CN104808012B - 一种三维速度压力耦合测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维速度压力耦合测量方法，所述方法包括：获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。本发明还公开了一种三维速度压力耦合测量系统。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学测量应用领域中的三维空间激光成像测量技术，尤其涉及一种三维速度压力耦合测量方法及系统。
背景技术
对自然界和工程界中的流动，流场压力场的获取是一个重要的研究内容，因为压力是物体受力最直接的体现，而压力脉动是湍流流动特性维持和改变的重要原因。
在实验研究中，对流场内压力的直接测量是非常困难的，其中的原因也是多方面的，采用压力传感器植入式的测量会对流场造成较大干扰，而且还会涉及到单点测量、空间分辨率和时间响应等诸多问题；间接压力测量的方法以光学方法最为常见，主要是在物体表面进行压敏漆处理，通过光学成像的方法来识别壁面的压力分布，例如压敏漆(PSP)技术。但是光学压敏测量技术只能测量固体表面的压力分布，在测量精度、空间分辨率和动态响应方面表现还有待进一步提高；而且即便是采用经过压敏漆处理的示踪粒子进行速度场和压力场的耦合测量也才处于探索性阶段，并没有得到广泛应用。
因此，提供一种三维速度压力耦合测量方案，能够实现对三维流场的速度场和压力场的耦合测量，已成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种三维速度压力耦合测量方法及系统，能够实现对三维流场的速度场和压力场的耦合测量，且测量精度高、应用范围广。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种三维速度压力耦合测量方法，所述方法包括：
获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；
依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。
上述方案中，所述控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场包括：
周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场。
上述方案中，所述控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
控制K个图像采集设备处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息。
上述方案中，所述由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，包括：
采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场。
上述方案中，所述依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场，包括：
依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场。
本发明实施例还提供了一种三维速度压力耦合测量系统，所述系统包括：服务器、同步控制器、脉冲激光器及K个图像采集设备；其中，
所述服务器，用于获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
所述服务器，还用于通过所述同步控制器控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并通过所述同步控制器控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；
所述服务器，还用于依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。
上述方案中，所述服务器，具体用于通过所述同步控制器周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场。
上述方案中，所述服务器，具体用于通过所述同步控制器控制所述K个图像采集设备处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息。
上述方案中，所述服务器，具体用于采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场。
上述方案中，所述服务器，具体用于依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场。
本发明实施例所提供的三维速度压力耦合测量方法及系统，获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。如此，能够实现对三维流场的速度场和压力场的耦合测量，实现简单、测量精度高、应用范围广，具有重要的学术意义和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一的三维速度压力耦合测量方法流程示意图；
图2为本发明实施例三脉冲激光器原理示意图；
图3为本发明实施例双芯片PIV跨帧数字相机原理示意图；
图4为本发明实施例图像信息采集时序示意图；
图5为本发明实施例同步控制器与三脉冲激光器、双芯片PIV跨帧数字相机的连接原理示意图；
图6为本发明实施例三维速度压力耦合测量实现原理示意图；
图7为本发明实施例二的三维速度压力耦合测量方法流程示意图；
图8为本发明实施例三维速度压力耦合测量系统组成结构示意图。
具体实施方式
