CN113848153B - 一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，包括计算机、振镜控制器、振镜、激光器、抛物面反射镜、平凹柱面透镜、高速相机和透明的测量管道，在通过测量管道的气液两相流的液相中加有荧光物质，其中，所述抛物面反射镜，用于将通过振镜镜片中心反射的偏转激光束平行化；所述平凹柱面透镜，用于将激光束扩展为片状激光。所述振镜镜片、抛物面反射镜、平凹柱面透镜的中心位于同一光路上，抛物面反射镜沿激光扫描方向为抛物线形，平凹柱面透镜的母线与激光扫描方向平行；气液两相流经激光照射产生的荧光通过滤光片被高速相机所采集；所述计算机对高速相机采集到的切片图像进行处理，实现气液两相流流动结构的三维重建。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流三维测量领域，具体为一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统。
背景技术
气液两相流是一种由气体和液体混合物组成的两相流动体系，它普遍应用于化工、动力、冶炼和原子能等工业过程中，其具有流型复杂易变、各相之间存在相互作用、数学描述困难等特点。准确测量气液两相流的流动特性，对于监测流动状况及传热传质特性，保证生产安全和提高生产效益具有重要意义。现有的气液两相流检测技术大多为一维或二维测量技术，只能在某些位置或某一方向对流场进行检测，而气液两相流具有连续的三维流动结构，仅通过一维或二维方法进行测量无法得到完整的流动信息，因此需要发展气液两相流的三维测量方法。
激光诱导荧光法(Laser-induced Fluorescence,LIF)是一种具有高时空分辨率的光学测量技术，并且是一种非侵入式的测量技术，不会对流场产生干扰。LIF的基本工作原理是：在流体中加入荧光染料，采用激光照射流体可以激发染料使其发出荧光，利用高速相机采集流场的荧光图像，结合图像处理技术可以获取气液两相流的流动结构。常见的LIF技术有两种：一种是基于亮度的激光诱导荧光法(Brightness Based Laser-inducedFluorescence,BBLIF)，另一种是平面激光诱导荧光法(Planar Laser-inducedFluorescence,PLIF)。BBLIF是一种基于激发荧光局部强度与液膜局部厚度关系的检测方法，主要缺点是它依赖于激光强度，因此需要考虑激光的稳定性和照明区域上的非均匀强度分布，另外荧光染料浓度和温度也会对荧光强度产生较大影响。PLIF技术中采集到的荧光图像是流场的截面图像，只需要对图像进行空间校准即可确定流动结构的边界，因此受激光强度、温度和染料浓度的影响较小，但无法在管道的轴向和周向上同时获得流动结构。目前均无法应用于气液两相流流动结构的三维重建。
因此，需要发明一种新的三维重建系统，结合数字图像处理技术实现流场的非侵入、高精度三维测量，从而有助于全面分析气液两相流的流动过程。
发明内容
本发明提出了一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，从而获得流场的切片图像，并利用获取的切片图像对流场进行三维重建，能够实现对气液两相流流动结构的全面、非侵入、高精度测量。技术方案如下：
一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，包括计算机、振镜控制器、振镜、激光器、抛物面反射镜、平凹柱面透镜、高速相机和透明的测量管道，在通过测量管道的气液两相流的液相中加有荧光物质，其中，
所述抛物面反射镜，用于将通过振镜镜片中心反射的偏转激光束平行化；
所述平凹柱面透镜，用于将激光束扩展为片状激光。
所述振镜镜片、抛物面反射镜、平凹柱面透镜的中心位于同一光路平面上，抛物面反射镜沿激光扫描方向为抛物线形，平凹柱面透镜的母线与激光扫描方向平行；
所述振镜镜片的中心位于抛物面反射镜的焦点处，测量管道位于抛物面反射镜反射光束的聚焦位置，以保证气液两相流测量位置处的扫描激光片相互平行且厚度最小；
所述激光器产生连续的激光束照射到所述振镜镜片中心；所述计算机与所述振镜控制器根据计算机的指令控制振镜进行偏转，从而使振镜反射的激光束角度发生变化，实现对被测对象的往复扫描；扫描激光束通过所述抛物面反射镜和平凹柱面透镜转化为平行的扫描激光片，照射所述测量管道中的气液两相流；所述气液两相流经激光照射产生的荧光通过滤光片被高速相机所采集；计算机接收高速相机所采集的流场切片图像；所述计算机对高速相机采集到的切片图像进行处理，实现气液两相流流动结构的三维重建。
进一步地，激光器(4)选择波长为532nm的连续激光器。
进一步地，在高速相机镜头前设置有滤光片，用于消除激光和其他光线对所采集的流场切片图像的影响。
