CN110118640A - 一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，内孤立波特征包括内孤立波的振幅、波形、波速以及内孤立波流场；测定内孤立波的振幅、波形和波速，具体包括如下步骤：按顺序在实验水槽加入下层流体、染色剂和上层流体；生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；通过图像处理得到内孤立波振幅、波形和波速；提取内孤立波流场，具体包括以下步骤：按顺序在实验水槽加入下层流体、示踪粒子和已经加入了粒子的上层流体；设置CCD相机和激光器；在CCD相机镜头前安装偏振镜；生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；使用MATLAB图像处理得到内孤立波流场。本发明解决了现有的实验室内波测量技术中存在的设备干扰、后期处理工作量大以及分辨率较低等问题。

Description

一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法。

背景技术

内波是发生在海洋内部密度、温度等不均匀水层间的一种波动。由于内波发生在海洋内部，所以它不易被观察到，然而这种扰动在海洋中是普遍存在的。内波的波幅可达几百米，内波经过时产生的剪切流对海洋结构物有很强的破坏作用，同样内波会改变声信号在海洋中的传播路径。因此，对内波的生成以及传播机理的研究十分重要。

内波的研究方法主要有三种，现场观测、数值模拟和实验研究。实验室模拟实验针对性强、可重复性强，除了进行海洋实地观测外，某些机制的研究只能借助实验室实验的方法才能解决。分层流实验水槽是实验室研究海洋内波特性的主要设备，获取内波主要特征如波形、振幅以及流场等是进行实验研究的关键技术之一。目前实验室的内波测量技术主要有电导率仪、纹影法和温度法，电导率仪可以测量分层流体中的电导率的垂向分布和定点测量密度随时间的变化曲线；纹影法利用纹影照片经处理后得到内波波形数据；温度法采用温度传感器阵列采集温度数据，得到温度场随时间的变化特征，可以实现在线的同步测量；但电导率仪在两层流体中，会对内波的流场造成干扰；纹影法存在后期处理工作量大的问题；温度法仅限于温度分层水槽使用，存在分辨率较低，信号滞后等问题。

发明内容

根据上述提出现有的实验室内波测量技术中存在的设备干扰、后期处理工作量大以及分辨率较低等问题，而提供一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法。本发明主要利用图像处理方法应用于在强分层流体中获取内孤立波特征，使得对内孤立波特征测量数据更加准确。

本发明采用的技术手段如下：

一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，内孤立波特征包括内孤立波的振幅、波形、波速以及内孤立波流场；

(1)测定内孤立波的振幅、波形和波速，具体包括如下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将染色剂加入下层流体中；

S3：将上层流体加入实验水槽上层；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；

S6：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；

S7：对CCD相机采样得到的原始图像通过图像处理得到内孤立波振幅、波形和波速；

S71：根据原始图像中每个像素点的饱和度，对原始图像进行灰度化处理，得到灰度直方图；

S72：根据灰度直方图确定的分割阈值，对原始图像进行全局阈值分割；

根据如下公式确定灰度直方图中用于表示前景和背景的双峰的峰值位置：

Peak₁＝arg_kmax{historgam_I(k)}

Peak₂＝arg_kmax{(k-Peak₁)²·historgam_I(k)}

其中，Peak₁指对应前景的第一个峰值的位置，Peak₂指对应背景的第二个峰值的位置，historgam(k)指第k个灰度直方图的值，arg_kmax指返回最大值位置；

选择双峰之间的波谷对应的灰度值作为全局阈值T，对前景和背景进行分割提取前景和背景，其公式为：

其中，f(x,y)表示原始图像各像素点的灰度值，h(x,y)为分割后的图像，T为全局阈值；

S73：对灰度化和阈值分割后的图像h(x,y)进行一次形态学闭运算，得到填充了背景中的空白并去除了杂色的最终的图像，再根据标定的物理尺寸和图像中像素坐标间的换算关系，将最终的图像中的像素值换为物理尺寸，得到内孤立波的波形，进一步得到振幅和波速；

(2)提取内孤立波流场，具体包括以下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将示踪粒子加入下层流体中；

S3：待示踪粒子与下层流体充分混合后，将已经加入了粒子的上层流体加入实验水槽上层；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；

S6：在实验水槽上方设置激光器，并调节激光器的激光面与实验水槽平行；

S7：在CCD相机镜头前安装偏振镜，调节CCD相机参数和激光器亮度；

S8：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；

S9：对CCD相机采样得到的原始图像使用MATLAB下的开源工具箱进行图像处理，得到内孤立波流场。

进一步地，采用重力塌陷法、推板法或平板拍击法生成内孤立波。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，具有无接触、无干扰及瞬时记录流场的二维信息的特点，成本低，测量误差小，大大提高了实验效率。

