CN109633199B - 一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，该方法是记录时间序列的粒子IPI聚焦两点像，基于质心法和序列模板匹配法，实现亚像素的粒子定位，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，再基于互相关方法，实现高准确识别率的粒子识别匹配，其效果为基于IPI聚焦像的粒子速度测量提供一种方法，且具有很高的速度测量精度和很高匹配准确率，可用于喷雾、气泡、流场等粒子场速度分布测量。
Description
技术领域
本发明涉及粒子参数测量领域，尤其涉及一种IPI(干涉粒子成像)的粒子聚焦两点像跟踪匹配测速算法，特别涉及粒子两点像定位精度及其匹配准确率的提高。
背景技术
粒子速度是表征粒子特征的一个重要参数，研究粒子的速度测量方法在喷雾场、流场中具有非常重要的意义。常用粒子测速的光学方法有激光多普勒测速技术(LDV)、相位多普勒测速技术(PDA)、粒子图像测速技术(PIV)和粒子跟踪测速技术(PTV)等。LDV和PDA是单点测速技术，不能给出全场的瞬时流速数据。PIV和PTV技术突破了空间单点测量的局限性，实现了全流场瞬态测量，且PTV技术通过对流场中每个粒子的跟踪匹配，可以给出单个粒子的运动速度和轨迹。在PTV中，粒子跟踪匹配，即将同一粒子在连续时间序列的位置匹配，是关键。
在PTV技术中，两帧粒子跟踪匹配算法是常用的一种粒子跟踪匹配方法，其基本思想是根据粒子场运动特征，基于一定的限定，从连续两帧粒子像中跟踪匹配粒子对。基于该思想，已提出了多种粒子跟踪匹配方法，如专利CN103558409A公开一种水流中分布式PTV流场测量系统及其测量方法，利用粒子运动距离最短的方法对连续两帧图像中的粒子进行匹配，计算得到表面流场。Back和Lee提出一种基于匹配概率的两帧粒子跟踪算法，该方法是基于最大速度、小的速度方向变化、运动一致性和匹配一致性四个准则对两帧图像中的粒子进行匹配，通过匹配概率的迭代评估，在第二帧图像中选择与第一帧图像中匹配概率最大的粒子作为匹配粒子，实现粒子场速度测量(Exp.Fluids 1986；22(1):23-32)。
IPI技术的基本原理是基于Mie散射成像技术，粒子散射光在离焦面上形成条纹像，在聚焦面上形成两点像，通过测量干涉条纹图的条纹频率或聚焦两点像之间的间距得到粒子尺寸大小，结合PTV或PIV技术实现粒子速度测量。G.Pan等基于两帧粒子跟踪匹配算法，结合粒子尺寸信息识别匹配粒子IPI条纹图(Proc ILASS 2005,91-96)。相比于IPI圆形条纹图，聚焦两点像由于降低了重叠，特别适应于高密度粒子场测量，然而其定位和识别更加困难，特别是对高密度粒子场。目前还没有提出适用于IPI聚焦两点像跟踪匹配方法。
发明内容
本发明提供一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，该方法是记录时间序列的粒子IPI聚焦两点像，基于序列模板匹配和质心法定位两点像的中心，得到亚像素精度的粒子位置坐标，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，再基于互相关方法，实现高准确识别率的粒子识别匹配，详见下文描述：
一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，所述测速方法包括以下步骤：
1)定位两点像，利用干涉粒子成像系统，记录时间序列的粒子聚焦两点像P(x,y；ti)，i＝1,2,...，将聚焦两点像与粒子掩模像进行相关运算，其峰值位置即为两点像的位置坐标；
2)亚像素定位，对两点像的坐标，结合质心法，得到亚像素的位置坐标(xi,yi；ti)；
3)粒子跟踪匹配，设第一帧图像和第二帧图像中的粒子两点像分别为
和
粒子像的位置坐标分别为(x1,y1；t1)和(x2,y2；t2)，j为粒子序列数，j＝1表示第一个粒子，j＝2表示第二个粒子，依次类推。将第一帧中任一
粒子作为目标粒子，对目标粒子进行跟踪匹配；
