CN106706956B - 一种记录空气速度场信息的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种记录空气速度场信息的装置及方法，该装置包括：光源系统、气泡发生器、同步控制器和至少两台彩色相机；光源系统包括连续光源和用于按照预定脉冲闪烁间隔以及脉冲颜色变化顺序进行照射的脉冲光序列光源；连续光源为测试区域提供照明；脉冲光序列光源为测试区域提供脉冲光照射；气泡发生器在测试区域的空气中施放浮力中性的示踪气泡；彩色相机同步采集记录有示踪气泡运动轨迹的彩色图像；同步控制器实现脉冲光序列光源和彩色相机的同步；其中，彩色相机的曝光时间大于脉冲光序列光源的预定脉冲闪烁间隔。本发明对测试环境以及相机配置的要求较低，在保证测量结果精确的同时减少了设计成本。

Description

一种记录空气速度场信息的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于脉冲光序列的记录空气速度场信息的装置及方法。

背景技术

空气流动是污染物的扩散和热量的传播的非常重要途径，不同空气流动形式下的热环境、污染物浓度分布会出现显著不同。因此，对空气流动规律的把握以及不同条件下空气流动的测量成为相关领域研究的基础，具有重要意义。

现有测量气流速度的技术手段包括，粒子追踪测速方法，在空气中施放示踪粒子，使用高速相机连续记录瞬态时刻气泡点的位置信息，然后推算出其轨迹及速度；粒子轨迹测速方法，在空气中施放示踪粒子，使用普通相机，调整快门时间至比较长，记录下气泡的轨迹，然后根据快门时间计算其速度；热线或热球风速仪，利用空气流动对热量扩散的增强作用，进行某点的风速测量；超声波风速仪利用空气流动导致的声速差异来测量某点的多个方向空气流动。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

粒子追踪测速方法，需要拍摄大量的瞬态时间点气泡位置照片，照片之间的时间间隔小，使得两张照片之间对应气泡的位移尽可能小，以方便将不同时间点的气泡位置联系在一起，完成气泡运动轨迹的重建，为提高精度通常会使用前几个时间点的重建结果进行拟合，推测下一时刻物体的位置，测量结果不精确。

粒子轨迹测速方法，该方案需要保持快门打开较长时间，测量频率低，粒子运动方向判断困难，测量精度较差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种记录空气速度场信息的装置及方法，该装置及方法采用直径较大、反光效果更好的气泡作为示踪粒子，对测试环境以及相机配置的要求较低，在保证测量结果精确的同时减少了设计成本。

本发明的一个方面，提供了一种记录空气速度场信息的装置，该装置包括：

光源系统、气泡发生器、同步控制器和至少两台彩色相机，其中，所述至少两台彩色相机的视角重叠范围覆盖测试区域，所述至少两台彩色相机从不同角度对测试区域内的测量点进行拍摄；

所述光源系统包括连续光源和用于按照预定脉冲闪烁间隔以及脉冲颜色变化顺序进行照射的脉冲光序列光源；

所述连续光源，用于为测试区域提供照明；

所述脉冲光序列光源，用于为测试区域提供脉冲光照射；

所述气泡发生器，用于在测试区域的空气中施放浮力中性的示踪气泡；

所述至少两台彩色相机，用于同步采集记录有测试区域内所述示踪气泡运动轨迹的彩色图像；

所述同步控制器，用于控制所述脉冲光序列光源和每一彩色相机，以实现脉冲光序列光源和所述至少两台彩色相机的同步；

其中，所述彩色相机的曝光时间大于所述脉冲光序列光源的预定脉冲闪烁间隔。

本发明的另一个方面，提供了一种基于上述实施例的记录空气速度场信息的装置的记录空气速度场信息的方法，该方法包括：

获取至少两台彩色相机采集的记录有测试区域内示踪气泡运动轨迹的多组彩色图像；

解析所述多组彩色图像，提取每一组彩色图像中所述示踪气泡的拖影轨迹信息和叠加在所述拖影轨迹上的由所述脉冲光序列光源形成的瞬态气泡位置信息；

根据所述拖影轨迹信息对所述瞬态气泡位置信息进行划分，确定每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息；

