可以相对较高，可应用于纳米流动二维速度场的测量；该测量技术的数据分析相当简单、快速，可实现在线测量，并且采用差分处理方法保证了该测量方法相对于示踪粒子数的线性度。

附图说明

图1为本发明所述基于近场散射的流动二维速度场测量装置的结构示意图；

图2为差分图像子区域划分示意图。

图3为子区域内自相关计算结果理论示意图。

其中，激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4、CCD相机5、计算机6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的工作原理：激光器发出相干光束，经由空间滤波器，滤除大部分由激光器产生的杂散光，再由准直透镜，对激光进行准直，准直光束照射待测溶液，因颗粒的存在而发生散射，然后调节测量区域后的透镜焦距，使得距离测量区域Z处的透射光与散射光的叠加所成的散斑图像，被CCD相机所记录，每隔一定的时间间隔由CCD相机采样一次，并且由计算机存储处理。采用自相关的方法对所得的散斑图像进行处理分析，得到流体的二维流场分布。

如图1所示，本发明所述基于近场散射的颗粒粒度测量装置主要包括激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4、CCD相机5、计算机6。光源可采用连续激光器线光源1(如He-Ne激光器1，波长为632.8nm，D～10mm)。透镜组2为普通光学镜头(如透镜放大倍数40x，NA～0.65，具体参数可以根据实验需求进行选择)。CCD相机5通过信号电缆与计算机6相连。在计算机6内的图像数据处理软件的控制下，可完成图像采集、存储与处理等整体协调。

结合图1，下面结合长度为2mm，壁厚为1mm的方管内待测溶液颗粒粒度测量，以He-Ne激光器(λ～632.8nm，D～10mm)为光源，放大倍数M＝20的透镜(NA～0.5)，12位的CCD相机(1024×768pixel，pixel sizeΔl～4.65μm，framerate～800fps)，对本发明的工作过程及图像处理流程具体说明：

步骤一、CCD相机采样平面距离方管Z＝1.5mm(D*＝2Z·NA＝2×1.5mm×0.5＝1.5mm<D＝10mm，满足近场散射条件)。调整CCD相机位置，使得镜头的焦点刚好在采样平面上。激光器发出的相干光束照射管道，管道内是含有示踪粒子的纳米流体，由于光的散射作用，CCD相机采集距离测量区域Z处的由透射光和散射光干涉形成的散斑图像，并传输到计算机上进行存储和处理。设定CCD相机每隔τ＝0.1s拍摄一次图像，拍摄N＝600帧，总的测量时间T＝N·τ＝60s。

步骤二、CCD相机采集的600帧散斑图像相邻两组图像采样的时间间隔为τ，对这相邻两组图像散斑强度值作差，得到差分信号选取t₁和t₂这两个时刻的图像作差分处理如下：

$\mathrm{\&delta;}{f}_{12}(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t_1,\mathrm{\&tau;})=f(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t_2)-f(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t_1)=2\mathrm{Re}\left\{e_0^{*}\right[e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t_1+\mathrm{\&tau;})-e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t_1)\left]\right\}---\left(1\right)$

从式(2)可以清晰地看到差分信号与静态透射光强度|e₀|²无关。

将所得到的1024×768像素的差分图像按照16×16划分成S＝3072个小的计算区域，记为(δf₁₂)₁，(δf₁₂)₂……(δf₁₂)₃₀₇₂。对于每一个小的区域按步骤三所述计算得到该子区域内的平均速度。

步骤三、计算差分信号的自相关函数这样可以得到该时间间隔内示踪粒子的运动位移自相关函数在图像上的理论结果示意图如图3所示。

$g_{\mathrm{\&tau;}}\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=4{\left|e_0\right|}^2\mathrm{Re}\{2G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},0)-G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})-G(-\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})\}---\left(2\right)$

式(2)中，表示示踪粒子的运动位移，第一项是正值，表示的是散射场的自相关函数，它正比于测量区域内示踪粒子的数量，但不包含示踪粒子的运动信息。均为散射场的互相关函数。

的定义为：

$G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=<e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t)e_s^{*}(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&PlusMinus;\stackrel{\&RightArrow;}{x},t+\mathrm{\&tau;})>---\left(3\right)$