综上，应用本发明的技术方案利用图像处理方法应用于在强分层流体中获取内孤立波特征，使得对内孤立波特征测量数据更加准确。因此，本发明的技术方案解决了现有的实验室内波测量技术中存在的设备干扰、后期处理工作量大以及分辨率较低等问题。

基于上述理由本发明可在海洋工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的可提取强分层流体中内孤立波特征的装置示意图。

图2为原始图像及灰度化处理后的灰度图像。

图3为原始图像灰度处理后得到的灰度直方图。

图4为阈值分割与形态学闭运算后的前景图和背景图。

图5为处理后得到的内孤立波波形图。

图6为示踪粒子均匀分布在两层流体中的图像。

图7为获得的内孤立波经过水下地形时视野范围内的流场图。

图中：1、实验水槽；2、激光器；3、CCD相机；4、计算机；5、四脚架；6、三脚架；7、内孤立波。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明所述的实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法采用的实验装置包括，实验水槽1，激光器2，CCD相机3，计算机4，三脚架6和内孤立波7；CCD相机3安装在三脚架6上，放在实验水槽所测流体范围正前方适当距离，并与计算机4相连；计算机4与CCD相机3相连，用于显示CCD相机3所拍摄的照片和后期图像处理；激光器2安装在四脚架5上，四脚架5固定安装在实验水槽1上；

本发明提供了一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，内孤立波特征包括内孤立波的振幅、波形、波速以及内孤立波流场；

(1)测定内孤立波的振幅、波形和波速，具体包括如下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将染色剂加入下层流体中；加入染色剂是为了便于后期照片的处理，更准确的识别波面；

S3：将上层流体加入实验水槽上层；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，将CCD相机放在实验水槽正前方适当距离处，调节焦距、曝光度等相机参数，使照片质量达到最高，设置采样频率与采样时间，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；由于CCD相机拍摄到的图像的单位为像素值，为确定物理尺寸和像素间的换算关系，每次实验前需要对相机进行标定，相机的标定使用高精密铝制棋盘格标定板进行标定，标定板误差为±0.02mm，为了保证精度，对不同振幅大小的内孤立波，使用不同外型尺寸的标定板进行标定；因镜头拍摄的是一个扇面，故采用非线性标定，即在不同位置依次进行标定，每个监测点根据相应的标定值来进行像素值与真实值的换算；

S6：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；CCD相机与计算机相连用于传输采集的图像；

S7：对CCD相机采样得到的原始图像通过图像处理得到内孤立波振幅、波形和波速；

S71：根据原始图像中每个像素点的饱和度，对原始图像进行灰度化处理，得到灰度直方图；

S72：根据灰度直方图确定的分割阈值，对原始图像进行全局阈值分割；

由于下层流体中加入染色剂，使得采集到的原始图像的前景和背景对面明显，其灰度直方图为双峰形状，认为双峰分别代表前景和背景，因此，根据如下公式确定灰度直方图中用于表示前景和背景的双峰的峰值位置：

Peak₁＝arg_kmax{historgam_I(k)}

Peak₂＝arg_kmax{(k-Peak₁)²·historgam_I(k)}

其中，Peak₁指对应前景的第一个峰值的位置，Peak₂指对应背景的第二个峰值的位置，historgam(k)指第k个灰度直方图的值，arg_kmax指返回最大值位置；

选择双峰之间的波谷对应的灰度值作为全局阈值T，对前景和背景进行分割提取前景和背景，其公式为：

其中，f(x,y)表示原始图像各像素点的灰度值，h(x,y)为分割后的图像，T为全局阈值；

由于试验图片的拍摄环境会有波动，会对图像的处理造成影响，因此引入形态学闭运算图像处理技术；

将形态学闭运算记作a·b，则定义为

a·b＝(a+b)-b

其中a+b表示对图像的膨胀。此操作是为了将与物体所接触的所有背景点合并到该物体中，使边界向外部扩张。结构元素b对图像a的膨胀，记作a+b，定义为

其中(a+b)-b表示对图像的腐蚀，通过腐蚀操作，可以消除小且无意义的物体。集合c被结构元素d腐蚀，记作c-d，定义为

S73：对灰度化和阈值分割后的图像h(x,y)进行一次形态学闭运算，得到填充了背景中的空白并去除了杂色的最终的图像，再根据标定的物理尺寸和图像中像素坐标间的换算关系，将最终的图像中的像素值换为物理尺寸，得到内孤立波的波形，进一步得到振幅和波速；