进一步地，所述滤光片为波长570nm的长通滤光片。
利用上述系统实现的气液两相流流场三维重建方法，包括下列步骤：
步骤1：对所采集的流场切片图像进行预处理；
步骤2：对高速相机进行标定，得到其内参矩阵；
步骤3：根据测量管道的三维空间坐标和对应流场切片图像的坐标，采用PNP算法求解切片图像与高速相机的位姿关系；
步骤4：依据流场切片图像与高速相机的夹角与距离，对流场切片图像进行空间校正和对齐；
步骤5：对流场切片图像进行层间插值；
步骤6：提取流场切片图像和层间插值后的插值图像中流动结构的轮廓，通过体绘制方法进行三维重建，实现气液两相流流场三维重建。
与现有的气液两相流测试技术相比，本发明的基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统具有如下优点：
现有的气液两相流流动结构的三维测量方法大多基于电导传感器或丝网传感器，这些侵入式测量方法容易对流场造成干扰，且空间分辨率低，无法测量较小的气液界面结构。本发明基于非侵入测量方法，不会由于传感器的侵入对测量结果产生影响，且高速相机采集流场的切片图像，具有更高的时空分辨率。
本发明基于平面激光诱导荧光法，在测量的过程中采集的是气液两相流的截面图像，只需要对图像进行空间校准即可确定流动结构的轮廓。与基于亮度的激光诱导荧光法相比，本发明中荧光强度对测量结果的影响较小，因此测量结果不易受到激光强度、温度和荧光染料浓度的干扰。本发明结合平面激光诱导荧光法和激光扫描，获得气液两相流不同位置的切片图像，以实现流动结构的三维测量。与平面激光诱导荧光法相比，本发明可以同时获得气液两相流轴向和周向的流动参数，有助于全面分析气液两相流的流动特性。
附图说明
图1是本发明所述一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统结构示意图，以气液环状流中液膜流动结构三维重建为例。
图中：1-计算机、2-振镜控制器、3-振镜、4-激光器、5-抛物面反射镜L1、6-平凹柱面透镜L2、7-高速相机、8-滤光片F1、9-测量管道与10-气液两相流(以环状流液膜为例)。
图2为振镜扫描系统的示意图。
图3为振镜扫描系统的俯视图。
图4为气液两相流流场切片图像三维重建过程的示意图。
具体实施方式
本发明的基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，包括计算机(1)、振镜控制器(2)、振镜(3)、激光器(4)、抛物面反射镜L1(5)、平凹柱面透镜L2(6)、高速相机(7)、滤光片F1(8)、测量管道(9)与气液两相流(10)。
具体实施时，激光器(4)选择波长为532nm的连续激光器。测量管道(9)为透明的，采用亚克力材质，测量管道(9)中气液两相流(10)的液相加入荧光物质罗丹明B，高速相机(7)镜头前安装波长为570nm的长通滤光片(8)。
具体实施时，计算机(1)分别与振镜控制器(2)和高速相机(7)相连，分别向振镜控制器(2)输出扫描指令，并控制高速相机(7)对切片图像进行采集和储存，最终对储存的图像进行处理。
激光器(4)发射出波长为532nm的激光束到振镜(3)镜片中心。计算机(1)向振镜控制器(2)输出扫描指令，随后振镜控制器(2)输出模拟电压信号，使振镜(3)镜片进行快速摆动，从而造成反射激光束偏转角度的变化，实现对被测对象的快速扫描，扫描角度可以根据被测对象的尺寸进行调整。如图3所示，抛物面反射镜L1(5)沿激光扫描方向为抛物线形，可由以下方程描述：
振镜(3)镜片中心位于抛物面反射镜焦点处，因此由振镜(3)镜片中心反射的激光束通过抛物面反射镜L1(5)反射后可以变为相互平行的扫描激光束。激光束与抛物面反射镜交点的横坐标x可以表示为：
其中，δ为人射激光与振镜(3)镜片初始位置法线的夹角，θ为振镜(3)的偏转角度。因此，激光束扫描范围s为
随后，激光束通过平凹柱面透镜L2(6)扩展为片状激光。
测量管道(9)置于抛物面反射镜L1(5)反射光束的聚焦位置，以保证照射到气液两相流(10)的激光片厚度最小。波长为532nm的片状激光照射测量管道(9)中的气液两相流(10)，激发液相中添加的荧光物质罗丹明B，使其发出波长为610nm的荧光。荧光通过波长为570nm的长通滤光片F1(8)到达高速相机(7)，高速相机(7)采集由片状激光扫描所产生的流场荧光切片图像，单次扫描采集的切片图像数量n与高速相机(7)的帧频F和振镜(3)的扫描频率v有关：
而切片图像的间距d为：
计算机(1)接收并储存高速相机(7)采集的切片图像，并对气液两相流(10)流动结构进行三维重建，具体步骤如下：
1、通过灰度化、差影、图像滤波、阈值分割等数字图像处理方法对切片图像进行预处理，获取气液两相流(10)流动结构的二值图；
