CN109141811A - 一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统及方法，涉及测量技术领域。片激光光源光照介质溶液被测平面中悬浮的示踪粒子，示踪粒子散射的光投影到半透半反棱镜，分解为反射像和透射像，反射像和透射像被CCD相机Ⅰ和CCD相机Ⅱ连续交替拍摄，形成一个时间序列的成像为示踪粒子颗粒的拖影轨迹图，用MATLAB软件和基于Otsu算法的动态灰度阈值，提取序列示踪粒子颗粒的拖影轨迹图中的颗粒运动轨迹，按时间序列进行加法运算得到完整的示踪粒子颗粒动态轨迹。本发明解决了现有技术中PIV测量设备价格昂贵、测量分析软件复杂的技术问题。本发明有益效果为：降低了PIV测量技术的成本，降低了系统搭建和使用的难度。算法简单，保证测量精度。

Description

一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种对颗粒动态轨迹的测量系统及该系统的测量方法。
背景技术
随着工业相机和机器视觉技术的快速发展，PIV（particle image velocimetry）技术已广泛应用于流体力学测试领域。由于PIV技术具有全场、非接触、平面二维、瞬态以及高精度测量的特点，主要用于获取流场中示踪粒子的信息。中国专利申请公布号CN102692364A，申请公布日2012年9月26日，名称为“一种基于模糊图像处理的动态颗粒测量装置及方法”的发明专利申请文件，公开了其中一种颗粒动态轨迹测量装置及方法。由光源、镜头、分光棱镜、第一图像传感器、第二图像传感器和计算机组成，光源直接或通过视窗照明待测颗粒，分光棱镜置于镜头后，分光棱镜的入射面A与镜头相对，分光棱镜的第一出射面B和第二出射面C的一侧分别不等光程距离设置第一图像传感器和第二图像传感器。采用光源直接或通过视窗照明待测颗粒，通过分光棱镜将相机镜头进来的光线分为两路，并采用与分光棱镜相应2个出射面的光程距离不等的两个CCD或CMOS图像传感器分别成像，根据光程距离大小和所获颗粒图像模糊尺度大小的不同判断颗粒是位于对焦平面前还是对焦平面后，根据单幅图片中颗粒离焦量的大小计算颗粒位置与对焦平面的距离，从而确定颗粒的三维位置；结合颗粒运动模糊参数进一步获得颗粒的三维运动速度信息，采用远心镜头可准确测定颗粒的粒径大小。成熟的PIV产品为了获取示踪粒子的动态轨迹及速度信息，需要拍摄出清晰的颗粒瞬态图像，即要求拍摄设备的曝光时间非常短，同时还需要配置价格不菲的高速摄影仪和高能量激光器。虽然该公开文件降低了测量系统的成本，但是由于相机存在曝光时间，同步采样无法对示踪粒子进行连续无间隔的采样，进而不能得到完整的运动颗粒轨迹。因此，使用PIV技术的测量设备通常价格昂贵，而且测量分析软件复杂、操作繁琐。
发明内容
为了解决现有技术中PIV测量设备价格昂贵、测量分析软件复杂的技术问题，本发明提供一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统及测量方法，通过叠加异步延时图像就可以实现颗粒动态轨迹的测量，达到测量设备少、测量成本低，操作简单，保证测量精度的目的。
本发明的技术方案是：一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统：包括位于介质溶液的示踪粒子、片激光光源、CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ、半透半反棱镜和计算机， CCD相机Ⅰ位于半透半反棱镜的反射侧， CCD相机Ⅱ位于半透半反棱镜的透射侧，片激光光源发射一束片激光照亮示踪粒子，示踪粒子散射的光通过半透半反棱镜分解为反射光和透射光，反射光射入CCD相机Ⅰ，透射光射入CCD相机Ⅱ，片激光光源、CCD相机Ⅰ和CCD相机Ⅱ分别与计算机电连接。计算机控制CCD相机Ⅰ和CCD相机Ⅱ连续交替拍摄成像，直接通过图像叠加就能实现运动轨迹测量，测量设备数量少，降低了系统搭建和使用的难度，操作简单、效率高。完整记录示踪粒子动态轨迹，保证测量精度。
作为优选，片激光光源为单色激光光源；便于图像的采集和处理。
作为优选，CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ为参数完全相同的工业相机，CCD相机Ⅰ到半透半反棱镜的距离与CCD相机Ⅱ到半透半反棱镜的距离相等；方便两部相机拍摄的图像连接。