在本发明实施例中，获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中的示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。
实施例一
图1所示为本发明实施例一的三维速度压力耦合测量方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例三维速度压力耦合测量方法包括：
步骤101：获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
这里，所述待测流场中的标定靶的数字图像信息为：所述待测流场厚度方向上的G个不同位置的标定靶的数字图像信息；
本步骤具体包括：将预设的标定靶放置在所述待测流场厚度方向上的G个不同的位置，并控制所述K个图像采集设备对不同位置上的标定靶分别进行图像采集，得到不同位置上标定靶的数字图像信息，以使服务器依据所述标定靶的数字图像信息得到所述待测流场物理空间和所述图像采集设备的成像平面二维空间之间的映射函数，用于三维粒子灰度分布场计算；其中，G为正整数，具体可依据实际情况进行设定；
这里，所述标定靶可以为用于双芯片粒子图像测速(PIV，Particle ImageVelocimetry)的平面标定靶。
步骤102：控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；
这里，所述待测流场为激光照射的特定体空间；所述特定体空间的大小可以依据实际需要进行选取。
进一步的，所述控制脉冲激光器先后发射N束脉冲激光照射待测流场包括：
服务器通过同步控制器周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场；N为大于2的正整数；
在本发明实施例中，所述N为3，先后发射的三束脉冲激光间隔的时长具体可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.001s；所述周期也可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.1s；
相应的，所述脉冲激光器为三脉冲激光器；所述三脉冲激光器由三个并列的单脉冲激光器及合束器组成，如图2所示为本发明实施例三脉冲激光器原理示意图，其中，21、22、23分别为单脉冲激光器，所述单脉冲激光器发射的单脉冲激光波长具体可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为512nm；24为合束器，三个单脉冲激光器发射的单脉冲激光经过合束器从同一光路输出，通过合束器可精确控制每一个单脉冲激光器发射出的脉冲激光的偏振方向，在本实施例中，控制所述三脉冲激光器周期性发射的第一束脉冲激光与后两束脉冲激光的偏振状态垂直；241、244为全反射镜，242、243为合束镜片。
进一步的，服务器通过同步控制器周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场，包括：
服务器通过同步控制器发出的TTL触发信号，周期性的控制三脉冲激光器等时间间隔的先后发射三束脉冲激光照射待测流场；由于每台单脉冲激光器需要接收2路TTL触发信号，一路用于触发激光器的氙灯放电，另一路用于触发激光器的Q开关输出脉冲激光；因此，所述三脉冲激光器需要总共6路TTL触发信号控制，通过调节同步控制器发出的TTL触发信号的时间间隔和顺序，可控制三脉冲激光器在特定的时间输出3个具有时间间隔的脉冲激光。
进一步的，所述控制K个图像采集设备同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
服务器通过同步控制器控制K个图像采集设备处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；K为大于2的正整数；
在本发明实施例中，所述图像采集设备可以为PIV跨帧数字相机；所述双芯片PIV跨帧数字相机由两台独立的PIV跨帧数字相机经45度偏振分光镜耦合而成，不同偏振态的入射光线被所述偏振分光镜透射或反射，透射光和反射光分别被两个PIV跨帧数字相机芯片捕捉，其中，一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的水平偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的竖直偏振光线信号，或者其中一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的竖直偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的水平偏振光线信号；如图3所示为本发明实施例双芯片PIV跨帧数字相机原理示意图；其中，31、32分别为PIV跨帧数字相机芯片，33为45度偏振分光镜，34为可摆转镜头；所述可摆转镜头具备可摆动的特征，以满足不同拍摄角度下Scheimpflug条件；
在本发明实施例中，所述双芯片PIV跨帧数字相机中其中一台PIV跨帧数字相机工作在外触发状态，即触发一次捕捉1帧图像信息；另一台PIV跨帧数字相机工作在PIV模式，即触发一次捕捉2帧图像信息；因此，在服务器的一个控制周期内，一个双芯片PIV跨帧数字相机可捕捉3帧图像信息，如图4所示为本发明实施例图像信息采集时序示意图。
进一步的，所述K的取值可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中，K为4。
进一步的，服务器通过同步控制器控制K个图像采集设备处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
服务器通过同步控制器发出的TTL触发信号，控制4个双芯片PIV跨帧数字相机处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；其中，每个双芯片PIV跨帧数字相机需要两路TTL触发信号进行控制，如图5所示为本发明实施例同步控制器与三脉冲激光器、双芯片PIV跨帧数字相机的连接原理示意图；其中，51为三脉冲激光器，52为双芯片PIV跨帧数字相机，53为同步控制器。
