CN111007279A - 基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置 - Google Patents

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CN111007279A CN201911272151.1A CN201911272151A CN111007279A CN 111007279 A CN111007279 A CN 111007279A CN 201911272151 A CN201911272151 A CN 201911272151A CN 111007279 A CN111007279 A CN 111007279A
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李寿涛
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Abstract

本发明涉及一种基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，包括：至少两台CCD相机；示踪粒子发生器；四脉冲激光器，用于朝向所述粒子流向的方向上依次发射四个脉冲激光束；偏振装置，包括至少四个分别设置于所述四脉冲激光器内部的内部偏振镜、至少一个设置于所述四脉冲激光器外部的外部偏振镜，以及第一分光偏振镜和第二分光偏振镜；控制装置，分别与所述CCD相机与所述四脉冲激光器连接，以获取不同脉冲激光照射下的示踪粒子图像，进而获取粒子的速度与加速度。通过设置偏振装置中的第一内部偏振镜或第二内部偏振镜与第三内部偏振镜及所述第一分光偏振镜的偏振方向不同，避免了CCD相机在一次拍摄到不同脉冲激光束照射下的示踪粒子图像。

Description

基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置
技术领域
本发明涉及激光测速技术领域中的粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry，PIV)技术，特别涉及一种基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置。
背景技术
传统的PIV技术主要包括两种：第一种PIV技术，双脉冲激光器的单脉冲功率一般可以做得很大，比如350mJ-1J，对应地相机也可以选用分辨率很高的曝光CCD相机，可以测量面积很大的研究对象，但是频率和相机的传输速度受到限制，并且，1秒内只能得到5对或10对粒子图像，也就是5个或10个速度场，由于每两个速度场之间的时间间隔太长，达到0.1秒以上，无法由速度场两两算出加速度场；第二种高频PIV技术，高频脉冲激光器的频率可高达1KHz，但单脉冲能量仅为20mJ，并且高速相机在较高帧频模型下工作，其分辨率受传输带宽的约束，无法实现高分辨率拍摄，导致系统无法获取较大面积的粒子图像，短时间内得到的大量数据提高了后期数据处理的难度。
如果能够提供一种四脉冲激光器，能够依次发射四个脉冲激光束，再利双曝光CCD相机分别拍摄四个脉冲激光束照亮的示踪粒子图像，根据获取的跨帧示踪粒子图像计算示踪粒子的速度。然而由于四个脉冲激光束之间的时间间隔很短，而传统双曝光CCD相机的第二次曝光的时间较长，使得CCD相机在拍摄第二脉冲激光束照射的示踪粒子图像时会同时拍摄到第三脉冲激光束照射的示踪粒子图像，导致获取的跨帧粒子对不准确，影响基于该跨帧粒子对计算的粒子速度的准确性和/或精度。
发明内容
基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种能够避免CCD相机在一次曝光拍摄的过程中同时拍摄到两个不同脉冲激光束照射下的示踪粒子图像的、且能够测量粒子加速度的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置。
本申请的一方面提供一种基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，包括：
至少两台电荷藕合器件图像传感器(charge coupled device，CCD)相机，且镜面相对设置的两台CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，用于获取示踪粒子的图像，所述CCD相机包括第一CCD相机和第二CCD相机；示踪粒子发生器，用于朝向所述CCD相机镜面法线垂直的方向上发射示踪粒子；