一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统的测量方法：片激光光源光照介质溶液被测平面中悬浮的示踪粒子，示踪粒子散射的光投影到半透半反棱镜，分解为反射像和透射像，反射像和透射像被CCD相机Ⅰ和CCD相机Ⅱ连续交替拍摄，形成一个时间序列的成像为示踪粒子颗粒的拖影轨迹图，用MATLAB软件和基于Otsu算法的动态灰度阈值，提取序列示踪粒子颗粒的拖影轨迹图中的颗粒运动轨迹，按时间序列进行加法运算得到完整的示踪粒子颗粒动态轨迹。
作为优选，示踪粒子粒径为10µm-100µm；保证示踪粒子颗粒的跟随性好，有利于成像。
作为优选，示踪粒子密度与介质溶液密度相近；保证示踪粒子颗粒的采样效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：片激光光源和CCD相机均为普通价位，降低了PIV测量技术的成本。测量设备数量少，降低了系统搭建和使用的难度，操作简单、效率高。不需要复杂的算法，直接通过图像叠加就能实现运动轨迹测量。采用双相机的测量方法，在降低成本的同时还能保证测量精度。
附图说明
附图1为本发明系统示意图；
附图2为两台CCD相机交替采样的脉冲示意图。
图中：1-片激光光源；2-CCD相机Ⅰ；3-CCD相机Ⅱ；4-半透半反棱镜。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
如图1和2所示，一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统：包括示踪粒子、片激光光源1、CCD相机Ⅰ2、CCD相机Ⅱ3、半透半反棱镜4和计算机。示踪粒子位于介质溶液中。片激光光源1为普通的单色激光光源，无特殊要求。CCD相机Ⅰ2、CCD相机Ⅱ3为参数完全相同的普通的工业相机，无特殊要求。计算机安装有MATLAB软件。CCD相机Ⅰ2位于半透半反棱镜4的反射侧。CCD相机Ⅰ2的镜头对准半透半反棱镜4的反射面。CCD相机Ⅱ3位于半透半反棱镜4的透射侧。CCD相机Ⅱ3的镜头对准半透半反棱镜4的透射面。片激光光源1发射一束片激光照亮空间被测平面中悬浮的示踪粒子。片激光的激光面与示踪粒子所在空间的悬浮平面重合。片激光照射示踪粒子，示踪粒子散射的光射到半透半反棱镜4，图1中用虚线表示。半透半反棱镜4将射入的光分解为反射光和透射光，图1中分别用双点画线和点画线表示。反射光射入CCD相机Ⅰ2。CCD相机Ⅰ2与半透半反棱镜4的距离以CCD相机Ⅰ2能完全拍摄示踪粒子散射的光被半透半反棱镜4反射后的成像而定。透射光射入CCD相机Ⅱ3。CCD相机Ⅱ3与半透半反棱镜4的距离以CCD相机Ⅱ3能完全拍摄示踪粒子散射的光被半透半反棱镜4透射后的成像而定。由于CCD相机Ⅰ2、CCD相机Ⅱ3焦距等参数是一样的，为了方便两部相机拍摄的图像连接，CCD相机Ⅰ2到半透半反棱镜4的距离与CCD相机Ⅱ3到半透半反棱镜4的距离相等。片激光光源1、CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3分别与计算机（图中未示）电连接。计算机控制片激光光源1开关光源。首先开启片激光光源1，待系统运行稳定，计算机控制CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3连续交替开和关，即交替拍摄。图2中：A表示计算机驱动CCD相机Ⅰ2采样的脉冲示意图。图中0表示CCD相机Ⅰ2关闭，1表示CCD相机Ⅰ2开启。B表示计算机驱动CCD相机Ⅱ3采样的脉冲示意图。A和B为同一个时间轴。图中0表示CCD相机Ⅱ3关闭，1表示CCD相机Ⅱ3开启。在同一时间中CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3只有其中的一台开启曝光，保证每一时刻都有一台相机在曝光采样。计算机控制延长CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3的曝光时间，使得采集的示踪粒子在CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3中的成像为颗粒的拖影图。