进一步的，所述服务器与所述同步控制器可通过控制电缆连接，以使所述同步控制器可以接受服务器发送的控制指令而输出对应的TTL触发信号。
步骤103：依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场；
如图6所示为本发明实施例三维速度压力耦合测量实现原理示意图；服务器通过K个图像采集设备获取所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，对所述示踪粒子的数字图像信息进行处理获取所述待测流场的三维速度场及三维压力场；其中，61为服务器，62为同步控制器，63为图像采集设备，64为脉冲激光器。
进一步的，所述依据所述示踪粒子的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，包括：
服务器依据所述标定靶的数字图像信息建立所述待测流场物理空间和所述图像采集设备的成像平面之间的映射关系，并依据所述示踪粒子的数字图像信息，利用层析PIV常用的MART算法或双基追踪算法进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场。
进一步的，由所述将所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，包括：
采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场；
在本发明实施例中，采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，通过服务器一个控制周期内的第一个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第一个瞬时速度场，通过第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第三个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第二个瞬时速度场。
进一步的，所述依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场，包括：
依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场；
其中，所述依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，包括：
将所述初始压力梯度矢量场分解为压力梯度修正矢量场和修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场；将压力梯度修正矢量场与所述初始压力梯度矢量场代入差分形式的无旋方程；构造使压力梯度修正矢量最小的拉格朗日函数，由拉格朗日乘子法求解，得到在该约束条件下的无旋方程的解，即压力梯度修正矢量场。
实施例二
图7所示为本发明实施例二的三维速度压力耦合测量方法流程示意图，在本发明实施例中，所述脉冲激光器为三脉冲激光器，所述图像采集设备为双芯片PIV跨帧数字相机，且应用4个双芯片PIV跨帧数字相机；如图7所示，本发明实施例三维速度压力耦合测量方法包括：
步骤701：获取所述待测流场厚度方向上的G个不同位置的标定靶的数字图像信息；
本步骤具体包括：将预设的标定靶放置在所述待测流场厚度方向上的G个不同位置，并控制所述K个图像采集设备对不同位置上的标定靶分别进行图像采集，得到不同位置上标定靶的数字图像信息，以使服务器可依据所述标定靶的数字图像信息得到所述待测流场物理空间和图像采集设备的成像平面二维空间之间的映射函数，用于三维粒子灰度分布场计算；
在本发明实施例中，所述标定靶为用于PIV的平面标定靶，平面大小为20cm×20cm，标点大小为直径0.5mm的原点，标点成方阵排布，间距为5mm；所述G为7。
步骤702：控制三脉冲激光器先后发射3束脉冲激光照射待测流场，并控制双芯片PIV跨帧数字相机同步采集所述3束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；
这里，所述待测流场为激光照射的特定体空间；所述特定体空间的大小可以依据实际需要进行选取，在本发明实施例中，所述特定体空间的大小为60mm×80mm×20mm。
进一步的，所述控制脉冲激光器先后发射3束脉冲激光照射待测流场包括：
服务器通过同步控制器输出的TTL触发信号周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场；
在本发明实施例中，先后发射的三束脉冲激光间隔的时长具体可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.001s；所述周期也可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.1s。
在本发明实施例中，所述三脉冲激光器由三个并列的单脉冲激光器及合束器组成，如图2所示为本发明实施例三脉冲激光器原理示意图，其中，21、22、23分别为单脉冲激光器，所述单脉冲激光器发射的单脉冲激光波长具体可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为512nm；24为合束器，三个单脉冲激光器发射的单脉冲激光经过合束器从同一光路输出，通过合束器可精确控制每一个单脉冲激光器发射出的脉冲激光的偏振方向，在本实施例中，控制所述三脉冲激光器周期性发射的第一束脉冲激光与后两束脉冲激光的偏振状态垂直；241、244为全反射镜，242、243为合束镜片。
进一步的，所述控制双芯片PIV跨帧数字相机同步采集所述3束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