4)粒子速度测量，对匹配粒子对，利用v＝Δs/(MΔt)计算得到粒子速度，式中
为匹配粒子聚焦像的位移，M为IPI成像系统放大率，Δt为时间间隔。
所述对目标粒子进行跟踪匹配的步骤具体为：
第一步：确定可能匹配的候选粒子，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，以
为圆心，某一搜索区域在第二帧中搜索可能匹配的候选粒子，搜索区域设为以
即
为半径的圆内，Dmax＝vmaxΔt，vmax为粒子运动的最大速度；
再根据向量
与x轴夹角θ，0≤θ＝arctan((y2-y1)/(x2-x1))≤π，确定可能匹配的候选粒子
第二步：匹配粒子对，对第一步确定的候选粒子，若只有一个候选粒子，则该候选粒子即为匹配粒子；若有多个候选粒子时，计算目标粒子
与候选粒子Pc 2(x,y；t2)相关值，若最大相关峰值数目为1，该粒子即为
的匹配粒子；若最大相关峰值数目大于1，根据粒子场中粒子运动一致性准则，选择最大概率运动方向上的粒子作为匹配粒子。
其中，当互相关的峰值分布平坦时，即满足|C0-C-1|＜ε和/或|C0-C+1|＜ε条件时，粒子两点像的位置坐标(x,y)由下式给出：
其中，C0、C-1和C+1分别是离散互相关的峰值以及其邻近坐标的相关值，对应的位置坐标分别记为(x0,y0)、(x-1,y0)/(x0,y-1)和(x+1,y0)/(x0,y+1)，ε为预设值，为一小量。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明结合了质心法，实现了亚像素的粒子定位，具有很高的粒子速度测量精度；
2、本方法是利用粒子两点像间距Δl(Δl∝M×d)，其实质是利用粒子尺寸d。若成像系统放大率M相同，则是利用粒子尺寸d，若成像系统放大率不同，则是利用成像系统放大率与粒子尺寸的乘积，即d×M，这时根据M，确定匹配粒子对，其实质仍是利用粒子尺寸d的信息。
但本发明这种基于Δl的方法优于文献(Proc ILASS 2005,91-96)的方法，是因为避免了计算粒径d引入的误差，且相比于比较粒径方法，相关方法更敏感，因此具有更准确的匹配识别率。
3、该方法尤其适用于相同放大率M的IPI聚焦成像系统。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法的流程图；
图2为采集的正庚烷喷雾场双曝光聚焦两点像；
图3(a)为图2中粒子的定位结果；(b)为计算目标粒子P1 1与P1 2,
P3 1和P3 2的互相关值；(c)为粒子速度矢量分布；
图4为本发明的方法与传统的两帧粒子跟踪匹配方法的比较。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例给出了一个基于IPI聚焦像的速度测量实验结果，实验所用激光器为波长λ＝532nm的Nd：YAG双脉冲激光器，脉冲发射时间间隔Δt＝0.8ms，最大脉冲激光能量为120mJ。激光器发出的细光束经扩束准直系统、再经两个柱面镜压缩为光束宽度为0.9mm的片状光束，通过分束镜将其分为强度相等的两束光相向照射粒子场。在散射角90°方向记录粒子场的聚焦像。
图2为燃油温度80℃，环境背压1.0bar，采集的正庚烷喷雾场双曝光聚焦两点像。将聚焦两点像与序列模板进行相关运算，再结合质心法，提取每个液滴粒子两点像的位置坐标，如图3(a)所示，图中“*”表示提取到的粒子位置。根据燃油喷射压力和喷嘴参数预先估计喷雾场粒子的最大运动速度vmax＝500mm/s，计算得到的最大运动位移Dmax＝1.5mm(435pixels)。将图3(a)中的每个粒子作为目标粒子，根据最大位移Dmax和速度方向准则搜索可能匹配的候选粒子。再基于互相关算法，计算目标粒子与候选粒子相关值，确定匹配粒子，计算得到粒子运动速度。
如将图3(a)中任一P1 1作为目标粒子，根据最大位移Dmax和速度方向准则搜索可能匹配的候选粒子为P1 2,
P3 1和P3 2，共5个粒子，如图3(a)标记区域所示。利用自相关和高斯插值，提取的P1 1,P1 2,
和
