CN108318220A - 一种水下原位激光粒子成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下原位激光粒子成像装置及成像方法，该装置激光发生器，防水密封后放置于目标水域中，用于为目标水域提供入射光源；图像采集装置，防水密封后放置于目标水域中，用于获取目标水域图像，并将获得图像存储到存储器中或直接传输给计算机；计算机，读取存储器中的图像或直接与图像采集装置相连。本发明具有水下近距离获取流场情况，实现原位观测的优点，并且增加支架后能够增加观测角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像装置，特别是一种水下原位激光粒子成像装置及成像方法。
背景技术
激光粒子成像技术可以通过粒子运动观测到流场的情况，可以在瞬时得到大量空间点上的速度分布信息，同时具有较高的测量精度，是当前流体力学测量研究的热门课题，因此对这种技术进行改进提升非常有必要。
已有的激光粒子成像装置主要有随车运动和固定不动两种类型，前者应用环境是拖曳水池，分随车式和岸式两种，后者主要在循环水槽以及其他小型环境中应用。拖曳水池是用船舶模型试验方法来了解船舰的各项性能的实验水池，主要服务于船舶方向，对于其他方向的水动力研究来说，还是以小型水槽为主，应用于此类环境的激光粒子成像技术并不能够水下近距离观测流场情况的装置，在实际使用过程中相当不便，因此一种水下原位激光粒子成像装置是十分有意义的。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种水下原位激光粒子成像装置及成像方法，通过将激光发生器和图像采集装置放入水中，在水下近距离拍摄示踪粒子运动图像、做到原位观测的水下原位激光粒子，从而实现对水下流场的原位监测。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种水下原位激光粒子成像装置，包括：
激光发生器，防水密封后放置于目标水域中，用于为目标水域提供入射光源；
图像采集装置，防水密封后放置于目标水域中，用于获取目标水域图像，并将获得图像存储到存储器中或直接传输给计算机；
计算机，读取存储器中的图像或直接与图像采集装置相连。
进一步的，所述图像采集装置包括依次相连的光学透镜、CCD图像传感器、视频处理系统，光学透镜接受图像传递给CCD图像传感器，CCD图像传感器将光学信号转换成电信号，经由视频处理系统进一步放大，储存到存储器中或直接传输给计算机。
进一步的，所述存储器为SD卡。
进一步的，所述激光发生器和图像采集装置均密封在透明的盒子里。
进一步的，所述目标水域中具有示踪粒子。
本发明还提供一种水下原位激光粒子成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、在目标水域中散入示踪粒子，激光发生器对目标水域进行照明，示踪粒子跟随流体运动，并反射入射光源的光线；
步骤(2)、打开图像采集装置，图像采集装置接收示踪粒子反射的光线，获得目标水域的成像图像，并将成像图像存储到存储器中或直接传输给计算机；
步骤(3)、计算机接收成像图像后，对图像进行处理，具体过程如下：
首先对图像进行增强处理，增大示踪粒子与背景的对比度，再进行二值化以区分粒子及背景；通过边缘检测及区域填充对图像中的粒子实施识别与定位；其次，对识别到的粒子进行匹配；把图像以像素为单位划分成各个小单元，找到第一张粒子图像的某个小单元的某个粒子在时间间隔Δt后的第二张粒子图像中的位置，可得到该单元内粒子在时间间隔Δt内的平均位移，进而得到该单元内粒子的平均速度；然后对其他单位实施同样操作，得到其他区域粒子的速度矢量；根据以上方法可获得目标流场空间点上的速度分布信息，及相应的流场空间结构和流动特性。
相对于现有技术，本发明的有益效果：本发明对激光发生器和图像采集装置采取了密闭措施。本发明可做到在水下，特别是在水槽等常用小型环境中近距离拍摄示踪粒子运动图像，实现原位观测，弥补了已有的激光粒子成像装置在此类环境中无法水下直接观测的空白。本发明具有使用方便，相较已有的固定式粒子成像装置，观测角度增加的特点。
附图说明
图1是水下原位激光粒子成像系统的模型简图；
图2是本水下原位激光粒子成像系统的详细结构图；
图3是图像处理方法的说明图；
图中，激光发射器1、图像采集装置2、计算机3、示踪粒子4、盒子5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明提供一种水下原位激光粒子成像装置，包括：
激光发生器1，防水密封后放置于目标水域中，用于为目标水域提供入射光源；