服务器通过同步控制器输出的TTL触发信号控制4个双芯片PIV跨帧数字相机处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述3束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；
在本发明实施例中，所述双芯片PIV跨帧数字相机由两台独立的PIV跨帧数字相机经45度偏振分光镜耦合而成，不同偏振态的入射光线被所述偏振分光镜透射或反射，透射光和反射光分别被两个PIV跨帧数字相机芯片捕捉，其中，一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的水平偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的竖直偏振光线信号，或者其中一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的竖直偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的水平偏振光线信号；如图3所示为本发明实施例双芯片PIV跨帧数字相机原理示意图；其中，31、32分别为PIV跨帧数字相机芯片，33为45度偏振分光镜，34为可摆转镜头；所述可摆转镜头具备可摆动的特征，以满足不同拍摄角度下Scheimpflug条件；
在本发明实施例中，所述双芯片PIV跨帧数字相机中其中一台PIV跨帧数字相机工作在外触发状态，即触发一次捕捉1帧图像信息；另一台PIV跨帧数字相机工作在PIV模式，即触发一次捕捉2帧图像信息；因此，在服务器的一个控制周期内，一个双芯片PIV跨帧数字相机可捕捉3帧图像信息，如图4所示为本发明实施例图像信息采集时序示意图。
在本发明实施例中，所述服务器与所述同步控制器可通过控制电缆连接，以使所述同步控制器可以接受服务器发送的控制指令而输出对应的TTL触发信号。
步骤703：依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场；
这里，所述依据所述示踪粒子的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，包括：
服务器依据所述标定靶的数字图像信息建立所述待测流场物理空间和所述图像采集设备的成像平面之间的映射关系，并依据所述示踪粒子的数字图像信息，利用层析PIV常用的MART算法或双基追踪算法进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场。
进一步的，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，包括：
采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场求解得到三维速度矢量场；
在本发明实施例中，采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，通过服务器一个控制周期内的第一个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第一个瞬时速度场，通过第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第三个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第二个瞬时速度场。
进一步的，所述依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场，包括：
依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场；
其中，所述依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，包括：
将所述初始压力梯度矢量场分解为压力梯度修正矢量场和修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场；将压力梯度修正矢量场与所述初始压力梯度矢量场代入差分形式的无旋方程；构造使压力梯度修正矢量最小的拉格朗日函数，由拉格朗日乘子法求解，得到在该约束条件下的无旋方程的解，即压力梯度修正矢量场。
实施例三
图8为本发明实施例三维速度压力耦合测量系统组成结构示意图；如图8所示，本发明实施例三维速度压力耦合测量系统组成包括：服务器81、同步控制器82、脉冲激光器83及K个图像采集设备84；其中，
所述服务器81，用于获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
所述服务器81，还用于通过所述同步控制器82控制脉冲激光器83先后发射N束脉冲激光照射待测流场，并通过所述同步控制器82控制K个图像采集设备84同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；N为大于2的正整数，K为大于2的正整数；
所述服务器81，还用于依据所述示踪粒子的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场；
这里，所述待测流场为激光照射的特定体空间；所述特定体空间的大小可以依据实际需要进行选取。
进一步的，所述服务器81，具体用于控制所述K个图像采集设备对在所述待测流场厚度方向上的G个不同位置上的标定靶分别进行图像采集，得到不同位置上的标定靶的数字图像信息；
所述服务器81，还用于依据所述标定靶的数字图像信息得到所述待测流场物理空间和图像采集设备的成像平面二维空间之间的映射函数，以用于三维粒子灰度分布场计算；其中，G为正整数，具体可依据实际情况进行设定；
这里，所述标定靶可以为用于PIV的平面标定靶。
进一步的，所述服务器81通过所述同步控制器82控制脉冲激光器83先后发射N束脉冲激光照射待测流场，包括：