四脉冲激光器，用于朝向垂直于所述粒子流向的方向上依次发射第一脉冲激光束、第二脉冲激光束、第三脉冲激光束和第四脉冲激光束；
偏振装置，包括至少四个分别设置于所述四脉冲激光器内部的内部偏振镜、至少一个设置于所述四脉冲激光器外部的外部偏振镜，以及第一分光偏振镜和第二分光偏振镜，所述内部偏振镜用于对所述四脉冲激光器的发射光起偏，所述外部偏振镜用于将所述四脉冲激光器的发射光聚集，所述第一分光偏振镜用于将聚集光分开以射入所述第一CCD相机，所述第二分光偏振镜用于将聚集光分开以射入所述第二CCD相机；
控制装置，分别与所述CCD相机与所述四脉冲激光器连接，用于同步控制所述第一CCD相机、所述第二CCD相机和所述四脉冲激光器，使得所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别在双曝光模式下获取所述第一脉冲激光束、所述第二脉冲激光束、所述第三脉冲激光束和所述第四脉冲激光束照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取示踪粒子的速度与加速度；
其中，所述内部偏振镜包括第一内部偏振镜、第二内部偏振镜、第三内部偏振镜和第四内部偏振镜，用于分别对所述第一脉冲激光束、所述第二脉冲激光束、所述第三脉冲激光束和所述第四脉冲激光束起偏，所述第一内部偏振镜与所述第二内部偏振镜的偏振方向相同，所述第三内部偏振镜和所述第四内部偏振镜的偏振方向相同，所述第一内部偏振镜或所述第二内部偏振镜与所述第三内部偏振镜或所述第四内部偏振镜的偏振方向不同，且所述第一分光偏振镜与所述第三内部偏振镜的偏振方向不同。
于上述实施例的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，由于采用了能够一次性发送四个高能量脉冲激光的四脉冲激光器，并且两两之间的时间间隔很短，利用示踪粒子发生器在被测气流中播撒示踪粒子，通过四脉冲激光器发射激光照亮示踪粒子流，并设置两台CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，拍摄被脉冲激光束照亮的示踪粒子流，以获取至少4幅时间间隔很短的粒子图像，基于该示踪粒子图像获取粒子的速度，进而基于获取的时间间隔很短的粒子速度值计算粒子的加速度值。由于设置第一内部偏振镜与第二内部偏振镜的偏振方向相同，第三内部偏振镜和第四内部偏振镜的偏振方向相同，第一内部偏振镜或第二内部偏振镜与第三内部偏振镜或第四内部偏振镜的偏振方向不同，且所述第一分光偏振镜与所述第三内部偏振镜的偏振方向不同，使得第一CCD相机在拍摄第二脉冲激光照射的示踪粒子图像时，第三脉冲激光的脉冲开始时间即使落入第一CCD相机的曝光拍摄时间内，由于第三脉冲激光被第二内部偏振镜与第一分光偏振镜的共同作用而无法进入所述第一CCD相机的拍摄视野中，进而使得第一CCD相机在二次曝光拍摄的过程中无法拍摄到第三脉冲激光照射下的示踪粒子图像。
在其中一个实施例中，所述第一内部偏振镜或所述第二内部偏振镜与所述第三内部偏振镜或所述第四内部偏振镜的偏振方向垂直。
在其中一个实施例中，所述第一分光偏振镜覆盖于所述第一CCD相机镜面的外侧，所述第二分光偏振镜覆盖于所述第二CCD相机镜面的外侧，通过调节所述第一分光偏振镜与所述第一CCD相机镜面的相对位置，以及所述第二分光偏振镜与所述第二CCD相机镜面的相对位置，使得所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束，所述第三脉冲激光束与所述第四脉冲激光束分别射入不同的CCD相机镜面。在其中一个实施例中，基于所述示踪粒子图像，采用互相关算法获取粒子速度，基于所述粒子速度获取粒子加速度。
在其中一个实施例中，所述CCD相机为双曝光CCD相机，用于依次连续曝光两幅图像。
在其中一个实施例中，基于一台双曝光CCD相机从T0时刻开始依次获取的两幅图像，利用互相关算法获取粒子速度v1；
基于另一台双曝光CCD相机从T0+Δt时刻开始依次获取的两幅图像，利用互相关算法获取粒子速度v2；
获取的粒子加速度a为：
Figure BDA0002314492060000041
在其中一个实施例中，所述四脉冲激光器发射激光的脉冲宽度为6ns-10ns。
在其中一个实施例中，所述双曝光CCD相机的第一幅图像的曝光时间为2us-1ms，所述双曝光CCD相机的第二幅图像的曝光时间为30ms。
在其中一个实施例中，所述四脉冲激光器发射激光的脉冲宽度小于CCD相机的任一图像的曝光时间，且所述CCD相机在暗室中进行曝光拍摄。