根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息和同一时间内所述脉冲光序列光源的脉冲颜色变化顺序，确定每一示踪气泡的运动方向；

根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息、每一示踪气泡的运动方向以及每一彩色相机的光学模型参数信息进行三维重建，得到三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹；

根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹以及所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的三维速度信息。

本发明的有益效果为：

本发明提供的记录空气速度场信息的装置及方法，通过引入脉冲光序列，在相机记录的轨迹信息上叠加脉冲光序列信息，利用不同颜色的光来标记示踪气泡在不同时间点的位置，从而在每一照片上同时记录了多个时间点上示踪气泡的彩色瞬态位置信息，使得相机的帧率得以降低；通过在轨迹上增加示踪气泡的彩色瞬态位置信息可以增加时间间隔的信息标记，从而在照片帧数不变的情况下成倍提升测量频率，而且彩色脉冲闪光序列以序列形式标记了时间信息，从而为照片提供了时间方向，从而准确得到空气速度场信息。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提出的一种记录空气速度场信息的装置的原理图；

图2为本发明实施例提出的一种记录空气速度场信息的装置的具体应用示意图；

图3为本发明实施例提出的一种记录空气速度场信息的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提出了一种记录空气速度场信息的装置，如图1和图2所示，本发明实施例提出的记录空气速度场信息的装置，具体包括：

光源系统10、至少两台彩色相机20、同步控制器30和气泡发生器40，其中，所述至少两台彩色相机从不同角度对测试区域内的测量点进行拍摄；

所述光源系统10包括连续光源101和用于按照预定脉冲闪烁间隔以及脉冲颜色变化顺序进行照射的脉冲光序列光源102；

所述连续光源101，用于为测试区域提供照明；

所述脉冲光序列光源102，用于为测试区域提供脉冲光照射；

所述气泡发生器40，用于在测试区域的空气中施放浮力中性的示踪气泡；

所述至少两台彩色相机20，用于同步采集记录有测试区域内所述示踪气泡运动轨迹的彩色图像；

所述同步控制器30，用于控制所述脉冲光序列光源102和每一彩色相机20，以实现脉冲光序列光源102和所述至少两台彩色相机20的同步；

其中，所述彩色相机20的曝光时间大于所述脉冲光序列光源102的预定脉冲闪烁间隔，以实现每次相机快门打开的曝光时间内，多次脉冲闪光按序列依次投向测试区域，利用气泡的跟随性和光散射特性，使得气泡表面呈现不同的颜色特征；使用彩色相机记录下连续光条件下物体的轨迹拖影和设定的时间点上气泡的瞬态位置和颜色信息，实现对空气的示踪。

可理解的是，为了实现脉冲光序列光源102和至少两台彩色相机20的同步，在一个实施例中，可以通过将光源系统10和至少两台彩色相机20分别与同步控制器30相连接，以实现光源系统10和至少两台彩色相机20的同步。在另一实施例中，如此时的彩色相机曝光时间较长，至少长于两次脉冲光的最短时间时，同步控制器30只需要让光源系统保持连续运行的同时协调至少两台彩色相机20同步工作，以实现至少两台彩色相机20的同步采集，而不用建立相机与光源的同步关系。