式(3)中，<…>表示总体平均运算符。

当流体中所有的示踪粒子以相同的平均速度<v>垂直于光轴运动τ时间，则在t+τ时刻时，在成像平面位置的散射场仅是在和t时刻的散射场的一种平移。因此，散射场的互相函数值也是其自相关函数值的一种平移，即

$G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=G(\stackrel{\&RightArrow;}{x}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r},0)---\left(4\right)$

在这里，示踪粒子运动位移为运动时间为τ，则运动速度为

$<\stackrel{\&RightArrow;}{v}>=\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r}/\mathrm{\&tau;}---\left(5\right)$

至此，每一块区域t₁时刻的速度已计算出。

步骤四、按步骤二和步骤三依次处理t₂和t₃时刻的图像、t₃和t₄时刻的图像、t₅和t₆时刻的图像，……，即可得到t₂，t₃，t₄，……的速度分布。

Claims (4)

1.一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置，其特征在于，包括：

一激光器，用于发出相干光束；

一空间滤波器，用于滤除由激光器产生的杂散光，得到高斯光束；

一准直透镜，用于将激光器发出的光束转换成直光束；

一透镜组，用于设定焦距，将距离测量区域Z处的散斑放大成像；

一CCD相机，用于设定时间间隔采集所述透镜组成像的近场散斑图像；

一计算机，对所述CCD相机采集的近场散斑图像进行计算得到流体的流场分布。

2.根据权利要求1所述的基于近场散射的流动二维速度场测量装置，其特征在于：所述计算机对近场散斑图像进行计算的方法是：通过比较已知时间间隔的两幅图像，采用自相关方法，得到在该时间间隔内流体的位移，从而计算出流体的流场分布。

3.根据权利要求2所述的一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置，其特征在于：所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。

4.一种采用权利要求1所述的一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置测量流动二维速度场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、激光器发出的相干光束照射含有示踪粒子的流体，调整透镜组焦距，使得CCD相机采集距离管道中心Z处的图像，并设定CCD采样时间间隔τ，通过CCD相机获取透射光和散射光干涉后光强分布的散斑图像：

$f(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t)={\left|e_0\right|}^2+2\mathrm{Re}\left\{e_0^{*}{e}_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t)\right\}$

其中，表示散斑图像，其中是对应的成像平面的位置向量，t是对应的成像时刻，e₀是透射光场，|e₀|²是静态透射光强，e_s是散射光场，Re表示取实部运算，*号是取共轭运算，其中距离Z的选取必须满足D*＝2Z·NA<D，NA是透镜的数值孔径，D是相干光源的光束尺寸；

步骤二、CCD相机采集的N帧散斑图像相邻两组图像采样的时间间隔为τ，对相邻两组图像散斑强度值作差，得到N-1组差分信号图像

步骤三、将所得到的每组差分信号图像划分成S个小的计算区域，计算每个小的子区域内的平均速度，平均速度的计算方法是：

A、根据差分信号图像的自相关函数得到该时间间隔内示踪粒子的运动位移其中，差分信号的自相关函数为：

$g_{\mathrm{\&tau;}}\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=4{\left|e_0\right|}^2\mathrm{Re}\{2G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},0)-G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})-G(-\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})\}---\left(3\right)$

其中，表示示踪粒子的运动位移，第一项是正值，表示的是散射场的自相关函数，它正比于测量区域内示踪粒子的数量，均为散射场的互相关函数；

的定义为：

$G(\&PlusMinus;\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=<e_s(\stackrel{\&RightArrow;}{r},t)e_s^{*}(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&PlusMinus;\stackrel{\&RightArrow;}{x},t+\mathrm{\&tau;})>$

其中，<···>表示总体平均运算符；

散射场的互相函数值是其自相关函数值的一种平移，即

$G(\stackrel{\&RightArrow;}{x},\mathrm{\&tau;})=G(\stackrel{\&RightArrow;}{x}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r},0)$

B、根据步骤A得到的示踪粒子的运动位移计算小的子区域内示踪粒子的运动速度为

$<\stackrel{\&RightArrow;}{v}>=\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{r}/\mathrm{\&tau;}.$