在其中一个实施例中，所述控制装置包括至少一台同步控制器，分别与所述CCD相机和所述四脉冲激光器连接，用于控制所述四脉冲激光器每次发出的四个激光脉冲照射到示踪粒子被所述CCD相机拍摄，以获取不同脉冲激光照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取粒子的速度与加速度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为本申请一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置的结构示意图。
图2为本申请一个实施例中提供的偏振装置的结构示意图。
图3为本申请一个实施例中提供的四脉冲激光器的脉冲激光束与CCD相机的曝光拍摄的时间间隔示意图。
图4为本申请一个实施例中提供的基于粒子图像测速的加速度测量过程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分开。而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本申请的一个实施例中提供的一种基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置包括：
至少两台CCD相机，且镜面相对设置的两台CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，用于获取示踪粒子的图像。
本实施例中设置了镜面正对设置的第一CCD相机41和第二CCD相机42，且第一CCD相机和第二CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，第一CCD相机和第二CCD相机可以分别拍摄被脉冲激光照亮的示踪粒子图像。在本实施例中可以将第一CCD相机和第二CCD相机设置于一限位装置(未图示)上，限位装置可以包括导轨和滑槽，将第一CCD相机和第二CCD相机均设置于滑槽中，通过移动第一CCD相机和第二CCD相机的空间位置，使得第一CCD相机和第二CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，使二者同时拍摄一静止物时获取的图像相同。
示踪粒子发生器10，用于朝向所述CCD相机镜面法线垂直的方向上发射示踪粒子。
示踪粒子发生器10可以朝向被测流体的流向上撒播示踪粒子，粒子由于跟随被测对象运动，因此测得的粒子速度可以认为是被测对象的速度。
四脉冲激光器30，用于朝向垂直于所述粒子流向的方向上一次发射四个脉冲激光束。
四脉冲激光器30能够发射出4个高能量的脉冲激光，并且相邻的两个脉冲激光之间的时间间隔很短，脉冲激光可以通过光学元件形成片光照射被测对象，使得被测流体中的示踪粒子反射光线而被拍摄到图像中。在本实施例中，四脉冲激光器30发出的每一个脉冲都是瞬态的，脉冲宽度可以为6-10ns，波长可以为532nm。
偏振装置(未图示)，包括至少四个分别设置于所述四脉冲激光器内部的内部偏振镜、至少一个设置于所述四脉冲激光器外部的外部偏振镜，可以设置于如图1中所示的支撑架20上，以及第一分光偏振镜和第二分光偏振镜，内部偏振镜用于对四脉冲激光器的发射光起偏，外部偏振镜用于将四脉冲激光器的发射光聚集，第一分光偏振631镜用于将聚集光分开以射入第一CCD相机镜面，第二分光偏振镜632用于将聚集光分开以射入第二CCD相机镜面。其中，所述内部偏振镜包括第一内部偏振镜、第二内部偏振镜、第三内部偏振镜和第四内部偏振镜，用于分别对所述第一脉冲激光束、所述第二脉冲激光束、所述第三脉冲激光束和所述第四脉冲激光束起偏，所述第一内部偏振镜与所述第二内部偏振镜的偏振方向相同，所述第三内部偏振镜和所述第四内部偏振镜的偏振方向相同，所述第一内部偏振镜或所述第二内部偏振镜与所述第三内部偏振镜或所述第四内部偏振镜的偏振方向不同，且所述第一分光偏振镜与所述第三内部偏振镜的偏振方向不同。在本实施例中，可以设置第一分光偏振镜631覆盖于第一CCD相机41镜面的外侧，使得第一脉冲激光束和第二脉冲激光束可以射入第一CCD相机41镜面，而不会射入第二CCD相机42镜面；可以设置第二分光偏振镜632覆盖于第二CCD相机42镜面的外侧，使得第三脉冲激光束和第四脉冲激光束可以射入第二CCD相机42镜面，而不会射入第一CCD相机41镜面。
控制装置50，分别与第一CCD相机41、第二CCD相机42和四脉冲激光器30连接，用于同步控制第一CCD相机41、第二CCD相机42和四脉冲激光器30，使得第一CCD相机41、第二CCD相机42分别在双曝光模式下获取不同脉冲激光照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取粒子的速度与加速度。