2、利用已知规格的标定板对高速相机(7)进行标定，通过世界坐标系到图像像素坐标系的转换，求解相机的内参矩阵K
其中fx和fy分别为图像像素坐标系上的归一化焦距，u0和v0为相机主轴与像平面的交点坐标；
3、利用PNP(perspective-n-point)算法，通过N点透视位姿求解每幅切片图像与相机坐标系的绝对位姿关系，确定每幅切片图像与高速相机(7)的距离与夹角，方法如下：
第1步：规定世界坐标系、相机坐标系和图像像素坐标系，其中世界坐标系原点位于拍摄的管道截面中心，世界坐标系XOY平面与激光片重合；
第2步：根据测量管道(9)的实际三维尺寸选定N个控制点(N≥4)，确定其世界坐标Wi(xwi ywi zwi)，并提取控制点对应的图像像素坐标Pi(ui vi)，另外控制点的相机坐标表示为Ci(xci yci zci)，i∈[1，N]；
第3步：设R为世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵，T为世界坐标系相对相机坐标系的平移矩阵，因此控制点的世界坐标和相机坐标之间的关系为：
第4步：根据针孔成像模型，控制点的世界坐标和图像像素坐标的转换关系为：
其中λ为尺度因子；
第5步：通过求解可以得到旋转矩阵R和平移矩阵T，其中旋转矩阵R与旋转角θx，θy，θz的关系为
因此世界坐标系相对相机坐标系的旋转角为
相机坐标系原点C0(xc0 yc0 zc0)及其世界坐标W0(xw0 yw0 zw0)的关系为
C0＝RW0+T
因此相机坐标原点的世界坐标为
其中zw0为切片图像与高速相机(7)的距离；
4、依据切片图像与高速相机(7)的距离与夹角，结合光路分析对图像进行空间校正以及切片对齐；
5、根据气液两相流(10)流动结构的特征，以及切片图像的间距和空间分辨率等条件，利用基于形状的插值方法进行层间插值，提高流动结构三维重建的质量；
6、对切片图像和插值图像进行边缘检测，提取流动结构的轮廓，基于体绘制方法实现气液两相流(10)流动结构的三维重建，并对两相流动参数进行定量计算，进而全面分析气液两相流(10)的流动特性。
Claims (5)
1.一种基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，包括计算机、振镜控制器、振镜、激光器、抛物面反射镜、平凹柱面透镜、高速相机和透明的测量管道，在通过测量管道的气液两相流的液相中加有荧光物质，其特征在于，
所述抛物面反射镜，用于将通过振镜镜片中心反射的偏转激光束平行化；
所述平凹柱面透镜，用于将激光束扩展为片状激光；
所述振镜镜片、抛物面反射镜、平凹柱面透镜的中心位于同一光路平面上，抛物面反射镜沿激光扫描方向为抛物线形，平凹柱面透镜的母线与激光扫描方向平行；
所述振镜镜片的中心位于抛物面反射镜的焦点处，测量管道位于抛物面反射镜反射光束的聚焦位置，以保证气液两相流测量位置处的扫描激光片相互平行且厚度最小；
所述激光器产生连续的激光束照射到所述振镜镜片中心；所述计算机与所述振镜控制器根据计算机的指令控制振镜进行偏转，从而使振镜反射的激光束角度发生变化，实现对被测对象的往复扫描；扫描激光束通过所述抛物面反射镜和平凹柱面透镜转化为平行的扫描激光片，照射所述测量管道中的气液两相流；所述气液两相流经激光照射产生的荧光通过滤光片被高速相机所采集；计算机接收高速相机所采集的流场切片图像；所述计算机对高速相机采集到的切片图像进行处理，实现气液两相流流动结构的三维重建。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，其特征在于，激光器（4）选择波长为532nm的连续激光器。
3.根据权利要求1所述的基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，其特征在于，在高速相机镜头前设置有滤光片，用于消除激光和其他光线对所采集的流场切片图像的影响。
4.根据权利要求3所述的基于激光扫描的气液两相流流场三维重建系统，其特征在于，所述滤光片为波长570nm的长通滤光片。
5.利用权利要求1-4任意一项所述的气液两相流流场三维重建系统实现的气液两相流流场三维重建方法，包括下列步骤：
步骤1：对所采集的流场切片图像进行预处理；
步骤2：对高速相机进行标定，得到其内参矩阵；
步骤3：根据测量管道的三维空间坐标和对应流场切片图像的坐标，采用PNP算法求解切片图像与高速相机的位姿关系；
步骤4：依据流场切片图像与高速相机的夹角与距离，对流场切片图像进行空间校正和对齐；
步骤5：对流场切片图像进行层间插值；
步骤6：提取流场切片图像和层间插值后的插值图像中流动结构的轮廓，通过体绘制方法进行三维重建，实现气液两相流流场三维重建。
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