所述服务器81通过所述同步控制器82周期性的控制脉冲激光器83等时间间隔的先后发射N束脉冲激光照射待测流场；
在本发明实施例中，所述N为3，先后发射的三束脉冲激光间隔的时长具体可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.001s；所述周期也可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中可以为0.1s；
相应的，所述脉冲激光器83为三脉冲激光器；所述三脉冲激光器由三个并列的单脉冲激光器及合束器组成，如图2所示为本发明实施例三脉冲激光器原理示意图，其中，21、22、23分别为单脉冲激光器；24为合束器，三个单脉冲激光器发射的单脉冲激光经过合束器从同一光路输出，通过合束器可精确控制每一个单脉冲激光器发射出的脉冲激光的偏振方向，在本实施例中，控制所述三脉冲激光器周期性发射的第一束脉冲激光与后两束脉冲激光的偏振状态垂直。
进一步的，服务器81通过同步控制器发出的TTL触发信号，周期性的控制三脉冲激光器等时间间隔的先后发射三束脉冲激光照射待测流场；由于每台单脉冲激光器需要接收2路TTL触发信号，一路用于触发激光器的氙灯放电，另一路用于触发激光器的Q开关输出脉冲激光；因此，所述三脉冲激光器需要总共6路TTL触发信号控制，通过调节同步控制器发出的TTL触发信号的时间间隔和顺序，可控制三脉冲激光器在特定的时间输出3个具有时间间隔的脉冲激光。
进一步的，所述服务器81通过所述同步控制器82控制K个图像采集设备84同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
所述服务器81通过所述同步控制器82控制所述K个图像采集设备84处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；
在本发明实施例中，所述图像采集设备为双芯片PIV跨帧数字相机；所述双芯片PIV跨帧数字相机由两台独立的PIV跨帧数字相机经45度偏振分光镜耦合而成，不同偏振态的入射光线被所述偏振分光镜透射或反射，透射光和反射光分别被两个PIV跨帧数字相机芯片捕捉，其中，一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的水平偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的竖直偏振光线信号，或者其中一台PIV跨帧数字相机接收从45度偏振分光镜透射的竖直偏振光线信号，另一台PIV跨帧数字相机接收从镜片反射的水平偏振光线信号；如图3所示为本发明实施例双芯片PIV跨帧数字相机原理示意图；
在本发明实施例中，所述双芯片PIV跨帧数字相机中其中一台PIV跨帧数字相机工作在外触发状态，即触发一次捕捉1帧图像信息；另一台PIV跨帧数字相机工作在PIV模式，即触发一次捕捉2帧图像信息；因此，在服务器的一个控制周期内，一个双芯片PIV跨帧数字相机可捕捉3帧图像信息，如图4所示为本发明实施例图像信息采集时序示意图。
进一步的，所述K的取值可以依据实际需要进行设定，在本发明实施例中，K为4。
进一步的，服务器81通过同步控制器82发出的TTL触发信号，控制4个双芯片PIV跨帧数字相机处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；其中，每个双芯片PIV跨帧数字相机需要两路TTL触发信号进行控制，如图5所示为本发明实施例同步控制器与三脉冲激光器、双芯片PIV跨帧数字相机的连接原理示意图。
进一步的，所述服务器81与所述同步控制器82可通过控制电缆连接，以使所述同步控制器可以接受服务器发送的控制指令而输出对应的TTL触发信号。
进一步的，所述服务器81，还用于获取K个图像采集设备同步采集的所述N束脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息；具体可通过发送信息获取请求给所述K个图像采集设备，得到所述示踪粒子的数字图像信息；或者，通过所述K个图像采集设备主动上报得到所述示踪粒子的数字图像信息。
进一步的，服务器81依据所述示踪粒子的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，包括：
服务器81依据所述标定靶的数字图像信息建立所述待测流场物理空间和所述图像采集设备的成像平面之间的映射关系，并依据所述示踪粒子的数字图像信息，利用层析PIV常用的MART算法或双基追踪算法进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场。
进一步的，所述服务器81由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，包括：
所述服务器81采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场；
在本发明实施例中，服务器81采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，通过服务器一个控制周期内的第一个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第一个瞬时速度场，通过第二个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场及第三个脉冲激光获得的三维粒子灰度分布场得到第二个瞬时速度场。
所述服务器81依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场，包括：
所述服务器81依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场；
其中，服务器81依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，包括：
