CN107121262A - 背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法 - Google Patents

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宋旸
杨鹏飞
张磊
渠向举
金莹
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种背景纹影瞬态流场显示系统，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。本发明还公开了该系统的流场测量方法。本发明系统和方法适用于光线差的情况下，减少了测量中CCD相机的曝光时间，提高了测量精度。

Description

背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法
技术领域
本发明属于流场显示领域，特别涉及一种背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法。
背景技术
背景纹影技术是测量流体密度场的重要方法之一，测量系统和测量方法是影响背景纹影测量精度的重要因素。
目前，背景纹影技术所使用的背景板大多为打印出来的噪点图背景和自然背景，这两种背景板的使用都存在局限性。在光线较暗的情况下，这两种系统拍出来的照片噪声很大，严重影响了测量结果的准确性。为了在光线差的情况下使用，需要增加额外光源，这使得测量系统变得复杂。自然背景除了不适于光线差的环境外，测量环境稳定性也差，自然背景的任何风吹草动都会对测量结果产生很大的影响。
此外，现有背景纹影技术多采用互相关算法，由于是通过求取迭代窗口的互相相关性获得整个窗口的位移变化量，而不是某一个像素点的位移量，因此测量的精度不高。在进行超高速流场显示时还存在曝光时间过长，拍摄图像出现运动残影的问题，这也会严重影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法，适用于光线差的情况下，减少了测量中CCD相机的曝光时间，提高了测量精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种背景纹影瞬态流场显示系统，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。
所述LED阵列背景板上LED灯等间距排列。
基于该背景纹影瞬态流场显示系统的流场测量方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建背景纹影瞬态流场显示系统：在流场两侧分别放置LED阵列背景板和CCD相机，使得三者位于同一条直线上；
步骤2：采集参考图像：在没有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为参考图像；
步骤3：采集测量图像：在有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为测量图像；
步骤4：根据参考图像和测量图像求取流场变化：分别求出参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标，把对应的亮斑重心坐标相减得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
所述步骤4的具体方法为：
步骤4.1：分别识别参考图像和测量图像中的连通域，即亮斑；
步骤4.2：计算各连通域的重心坐标；
步骤4.3：设定距离阈值，并根据距离阈值匹配参考图像和测量图像的亮斑坐标，使参考图像和测量图像的所有亮斑一一对应；
步骤4.4：将参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标相减，得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用LED阵列背景板，自身可以发光，能在没有额外光源或者光线比较弱的情况下进行流场测量；2)本发明减少了测量中CCD相机的曝光时间，有效地抑制了运动残影，提高了测量精度；3)本发明通过点提取算法得到点位移，提高了测量精度。
附图说明：
图1为本发明背景纹影瞬态流场显示系统的结构示意图。
图2为本发明流场测量的方法流程图。
图3为实施例1中采集的参考图像和测量图像，(a)为参考图像，(b)为测量图像。
图4为实施例1中得到的点位移矢量图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
如图1所示的背景纹影瞬态流场显示系统，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。
所述LED阵列背景板上LED灯等间距排列。
如图2所示，基于该背景纹影瞬态流场显示系统的流场测量方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建背景纹影瞬态流场显示系统：在流场两侧分别放置LED阵列背景板和CCD相机，使得三者位于同一条直线上；
步骤2：采集参考图像：在没有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为参考图像；
步骤3：采集测量图像：在有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为测量图像；
步骤4：根据参考图像和测量图像求取流场变化：分别求出参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标，把对应的亮斑重心坐标相减得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
所述步骤4的具体方法为：
步骤4.1：分别识别参考图像和测量图像中的连通域，即亮斑；
步骤4.2：计算各连通域的重心坐标；
步骤4.3：设定距离阈值，并根据距离阈值匹配参考图像和测量图像的亮斑坐标，使参考图像和测量图像的所有亮斑一一对应；
步骤4.4：将参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标相减，得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
实施例1
实施例1中，流场为热风枪喷射的流场。首先，按照图1方式搭建背景纹影瞬态流场显示系统，在流场两侧分别放置LED阵列背景板、CCD相机，使得三者位于同一条直线上。系统中LED阵列背景板到流场的距离ZD＝1800mm，流场到CCD相机镜头的距离为ZA＝1550mm，CCD相机焦距为f＝35mm，LED阵列背景板上相邻的LED灯间距为20mm。
然后，在没有第三方光源的黑暗环境下进行测量。图3为没有流场和有流场的情况下采集到参考图像和测量图像(参考图像和测量图像都分别采集了多幅，图3只是分别给出了其中一幅)。利用点提取算法求取参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标，并且通过距离阈值进行匹配。距离阈值为13pixel，将参考图像和测量图像置于同一参考系，参考图像和测量图像中欧式距离小于距离阈值13pixel的两个点是匹配的点。将匹配好的点绘制在同一图像上，每对匹配点之间画一个箭头，箭头指向测量图像中的点，得到图4所示的点位移矢量图。根据对应点坐标可以求出参考图像中每个点的点位移，经计算得到：最大点位移为2.3780pixel，最小点位移为0pixel，平均点位移为0.7733pixel。

Claims (4)

1.一种背景纹影瞬态流场显示系统，其特征在于，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的背景纹影瞬态流场显示系统，其特征在于，所述LED阵列背景板上LED灯等间距排列。
3.基于权利要求1或2所述的背景纹影瞬态流场显示系统的流场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：搭建背景纹影瞬态流场显示系统：在流场两侧分别放置LED阵列背景板和CCD相机，使得三者位于同一条直线上；
步骤2：采集参考图像：在没有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为参考图像；
步骤3：采集测量图像：在有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为测量图像；
步骤4：根据参考图像和测量图像求取流场变化：分别求出参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标，把对应的亮斑重心坐标相减得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
4.根据权利要求3所述的背景纹影瞬态流场测量方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
步骤4.1：分别识别参考图像和测量图像中的连通域，即亮斑；
步骤4.2：计算各连通域的重心坐标；
步骤4.3：设定距离阈值，并根据距离阈值匹配参考图像和测量图像的亮斑坐标，使参考图像和测量图像的所有亮斑一一对应；
步骤4.4：将参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标相减，得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。
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