图像采集装置2，防水密封后放置于目标水域中，用于获取目标水域图像，并将获得图像存储到存储器中或直接传输给计算机3；所述存储器为SD卡。
计算机3，读取存储器中的图像或直接与图像采集装置2相连。
所述图像采集装置2包括依次相连的光学透镜、CCD图像传感器、视频处理系统，光学透镜接受图像传递给CCD图像传感器，CCD图像传感器将光学信号转换成电信号，经由视频处理系统进一步放大，储存到存储器中或直接传输给计算机3。
所述激光发生器1和图像采集装置2均密封在透明的盒子5里，用来保护激光发生器1和图像采集装置2，保证激光发生器1和图像采集装置2与水隔绝、正常工作；并附有可拆装支架，可做到在水下近距离拍摄示踪粒子运动图像，实现水下原位观测。
所述目标水域中具有示踪粒子4，示踪粒子4用于反映流场变化。
一种水下原位激光粒子成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、首先，系统开机，打开激光发生器1、图像采集装置2和计算机3，将激光发生器1和图像采集装置2投放至指定水域，在目标水域中散入示踪粒子4，激光发生器1对目标水域进行照明，示踪粒子4跟随流体运动，并反射入射光源的光线；
步骤(2)、打开图像采集装置2，图像采集装置2接收示踪粒子反射的光线，获得目标水域的成像图像，并将成像图像直接传输给计算机3；
步骤(3)、计算机3接收成像图像后，对图像进行处理，其具体过程结合图3用以下文字进行说明。
首先对图像进行增强处理，增大示踪粒子与背景的对比度，再进行二值化以区分粒子及背景；通过边缘检测及区域填充对图像中的粒子实施识别与定位；其次，对识别到的粒子进行匹配：把图像以像素为单位划分成各个小单元，如图3左边所示；因为Δt足够小，经过时间Δt，单元内粒子不会跑出原来的单元，如图3右边所示，找到第一张粒子图像的某个单元的某个粒子在时间间隔Δt后的第二张粒子图像中的位置，可得到该单元内粒子在时间间隔Δt内的平均位移，进而得到该单元内粒子的平均速度；然后对其他单位实施同样操作，得到其他区域粒子的速度矢量；根据以上方法可获得目标流场空间点上的速度分布信息，并推算相应的流场空间结构和流动特性，从而得到流场信息。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以做出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种水下原位激光粒子成像装置，其特征在于，包括：
激光发生器，防水密封后放置于目标水域中，用于为目标水域提供入射光源；
图像采集装置，防水密封后放置于目标水域中，用于获取目标水域图像，并将获得图像存储到存储器中或直接传输给计算机；
计算机，读取存储器中的图像或直接与图像采集装置相连。
2.根据权利要求1所述一种水下原位激光粒子成像装置，其特征在于：所述图像采集装置包括依次相连的光学透镜、CCD图像传感器、视频处理系统，光学透镜接受图像传递给CCD图像传感器，CCD图像传感器将光学信号转换成电信号，经由视频处理系统进一步放大，储存到存储器中或直接传输给计算机。
3.根据权利要求1或2所述一种水下原位激光粒子成像装置，其特征在于：所述存储器为SD卡。
4.根据权利要求1或2所述一种水下原位激光粒子成像装置，其特征在于：所述激光发生器和图像采集装置均密封在透明的盒子里。
5.根据权利要求1或2所述一种水下原位激光粒子成像装置，其特征在于：所述目标水域中具有示踪粒子。
6.一种根据权利要求1所述的水下原位激光粒子成像装置的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、在目标水域中散入示踪粒子，激光发生器对目标水域进行照明，示踪粒子跟随流体运动，并反射入射光源的光线；
步骤(2)、打开图像采集装置，图像采集装置接收示踪粒子反射的光线，获得目标水域的成像图像，并将成像图像存储到存储器中或直接传输给计算机。
步骤(3)、计算机接收成像图像后，对图像进行处理，其具体过程如下：
首先对图像进行增强处理，增大示踪粒子与背景的对比度，再进行二值化以区分粒子及背景；通过边缘检测及区域填充对图像中的粒子实施识别与定位；其次，对识别到的粒子进行匹配；把图像以像素为单位划分成各个小单元，找到第一张粒子图像的某个小单元的某个粒子在时间间隔Δt后的第二张粒子图像中的位置，可得到该单元内粒子在时间间隔Δt内的平均位移，进而得到该单元内粒子的平均速度；然后对其他单位实施同样操作，得到其他区域粒子的速度矢量；根据以上方法可获得目标流场空间点上的速度分布信息，及相应的流场空间结构和流动特性。
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