间距Δl分别为16.71,16.55,16.08,16.85,16.98和15.45pixels，由式
计算得到对应的粒子直径分别为21.7,21.5,20.9,21.9,22.1,20.1μm。
计算目标粒子P1 1与P1 2,
P3 1和P3 2的互相关值，如图3(b)所示。P1 1与P1 2相关值最高，P1 2为P1 1的匹配粒子。若根据粒径匹配准则，P1 1直径21.7μm，P1 2直径21.5μm,
直径21.9μm。P1 1与P1 2直径相近，所以为匹配粒子对，P1 1与
直径也相近，也为匹配粒子对，但实际这是假匹配粒子对。相比于粒径匹配准则，基于互相关的匹配准则具有更准确的匹配率。对
P3 1和P3 2以同样的方法处理，
与
为匹配粒子对，P3 1和P3 2为匹配粒子对。对图3(a)中每个粒子进行跟踪匹配，共匹配出102对粒子，其速度矢量分布如图3(c)所示，箭头代表了粒子运动方向，长短表示运动速度大小。
实施例2
实例2给出模拟分析结果。在512×512pixels的像方视场中，模拟不同数的随机分布的粒子两点像，两点像间距分布在4～20pixels之间，粒子运动位移从0到20pixels，运动方向从-90°到0°。为了减少模拟中的随机性，取50次模拟的平均结果作为最终结果。对模拟的每一幅粒子两点像，基于序列模板进行相关运算，再结合质心法，提取每个粒子两点像的位置坐标，将每个粒子作为目标粒子，根据最大位移Dmax和速度方向准则搜索可能匹配的候选粒子。再基于互相关算法，计算目标粒子与候选粒子相关值，确定匹配粒子。图4给出了本发明的方法与基于匹配概率的两帧粒子跟踪方法的粒子匹配率RM随粒子数密度的变化曲线。本发明的方法明显高于该方法。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，其特征在于，所述测速方法包括以下步骤：
1)定位两点像，利用干涉粒子成像系统，记录时间序列的粒子聚焦两点像P(x,y；ti)，i＝1,2,...，将聚焦两点像与粒子掩模像进行相关运算，其峰值位置即为两点像的位置坐标；
2)亚像素定位，对两点像的位置坐标，结合质心法，得到亚像素的位置坐标(xi,yi；ti)；
3)粒子跟踪匹配，设第一帧图像和第二帧图像中的粒子两点像分别为
和
粒子像的位置坐标分别为(x1,y1；t1)和(x2,y2；t2)，j为粒子序列数，将第一帧中任一
粒子作为目标粒子，对目标粒子进行跟踪匹配；
4)粒子速度测量，对匹配粒子对，利用v＝Δs/(MΔt)计算得到粒子速度，式中
为匹配粒子聚焦像的位移，M为干涉粒子成像系统放大率，Δt为时间间隔；
其中，所述对目标粒子进行跟踪匹配的步骤具体为：
第一步：确定可能匹配的候选粒子，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，以
为圆心，某一搜索区域在第二帧中搜索可能匹配的候选粒子，搜索区域设为以
即
为半径的圆内，Dmax＝vmaxΔt，vmax为粒子运动的最大速度；
再根据向量
与x轴夹角θ，0≤θ＝arctan((y2-y1)/(x2-x1))≤π，确定可能匹配的候选粒子
第二步：匹配粒子对，对第一步确定的候选粒子，若只有一个候选粒子，则该候选粒子即为匹配粒子；若有多个候选粒子时，计算目标粒子
与候选粒子
相关值，若最大相关峰值数目为1，该粒子即为
的匹配粒子；若最大相关峰值数目大于1，根据粒子场中粒子运动一致性准则，选择最大概率运动方向上的粒子作为匹配粒子。
2.根据权利要求1所述的一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，其特征在于，
当互相关的峰值分布平坦时，即满足|C0-C-1|＜ε和/或|C0-C+1|＜ε条件时，粒子两点像的位置坐标(x,y)由下式给出：
其中，C0、C-1和C+1分别是离散互相关的峰值以及其邻近坐标的相关值，对应的位置坐标分别记为(x0,y0)、(x-1,y0)/(x0,y-1)和(x+1,y0)/(x0,y+1)，ε为预设值。
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