具体地，于上述实施例中的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，首先通过示踪粒子发生器10朝向垂直于第一CCD相机41镜面与第二CCD相机镜面的法线的方向上发射示踪粒子，使得示踪粒子跟随被测的流体并与流体同速度。然后通过控制装置50控制第一CCD相机41与第二CCD相机42进行双曝光拍摄，且控制第二CCD相机42的曝光开始时刻位于第一CCD相机41的第二次曝光拍摄的完成时刻之后，同时控制四脉冲激光器30朝向垂直于所述示踪粒子流向的方向上一次发射四个脉冲激光束，用于照亮所述示踪粒子，使得第一CCD相机41分别拍摄到第一脉冲激光与第二脉冲激光照射下的示踪粒子图像，并使得第二CCD相机42分别拍摄到第三脉冲激光与第四脉冲激光照射下的示踪粒子图像。由于获取的前后相邻的两张示踪粒子图像的时间间隔确定并且极短，可以基于获取的四张示踪粒子图像获取三个示踪粒子速度值。由于激光脉冲的时间间隔确定并且极短，基于获取的三个示踪粒子速度可以获取两个示踪粒子加速度值，进而获取被测流体的加速度值。
于上述实施例的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，由于采用了能够一次性发送四个高能量脉冲激光的四脉冲激光器，并且两两之间的时间间隔很短，利用示踪粒子发生器在被测气流中播撒示踪粒子，通过四脉冲激光器发射激光照亮示踪粒子流，并设置两台CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，拍摄被脉冲激光束照亮的示踪粒子流，以获取至少4幅时间间隔很短的粒子图像，基于该示踪粒子图像获取粒子的速度，进而基于获取的时间间隔很短的粒子速度值计算粒子的加速度值。由于设置第一内部偏振镜与第二内部偏振镜的偏振方向相同，第三内部偏振镜和第四内部偏振镜的偏振方向相同，第一内部偏振镜或第二内部偏振镜与第三内部偏振镜或第四内部偏振镜的偏振方向不同，且所述第一分光偏振镜与所述第三内部偏振镜的偏振方向不同，使得第一CCD相机在拍摄第二脉冲激光照射的示踪粒子图像时，第三脉冲激光的脉冲开始时间即使落入第一CCD相机的曝光拍摄时间内，由于第三脉冲激光被第二内部偏振镜与第一分光偏振镜的共同作用而无法进入所述第一CCD相机的拍摄视野中，进而使得第一CCD相机在二次曝光拍摄的过程中无法拍摄到第三脉冲激光照射下的示踪粒子图像。
进一步地，在本申请的一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，如图2所示，偏振装置60可以包括第一内部偏振镜611、第二内部偏振镜612、第三内部偏振镜613和第四内部偏振镜614。一个外部偏振镜62和第一分光偏振镜631和第二分光偏振镜632。其中，四个内部偏振镜61分别设置于四脉冲激光器上，用于分别对第一脉冲激光、第二脉冲激光、第三脉冲激光与第四脉冲激光进行起偏，同时将第一脉冲激光、第二脉冲激光、第三脉冲激光与第四脉冲激光折射至外部偏振镜62上，脉冲激光通过偏振镜62可以合成一束合成脉冲激光。该合成脉冲激光经过第一分光偏振镜631和第二分光偏振镜632可以分别折射成两束脉冲激光，进而分别射入到第一CCD相机与第二CCD相机中，因此，可以将第一分光偏振镜631和第二分光偏振镜632分别设置于第一CCD相机与第二CCD相机镜面的外侧。例如，可以设置第一分光偏振镜631覆盖于第一CCD相机镜面的外侧，使得第一脉冲激光束和第二脉冲激光束可以射入第一CCD相机镜面，而不会射入第二CCD相机镜面；可以设置第二分光偏振镜632覆盖于第二CCD相机镜面的外侧，使得第三脉冲激光束和第四脉冲激光束可以射入第二CCD相机镜面，而不会射入第一CCD相机镜面。通过偏振装置60可以将四脉冲激光器的出射光合成一束或两束，以应用于不同的应用场景，同时便于使得本申请中镜面相对设置的两台CCD相机可以分别拍摄到四脉冲激光器一次性发射的四个脉冲激光照射的示踪粒子图像。第一内部偏振镜611与第二内部偏振镜612的偏振方向相同，可以设置第一内部偏振镜611与第二内部偏振镜612相互平行，第三内部偏振镜613和第四内部偏振镜614的偏振方向相同，可以设置第三内部偏振镜613和第四内部偏振镜614相互平行。第一内部偏振镜611或第二内部偏振镜612与第三内部偏振镜613的偏振方向不同，优选为二者相互垂直；第一内部偏振镜611或第二内部偏振镜612与第四内部偏振镜614的偏振方向不同，优选为二者相互垂直。使得第一CCD相机在拍摄第二脉冲激光照射的示踪粒子图像时，第三脉冲激光的脉冲开始时间即使落入第一CCD相机的曝光拍摄时间内，由于第三脉冲激光被第二内部偏振镜612与第一分光偏振镜631的共同作用而无法进入第一CCD相机的拍摄视野中，进而使得第一CCD相机在二次曝光拍摄的过程中无法拍摄到第三脉冲激光照射下的示踪粒子图像，避免了第一CCD相机在二次曝光拍摄的过程中可能拍摄到第三脉冲激光或第四脉冲激光照射下的示踪粒子图像。同理，由于第一脉冲激光被第三内部偏振镜613与第二分光偏振镜632的共同作用而无法进入第二CCD相机的拍摄视野中，进而使得第二CCD相机在二次曝光拍摄的过程中无法拍摄到第一脉冲激光照射下的示踪粒子图像，避免了第二CCD相机在二次曝光拍摄的过程中可能拍摄到第一脉冲激光或第二脉冲激光照射下的示踪粒子图像。