服务器81将所述初始压力梯度矢量场分解为压力梯度修正矢量场和修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场；将压力梯度修正矢量场与所述初始压力梯度矢量场代入差分形式的无旋方程；构造使压力梯度修正矢量最小的拉格朗日函数，由拉格朗日乘子法求解，得到在该约束条件下的无旋方程的解，即压力梯度修正矢量场。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维速度压力耦合测量方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
控制脉冲激光器先后发射三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射待测流场，并控制K个双芯片PIV跨帧数字相机同步采集所述三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，所述双芯片PIV跨帧数字相机的两个芯片分别记录不同偏振方向的脉冲激光照射的粒子场；其中，所述脉冲激光器由三个并列的单脉冲激光器及合束器组成，所述三个单脉冲激光器发射的单脉冲激光经过合束器从同一光路输出，所述合束器控制所述脉冲激光器发射的第一束脉冲激光与后两束脉冲激光的偏振状态垂直；所述双芯片PIV跨帧数字相机中其中一台PIV跨帧数字相机工作在外触发状态，另一台PIV跨帧数字相机工作在PIV模式；K为大于2的正整数；
依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述控制脉冲激光器先后发射三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射待测流场包括：
周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射待测流场。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述控制K个双芯片PIV跨帧数字相机同步采集所述三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，包括：
控制K个双芯片PIV跨帧数字相机处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息。
4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，包括：
采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场。
5.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场，包括：
依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场。
6.一种三维速度压力耦合测量系统，其特征在于，所述系统包括：服务器、同步控制器、脉冲激光器及K个双芯片PIV跨帧数字相机；其中，
所述服务器，用于获取待测流场中的标定靶的数字图像信息；
所述服务器，还用于通过所述同步控制器控制脉冲激光器先后发射三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射待测流场，并通过所述同步控制器控制K个双芯片PIV跨帧数字相机同步采集所述三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息，所述双芯片PIV跨帧数字相机的两个芯片分别记录不同偏振方向的脉冲激光照射的粒子场；其中，所述脉冲激光器由三个并列的单脉冲激光器及合束器组成，所述三个单脉冲激光器发射的单脉冲激光经过合束器从同一光路输出，所述合束器控制所述脉冲激光器发射的第一束脉冲激光与后两束脉冲激光的偏振状态垂直；所述双芯片PIV跨帧数字相机中其中一台PIV跨帧数字相机工作在外触发状态，另一台PIV跨帧数字相机工作在PIV模式；K为大于2的正整数；
所述服务器，还用于依据所述示踪粒子的数字图像信息及所述标定靶的数字图像信息进行三维图像重构得到所述待测流场的三维粒子灰度分布场，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场，并依据得到的三维速度矢量场获得所述待测流场的压力场。
7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述服务器，具体用于通过所述同步控制器周期性的控制脉冲激光器等时间间隔的先后发射三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射待测流场。
8.根据权利要求6或7所述系统，其特征在于，所述服务器，具体用于通过所述同步控制器控制所述K个双芯片PIV跨帧数字相机处于跨帧运行方式，从不同角度同步采集所述三束偏振方向垂直并合束的脉冲激光照射的待测流场中示踪粒子的数字图像信息。
9.根据权利要求6或7所述系统，其特征在于，所述服务器，具体用于采用速度梯度自适应的体互相关算法，并根据当地的速度梯度迭代调节判读窗口的形状，由所述三维粒子灰度分布场得到三维速度矢量场。
10.根据权利要求6或7所述系统，其特征在于，所述服务器，具体用于依据得到的三维速度矢量场获得对应的初始压力梯度矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场获得压力梯度修正矢量场，依据获得的初始压力梯度矢量场及压力梯度修正矢量场得到修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场，对获得的所述修正后的满足无旋条件的压力梯度矢量场进行积分，得到所述待测流场的压力场。
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