下面具体说明将图像中的像素值换为物理尺寸的换算过程，假设S5标定的物理尺寸和图像中像素坐标之间的换算关系为1cm＝a个像素，两个像素点坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)，则两点之间实际物理尺寸L＝(x2-x1)/a或(y2-y1)/a；

下面举例说明测定内孤立波的振幅的具体过程：

上层流体选用二甲基硅油，其密度ρ₁为(0.941±0.001)×10³kg/m³，运动学粘度为10cs，厚度为0.05m；下层流体为水，密度ρ₂为(1.003±0.001)×10³kg/m³，运动学粘度为1cs，厚度为0.25m；

S1：将水加入实验水槽下层至0.25m；

S2：加入适量染色剂，将水染色；

S3：将0.05m厚的硅油加入实验水槽上层；

S4：安装CCD相机，由于刚生成内孤立波时不稳定，为了获得稳定的内孤立波的图像，将CCD相机安装在距造波区域3.5米处，CCD相机距水槽的距离也可以根据要拍摄区域的大小调节至合适的值，调节焦距、曝光度等相机参数，使照片质量达到最高，设置采样频率与采样时间；

S5：对CCD相机进行标定，因为此种工况下振幅较小，选用1.5mm标定板进行两个位置标定，分别是图像的中心和边缘；

S6：采用重力塌陷法生成内孤立波，观察到当内孤立波将要进入相机视野时，使相机开始采集，至采集结束得到原始图像；

S7：对CCD相机采样得到的原始图像通过图像处理得到内孤立波振幅、波形和波速；

S71：对原始图像进行灰度化处理，选用原始图像中像素点的饱和度作为参考值进行灰度化，当饱和度为0时，表示为灰色；因为试验图片的前景与背景取决于染色与否，因此需要根据饱和度值进行图像灰度化，图2显示了原始图像及灰度化处理后的灰度图像的效果。

S72：在本试验的图像处理过程中，通过灰度直方图确定分割灰度值，然后对图像进行全局阈值分割，选择直方图两峰之间的波谷对应的灰度值作为全局阈值，将前景和背景进行分割，寻找峰值结果如图3所示；

获得全局阈值分割点后，依此分割点进行图像的阈值分割，提取前景和背景；

S73：对灰度化和阈值分割后的图像h(x,y)进行一次形态学闭运算，得到填充了背景中的空白并去除了杂色的最终的图像，如图4，再根据标定的物理尺寸和图像中像素坐标间的换算关系，将最终的图像中的像素值换为物理尺寸，得到内孤立波的波形、振幅和波速，如图5所示。

(2)提取内孤立波流场，具体包括以下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将示踪粒子加入下层流体中；

S3：待示踪粒子与下层流体充分混合后，将已经加入了粒子的上层流体加入实验水槽上层；

现有技术中通常选择在加入了两层流体后再加入示踪粒子，但是示踪粒子的比重大于1，所以如果加完两层流体再加粒子的话，粒子会主要集中在下层流体中，通过采用本发明的方式能够使示踪粒子在上下层流体都能均匀分布，提高采集图像的质量，利于后期处理；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，将CCD相机放在实验水槽正前方适当距离处，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；标定方法与测定内孤立波的振幅、波形和波速时的标定方法相同；

S6：在实验水槽上方设置激光器，将激光器固定安装在一个四脚架上，将四脚架固定在水槽上方，调节激光器的激光面与实验水槽平行，并使激光器能够提供足够亮度供CCD相机清晰观察到示踪粒子均匀分布在流体中；

S7：在CCD相机镜头前安装偏振镜，调节CCD相机参数和激光器亮度；PIV测流场的关键步骤之一就是获得高质量的粒子图像，强分层流体中，在两层流体交界面处，光的折射率变化较大，会有强烈的反光现象，会对图像质量造成很大影响，为解决此问题，本发明在CCD相机镜头前加上偏振镜，偏振镜只允许激光发出的光透过相机，即可解决上述问题；另外，为获得更高质量的粒子图像，需要调节相机参数，主要包括伽马值、曝光度、锐度等以及调节激光器的亮度，只有各个参数的取值适当，才能获得高质量的粒子图像；还需要设置采样频率与采样时间，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S8：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；