在本申请的一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中还包括快门开关(未图示)，与控制装置连接，用于在第一CCD相机获取到所述第二脉冲激光束照射的示踪粒子图像后，且在所述述第二CCD相机的首次曝光开始之前，关闭所述第一CCD相机，避免了第一CCD相机在第二次曝光拍摄的过程中可能拍摄到摄到第三脉冲激光或第四脉冲激光照射下的示踪粒子图像。在本实施例中，可以控制四脉冲激光器重复工作的时间间隔，避免四脉冲激光器在再一次发射四个脉冲激光的过程中，第二CCD相机可能拍摄到第一脉冲激光或第二脉冲激光照射下的示踪粒子图像。
在本申请的一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，在获取到示踪粒子图像后，可以采用互相关算法来获取粒子速度，进而基于获取的粒子速度获取粒子加速度。
具体地，于上述实施例中的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，所述CCD相机可以为双曝光CCD相机，用于一次连续曝光两幅图像。如图3所示，由第一CCD相机于t1时刻开始一次曝光拍摄获取的第一脉冲激光照射下的第一示踪粒子图像411，其中，第一脉冲激光于t2时刻开始发出；由第一CCD相机二次曝光拍摄获取的第二脉冲激光照射下的第二示踪粒子图像412，其中，第二脉冲激光于t3时刻开始发出。由第二CCD相机于t4时刻开始一次曝光拍摄获取的第三脉冲激光照射下的第三示踪粒子图像421，其中，第三脉冲激光于t5时刻开始发出；由第二CCD相机二次曝光拍摄获取的第四脉冲激光照射下的第四示踪粒子图像422，其中，第四脉冲激光于t6时刻开始发出。第一示踪粒子图像411中于t2时刻开始拍摄获取的示踪粒子对记为S1，第二示踪粒子图像412中于t3时刻开始拍摄获取的示踪粒子对记为S2。第三示踪粒子图像421中于t5时刻开始拍摄获取的示踪粒子对记为S3，第四示踪粒子图像422中于t6时刻开始拍摄获取的示踪粒子对记为S4。S1与S2中的图像匹配，以灰度强度显示S1中图像中的每一个示踪粒子，并采用单像素系综互相关方法，在S2中找到与S1中图像对应的示踪粒子进行匹配，具体方式可以为：令示踪粒子跨帧图像中S1中的示踪粒子跨帧图像中像素点坐标为(i,j)，S2中对应的像素点邻域内相距坐标(Δr,Δs)的像素点坐标为(i+Δr,j+Δs)，则全部Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数用公式表示为：
Figure BDA0002314492060000131
于式(1-1)中，
Figure BDA0002314492060000132
和
Figure BDA0002314492060000133
分别为第n个示踪粒子跨帧图像对中位于S1中图像与S2中图像像素点的灰度值；
Figure BDA0002314492060000134
和
Figure BDA0002314492060000135
是Nf个示踪粒子跨帧图像对中位于S1中图像与S2中图像像素点的灰度强度系综平均值，σ表示灰度强度的标准差为：
Figure BDA0002314492060000136
得到Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数之后，利用互相关算法找到系综相关函数RΔr,Δs(i,j)的峰值，进而得到示踪粒子在S1和S2间的位移，最终得到示踪粒子的运动速度v1。由于四脉冲激光器发出的每一个脉冲都是瞬态的，脉冲宽度一般为6ns-10ns，波长为532nm，双曝光CCD相机的第一幅图像的曝光时间为2us-1ms，所述双曝光CCD相机的第二幅图像的曝光时间为30ms，因此，如图3中所示，t5-t3或t6-t5的值都很小，因此，当Δt为t5-t3或t6-t5其中之一时，可以利用S1、S2、S3和S4中的示踪粒子中获取的速度v1、v2和v3。如图4所示，按照与计算v1同样的计算方式由S2和S3间的位移得到示踪粒子的运动速度v2，由S3和S4间的位移得到示踪粒子的运动速度v3。由如下式(2-1)得到在该时间内的加速度a，其中，Δt为加速度完成的时间。记v1到v2之间的示踪粒子加速度为a1，v2到v3之间的示踪粒子加速度为a2，则：