本发明一个实施例中，在连续光源101的照射下，示踪气泡表面反光更清晰，方便彩色相机记录气泡的运动轨迹；脉冲光序列光源102用于增强某些设定的时间点气泡在瞬态位置的反射光强，用于记录其瞬态气泡位置信息；为了判断物体运动方向，当一次测量的轨迹上脉冲闪光数量大于或等于三次时，任意相邻三次脉冲闪光的颜色不同，当脉冲闪光数小于三次时，相邻脉冲光的颜色不同，并且脉冲颜色变化顺序及每次脉冲间隔时间预先设定并已知；光源系统中连续光源101和脉冲光序列光源102和彩色相机20在同步控制器30的控制下，保证至少两台彩色相机20快门的开启与脉冲光序列光源的运作同步，以及快门开启期间脉冲光序列光源按预定闪烁频率及颜色变化方式工作。

进一步地，所述彩色相机的数量为多台时(至少三台)，多台彩色相机的视角重叠范围覆盖测试区域，并且测试区域内测量点可以至少被两台彩色相机从不同角度拍摄到。

进一步地，所述脉冲光序列光源的脉冲光颜色至少为两种。

需要说明的是，脉冲光序列光源可以为由多台颜色不同的单脉冲闪光灯组成，可以采用一台集成有不同颜色脉冲发射装置的闪光灯，也可由其他能够按照预定脉冲闪烁间隔以及脉冲颜色变化顺序进行照射的脉冲光发射装置替代，本发明对此不做具体限定。

本发明一个实施例中，为增强标记效果，在脉冲光序列光源亮起的时间段，连续光源关闭。

本发明一个实施例中，示踪气泡采用氦气填充，从而使得气泡密度与空气相同。

下面，对本发明实施例提出的记录空气速度场信息的装置的工作原理进行说明。

本发明提供的记录空气速度场信息的装置的工作原理，具体如下：

1)开启气泡发生器，制取示踪气泡并施放到被测区域内；

2)将至少两台相机从多个角度指向测试区域，并且确保测试区域内测量点可以至少被两台彩色相机从不同角度拍摄到，并进行标定；

3)在相机快门打开的时间内，利用同步器控制脉冲光序列光源产生多次脉冲光序列，所述序列的时间间隔已知，且相邻两次光脉冲的颜色不同；

4)根据测量需要拍摄多组气泡运动照片，得到相应条件下记录有物体运动轨迹及特定时间点位置和颜色信息的彩色照片，实现空气速度场信息的记录。

本发明提供的记录空气速度场信息的装置，通过脉冲光序列光源的设置，引入脉冲光序列，在相机记录的轨迹信息上叠加脉冲光序列信息，利用不同颜色的光来标记示踪气泡在不同时间点的位置，从而在每一照片上同时记录了多个时间点上示踪气泡的彩色瞬态位置信息，使得相机的帧率得以降低；相比于现有技术，本发明提供的记录空气速度场信息的装置，对测试环境以及相机配置的要求较低，在保证测量结果精确的同时减少了设计成本。

本发明另一实施例还提出了一种基于上述实施例所述的记录空气速度场信息的装置的记录空气速度场信息的方法。

图3示出了本发明另一实施例提出的一种记录空气速度场信息的方法的流程示意图，如图3所示，该方法具体包括：

S11、获取至少两台彩色相机采集的记录有测试区域内示踪气泡运动轨迹的多组彩色图像；

S12、解析所述多组彩色图像，提取每一组彩色图像中所述示踪气泡的拖影轨迹信息和叠加在所述拖影轨迹上的由所述脉冲光序列光源形成的瞬态气泡位置信息；

S13、根据所述拖影轨迹信息对所述瞬态气泡位置信息进行划分，确定每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息；

S14、根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息和同一时间内所述脉冲光序列光源的脉冲颜色变化顺序，确定每一示踪气泡的运动方向；

S15、根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息、每一示踪气泡的运动方向以及每一彩色相机的光学模型参数信息进行三维重建，得到三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹；

S16、根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹以及所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的三维速度信息。