一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统的测量方法，片激光光源1光照被测平面中悬浮的示踪粒子，示踪粒子散射的光投影到半透半反棱镜4，通过半透半反棱镜4，被半透半反棱镜4平分成反射和透射两个方向，反射方向的图像由CCD相机Ⅰ2进行采样，透射方向的图像由CCD相机Ⅱ3进行采样。根据示踪粒子的粒径大小，计算机调整CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3的采样间隔，使CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3的曝光时间相错，即CCD相机Ⅰ2曝光采样时CCD相机Ⅱ3关闭，CCD相机Ⅱ3曝光采样时CCD相机Ⅰ2关闭。保证每一时刻都有一台CCD相机在曝光采样，两台CCD相机采集到的图像正好相连，没有间断。为了实现清晰的颗粒动态轨迹测量，示踪粒子不溶于水、无毒、无腐蚀性，化学性质稳定，且有较好的流动跟随性和散光性。示踪粒子的粒径大小、密度、浓度均会影响采样效果。示踪粒子的粒径过大会导致示踪粒子的跟随性差，粒径过小会降低散光性，不利于成像。示踪粒子的密度过大会使示踪粒子超出片激光的照射范围。示踪粒子的浓度过大时颗粒则会堆积在一起。在选取示踪粒子时，示踪粒子粒径为50µm。示踪粒子的密度与介质溶液密度相近。CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3交替对示踪粒子进行采样，计算机控制延长CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3的曝光时间，使得采集的示踪粒子颗粒在CCD相机2和CCD相机3中的成像为颗粒的拖影图。通过CCD相机Ⅰ2和CCD相机Ⅱ3连续曝光采样，得到相同示踪粒子在不同时刻的拖影图，且采集到的图像之间连续无间断。将CCD相机Ⅰ2采集到的图像做镜像处理，然后按照时间顺序编号1、3、5……，将CCD相机Ⅱ3采集到的图像按照时间顺序编号2、4、6……。将所有的采样图像按照编号从小到大排列，即可形成一个时间序列图像组。计算机运用MATLAB软件和基于Otsu算法的动态灰度阈值，提取时间序列图像组中每张图像的示踪粒子拖影，将已经提取出示示踪粒子拖影的图像按照时间序列进行简单的加法运算，最后得到完整的示踪粒子颗粒动态轨迹，实现示踪粒子颗粒动态轨迹的测量。

Claims (6)

1.一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统：包括位于介质溶液的示踪粒子、片激光光源（1）、CCD相机Ⅰ（2）、CCD相机Ⅱ（3）、半透半反棱镜（4）和计算机，其特征在于：所述CCD相机Ⅰ（2）位于所述半透半反棱镜（4）的反射侧，所述CCD相机Ⅱ（3）位于所述半透半反棱镜（4）的透射侧，所述片激光光源（1）发射一束片激光照亮示踪粒子，示踪粒子散射的光通过半透半反棱镜（4）分解为反射光和透射光，反射光射入CCD相机Ⅰ（2），透射光射入CCD相机Ⅱ（3），所述片激光光源（1）、CCD相机Ⅰ（2）和CCD相机Ⅱ（3）分别与计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统：其特征在于：所述片激光光源（1）为单色激光光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统：其特征在于：所述CCD相机Ⅰ（2）、CCD相机Ⅱ（3）为参数完全相同的工业相机，CCD相机Ⅰ（2）到半透半反棱镜（4）的距离与CCD相机Ⅱ（3）到半透半反棱镜（4）的距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统的测量方法，其特征在于：片激光光源（1）光照介质溶液被测平面中悬浮的示踪粒子，示踪粒子散射的光投影到半透半反棱镜（4），分解为反射像和透射像，反射像和透射像被CCD相机Ⅰ（2）和CCD相机Ⅱ（3）连续交替拍摄，形成一个时间序列的成像为示踪粒子颗粒的拖影轨迹图，用MATLAB软件和基于Otsu算法的动态灰度阈值，提取序列示踪粒子颗粒的拖影轨迹图中的颗粒运动轨迹，按时间序列进行加法运算得到完整的示踪粒子颗粒动态轨迹。
5.根据权利要求4所述的一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统的测量方法：其特征在于：所述示踪粒子粒径为10µm-100µm。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于异步延时法的颗粒动态轨迹测量系统的测量方法：其特征在于：示踪粒子密度与介质溶液密度相近。
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