Figure BDA0002314492060000137
Figure BDA0002314492060000138
Figure BDA0002314492060000139
Figure BDA0002314492060000141
进一步地，在本申请的一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，所述四脉冲激光器发射激光的脉冲宽度小于CCD相机的任一图像的曝光时间，且所述CCD相机在暗室中进行曝光拍摄，以保证任意一个激光脉冲照射下的示踪粒子全部处于CCD相机的曝光时间内，如图3所示，第一脉冲激光的持续时间全部被包含于第一CCD相机的首次曝光时间段内；第二脉冲激光的持续时间全部被包含于第一CCD相机的二次曝光时间段内；第三脉冲激光的持续时间全部被包含于第二CCD相机的首次曝光时间段内；第四脉冲激光的持续时间全部被包含于第二CCD相机的二次曝光时间段内。如此设置，使得CCD相机在四脉冲激光器未发射脉冲激光前，拍摄不到示踪粒子图像，并且CCD相机每次曝光可以拍摄到完成的脉冲激光照射下的示踪粒子图像，以便于从获取的示踪粒子图像中选取对应的示踪粒子对，进而便于运用互相关算法计算获取示踪粒子速度，由于四脉冲激光器的脉冲激光之间的时间间隔极短，即，获取的跨帧图像中的示踪粒子对经历的时间间隔极短，因此，利用获取的示踪粒子速度可以获取示踪粒子加速度。
进一步地，在本申请的一个实施例中提供的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，所述控制装置包括至少一台同步控制器，分别与所述CCD相机和所述四脉冲激光器连接，用于控制所述四脉冲激光器每次发出的四个激光脉冲照射到示踪粒子被所述CCD相机拍摄，以获取不同脉冲激光照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取粒子的速度与加速度。在本实施例中，同步控制器可以包括两台DG645，DG645为一种八通道数字延时脉冲发生器，数字延时脉冲发生器DG645由高精度电路产生TTL幅值的脉冲并进行数字化控制其延迟时间进行输出，并提供四个独立控制的脉冲输出，最多八个延时逻辑转换，所有通道的延时分辨率为5ps，并且每个通道之间的抖动小于25ps，脉冲频率高10MHz。DG645可以通过以太网、通用接口总线(General Purpose Interface Bus，GPIB)和RS-232接口与计算机相连。DG645能够提供更低的抖动，更高的精度，更快的触发频率和更多的输出，因此非常适用于本申请中同时对四脉冲激光器的脉冲激光与CCD相机曝光时间之间的时序控制。
进一步地，于上述实施例中的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，设置两台DG645分别与计算机连接，用于分别控制双曝光CCD相机和四脉冲激光器，使得二者相互配合，以获取到时间间隔极短的脉冲激光照射下的示踪粒子图像。采用第一DG645分别与两台双曝光CCD相机连接，用于控制第一CCD相机与第二CCD相机的曝光时间间隔。采用第二DG645与四脉冲激光器连接，用于分别控制第一脉冲激光、第二脉冲激光、第三脉冲激光和第四脉冲激光之间的时间间隔。通过第二DG645控制四脉冲激光器发出的脉冲激光与第一DG645控制的两台双曝光CCD相机的曝光时间相匹配，获取时间间隔极短的四个脉冲激光照射下的示踪粒子图像，进而获取三个示踪粒子速度值和二个示踪粒子加速度值。
于上述实施例中的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置中，由于采用了两台八通道数字延时脉冲发生器，分别控制双曝光CCD相机和四脉冲激光器，使得二者相互配合，以获取到时间间隔极短的脉冲激光照射下的示踪粒子图像，进而获取三个示踪粒子速度值和二个示踪粒子加速度值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，包括：
至少两台CCD相机，且镜面相对设置的两台CCD相机的镜面的中心点位于一条直线上，用于获取示踪粒子的图像，所述CCD相机包括第一CCD相机和第二CCD相机；
示踪粒子发生器，用于沿着与所述CCD相机镜面法线垂直的方向发射示踪粒子并形成示踪粒子流；