本发明实施例，根据轨迹信息完成单个气泡所形成的一系列气泡点的分类，并根据脉冲光序列的颜色变化顺序判断同一轨迹气泡点的运动方向，将气泡点和运动方向组成矢量并输出，通过利用气泡点和轨迹方向组成的矢量、相机的光学模型参数信息进行三维重构，形成三维空间内气泡运动的轨迹；根据脉冲光源的时间间隔计算出气泡的三维速度信息，从而得到空气流场的三维速度。

本发明提供的记录空气速度场信息的方法，通过引入脉冲光序列，在相机记录的轨迹信息上叠加脉冲光序列信息，利用不同颜色的光来标记示踪气泡在不同时间点的位置，从而在每一照片上同时记录了多个时间点上示踪气泡的彩色瞬态位置信息，使得相机的帧率得以降低；通过在轨迹上增加示踪气泡的彩色瞬态位置信息可以增加时间间隔的信息标记，从而在照片帧数不变的情况下成倍提升测量频率，而且彩色脉冲闪光序列以序列形式标记了时间信息，从而为照片提供了时间方向，从而准确得到空气速度场信息。

进一步地，所述方法还包括：

通过标定确定每台彩色相机的光学模型参数信息。

本发明实施例中，步骤S16，进一步包括以下步骤：

根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹确定测试时间内示踪气泡在三维空间的任一维度的运动距离；

测试时间内示踪气泡在三维空间的任一维度的运动距离以及同一时间内所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的任一维度的速度信息。

本发明提供的记录空气速度场信息的方法，通过利用跟随性好的浮力中性气泡作为无色空气的示踪粒子，利用拉格朗日法追踪气泡的运动从而实现对空气流动的测量，并在保证测量结果精确的同时减少了测量成本。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种记录空气速度场信息的装置，其特征在于，所述装置包括：

光源系统、气泡发生器、同步控制器和至少两台彩色相机，其中，所述至少两台彩色相机从不同角度对测试区域内的测量点进行拍摄；

所述光源系统包括连续光源和用于按照预定脉冲闪烁间隔以及脉冲颜色变化顺序进行照射的脉冲光序列光源；

所述连续光源，用于为测试区域提供照明；

所述脉冲光序列光源，用于为测试区域提供脉冲光照射；

所述气泡发生器，用于在测试区域的空气中施放浮力中性的示踪气泡；

所述至少两台彩色相机，用于同步采集记录有测试区域内所述示踪气泡运动轨迹的彩色图像；

所述同步控制器，用于控制所述脉冲光序列光源和每一彩色相机，以实现脉冲光序列光源和所述至少两台彩色相机的同步；

其中，所述彩色相机的曝光时间大于所述脉冲光序列光源的预定脉冲闪烁间隔。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲光序列光源的脉冲光颜色至少为两种。

3.一种基于如权利要求1或2所述的记录空气速度场信息的装置的记录空气速度场信息的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取至少两台彩色相机采集的记录有测试区域内示踪气泡运动轨迹的多组彩色图像；

解析所述多组彩色图像，提取每一组彩色图像中所述示踪气泡的拖影轨迹信息和叠加在所述拖影轨迹上的由所述脉冲光序列光源形成的瞬态气泡位置信息；

根据所述拖影轨迹信息对所述瞬态气泡位置信息进行划分，确定每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息；

根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息和同一时间内所述脉冲光序列光源的脉冲颜色变化顺序，确定每一示踪气泡的运动方向；

根据每一示踪气泡对应的瞬态气泡位置信息、每一示踪气泡的运动方向以及每一彩色相机的光学模型参数信息进行三维重建，得到三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹；

根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹以及所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的三维速度信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过标定确定每台彩色相机的光学模型参数信息。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹以及所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的三维速度信息，包括：

根据三维空间内每一示踪气泡的运动轨迹确定测试时间内示踪气泡在三维空间的任一维度的运动距离；

测试时间内示踪气泡在三维空间的任一维度的运动距离以及同一时间内所述脉冲光序列光源的脉冲闪烁间隔，计算每一示踪气泡的任一维度的速度信息。