S9：对CCD相机采样得到的原始图像使用MATLAB下的开源工具箱进行图像处理，得到内孤立波流场。

下面举例说明提取强分层流体中内孤立波经过某一个地形时地形附近流场的具体过程：

上层流体选用二甲基硅油，其密度ρ1为(0.941±0.001)×10³kg/m³，运动学粘度为10cs，厚度为0.05m；下层流体为水，密度ρ2为(1.003±0.001)×10³kg/m³，运动学粘度为1cs，厚度为0.25m；地形为上台阶，尺寸为1×0.43×0.15m；

选用的示踪粒子为高性能空心玻璃微珠，比重为1.04，粒子直径27.988μm；

操作步骤如下：

S1：将地形放入水槽，将水加入水槽下层至0.25m；

S2：将示踪粒子加入水中；

S3：将已加入了示踪粒子的硅油加入实验水槽上层，厚度为0.05m；

S4：安装CCD相机，将CCD相机安放在地形正前方，使地形处于相机视野正中央，相机距水槽的距离根据要拍摄区域的大小调节至合适的值，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定，选用1.5mm标定板进行两个位置标定，分别是图像的中心和边缘；

S6：安装激光器，将激光器安装在四脚架上，将四脚架固定在水槽上方，调节激光面与水槽平行；

S7：在CCD相机镜头前安装偏振镜，调节相机的伽马值、曝光度、锐度等参数，调节激光器的亮度直至通过相机观察到的示踪粒子清晰均匀的分布在流体中，如图6所示，最后设置采样频率与采样时间，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S8：采用重力塌陷法生成内孤立波，观察到当内孤立波将要进入相机视野时，使相机开始采集，至采集结束得到原始图像；

S9：对CCD相机采样得到的原始图像使用MATLAB下的开源工具箱PIVlab进行图像处理，获取内孤立波经过地形时地形附近的流场，结果如图7所示。

在本实施例中，可以采用重力塌陷法、推板法或平板拍击法生成内孤立波。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，内孤立波特征包括内孤立波的振幅、波形、波速以及内孤立波流场；其特征在于：

(1)测定内孤立波的振幅、波形和波速，具体包括如下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将染色剂加入下层流体中；

S3：将上层流体加入实验水槽上层；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；

S6：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；

S7：对CCD相机采样得到的原始图像通过图像处理得到内孤立波振幅、波形和波速；

S71：根据原始图像中每个像素点的饱和度，对原始图像进行灰度化处理，得到灰度直方图；

S72：根据灰度直方图确定的分割阈值，对原始图像进行全局阈值分割；

根据如下公式确定灰度直方图中用于表示前景和背景的双峰的峰值位置：

Peak₁＝arg_kmax{historgam_I(k)}

Peak₂＝arg_kmax{(k-Peak₁)²·historgam_I(k)}

其中，Peak₁指对应前景的第一个峰值的位置，Peak₂指对应背景的第二个峰值的位置，historgam(k)指第k个灰度直方图的值，arg_kmax指返回最大值位置；

选择双峰之间的波谷对应的灰度值作为全局阈值T，对前景和背景进行分割提取前景和背景，其公式为：

其中，f(x,y)表示原始图像各像素点的灰度值，h(x,y)为分割后的图像，T为全局阈值；

S73：对灰度化和阈值分割后的图像h(x,y)进行一次形态学闭运算，得到填充了背景中的空白并去除了杂色的最终的图像，再根据标定的物理尺寸和图像中像素坐标间的换算关系，将最终的图像中的像素值换为物理尺寸，得到内孤立波的波形，进一步得到振幅和波速；

(2)提取内孤立波流场，具体包括以下步骤：

S1：将下层流体加入实验水槽下层；

S2：将示踪粒子加入下层流体中；

S3：待示踪粒子与下层流体充分混合后，将已经加入了粒子的上层流体加入实验水槽上层；

S4：在实验水槽前方安装并调节CCD相机，使CCD相机能够拍摄到一个完整的内孤立波；

S5：对CCD相机进行标定；

S6：在实验水槽上方设置激光器，并调节激光器的激光面与实验水槽平行；

S7：在CCD相机镜头前安装偏振镜，调节CCD相机参数和激光器亮度；

S8：生成内孤立波，使用CCD相机进行采样；

S9：对CCD相机采样得到的原始图像使用MATLAB下的开源工具箱进行图像处理，得到内孤立波流场。

2.根据权利要求1所述的实验室提取强分层流体中内孤立波特征的方法，其特征在于，采用重力塌陷法、推板法或平板拍击法生成内孤立波。