四脉冲激光器，用于沿着与所述示踪粒子流垂直的方向并朝向所述示踪粒子流依次发射第一脉冲激光束、第二脉冲激光束、第三脉冲激光束和第四脉冲激光束；
偏振装置，包括至少四个分别设置于所述四脉冲激光器内部的内部偏振镜、至少一个设置于所述四脉冲激光器外部的外部偏振镜，以及第一分光偏振镜和第二分光偏振镜，所述内部偏振镜用于对所述四脉冲激光器的发射光起偏，所述外部偏振镜用于将所述四脉冲激光器的发射光聚集，所述第一分光偏振镜用于将聚集光分开以射入所述第一CCD相机，所述第二分光偏振镜用于将聚集光分开以射入所述第二CCD相机；
控制装置，分别与所述CCD相机与所述四脉冲激光器连接，用于同步控制所述第一CCD相机、所述第二CCD相机和所述四脉冲激光器，使得所述第一CCD相机和所述第二CCD相机依次获取所述第一脉冲激光束、所述第二脉冲激光束、所述第三脉冲激光束和所述第四脉冲激光束照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取示踪粒子的速度与加速度；
其中，所述内部偏振镜包括第一内部偏振镜、第二内部偏振镜、第三内部偏振镜和第四内部偏振镜，用于分别对所述第一脉冲激光束、所述第二脉冲激光束、所述第三脉冲激光束和所述第四脉冲激光束起偏，所述第一内部偏振镜与所述第二内部偏振镜的偏振方向相同，所述第三内部偏振镜和所述第四内部偏振镜的偏振方向相同，所述第一内部偏振镜或所述第二内部偏振镜与所述第三内部偏振镜或所述第四内部偏振镜的偏振方向不同，且所述第一分光偏振镜与所述第三内部偏振镜的偏振方向不同。
2.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述第一内部偏振镜或所述第二内部偏振镜与所述第三内部偏振镜或所述第四内部偏振镜的偏振方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述第一分光偏振镜覆盖于所述第一CCD相机镜面的外侧，所述第二分光偏振镜覆盖于所述第二CCD相机镜面的外侧，通过调节所述第一分光偏振镜与所述第一CCD相机镜面的相对位置，以及所述第二分光偏振镜与所述第二CCD相机镜面的相对位置，使得所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束，所述第三脉冲激光束与所述第四脉冲激光束分别射入不同的CCD相机镜面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，基于所述示踪粒子图像，采用互相关算法获取粒子速度，基于所述粒子速度获取粒子加速度。
5.根据权利要求4所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述CCD相机为双曝光CCD相机，用于依次连续曝光两幅图像。
6.根据权利要求5所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于：
基于一台双曝光CCD相机从T0时刻开始依次获取的两幅图像，利用互相关算法获取粒子速度v1；
基于另一台双曝光CCD相机从T0+Δt时刻开始依次获取的两幅图像，利用互相关算法获取粒子速度v2；
获取的粒子加速度a为：
Figure FDA0002314492050000031
7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述四脉冲激光器发射激光的脉冲宽度为6ns-10ns。
8.根据权利要求6所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述双曝光CCD相机的第一幅图像的曝光时间为2us-1ms，所述双曝光CCD相机的第二幅图像的曝光时间为30ms。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述四脉冲激光器发射激光的脉冲宽度小于CCD相机的任一图像的曝光时间，且所述CCD相机在暗室中进行曝光拍摄。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的基于粒子图像测速及偏振装置的加速度测量装置，其特征在于，所述控制装置包括至少一台同步控制器，分别与所述CCD相机和所述四脉冲激光器连接，用于控制所述四脉冲激光器每次发出的四个激光脉冲照射到示踪粒子被所述CCD相机拍摄，以获取不同脉冲激光照射下的示踪粒子图像，并基于所述示踪粒子图像获取粒子的速度与加速度。
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