CN114018538A - 基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置。包括：基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动；当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关的灰度图像和时间相关的偏振图像；基于偏振图像确定偏振结果；对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到融合图像；基于融合图像计算流场的速度信息。可以同时获取示踪粒子散射信息的光强信息和偏振信息，将光强信息与偏振信息融合，代替单一光强信息，通过时间相关的融合的图像进行互相关计算，解决单一光强信息在互相关计算中存在的不足，提升基于图像进行速度场测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及风洞实验测量和图像处理的技术领域，尤其是涉及一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置。
背景技术
超声速/高超声速流场的速度分布测量，是空气动力学研究中一项重要的内容。当前已经具备多种超声速/高超声速流场速度测量的技术，其中以粒子图像测速(ParticleImage Velocimetry，PIV)，热线风速仪，皮托管、激光多普勒测速仪(Laser DopplerVelocimetry，LDV)、分子标记测速法(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)等技术为代表。
其中，MTV和LDV方法虽然可以进行速度场空间分布的测量，但这些方法的空间分辨率低，无法获得高分辨率流场的空间速度分布。PIV方法获得的粒子图像，一般是通过捕获粒子被激光照明后发出散射光信号进行成像，其本质上是基于粒子散射的光强信息进行互相关计算。然而，上述采用光强信息进行互相关计算，受到光强信息的影响，部分测量结果存在较大偏差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声速/高超声速基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置，以提高流场速度测量的准确性。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，流场为超声速或高超声速流场，方法应用于流场速度测量系统，方法包括：基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动；当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，跨帧CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)相机(或者PIV CCD相机)和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像；基于偏振图像确定偏振结果；对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到时间相关图像；基于时间相关的融合图像通过互相关方法计算流场的速度信息。
在本发明较佳的实施例中，上述基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定的步骤，包括：确定标定板、光源、CCD相机和偏振相机的位置；CCD相机、偏振相机拍摄标定板图像。
在本发明较佳的实施例中，上述确定标定板的位置的步骤，包括：确定流场的区域范围，基于区域范围选择标定板；确定标定板的标定面，以使标定面与待测流场的平面重合；确定光源的位置的步骤，包括：基于标定板的位置确定光源位置，以使光源位置与标定板的平面位置重合；确定CCD相机和偏振相机的位置的步骤，包括：确定CCD相机和偏振相机的拍摄范围一致，并且，拍摄范围覆盖标定板。
在本发明较佳的实施例中，上述CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像的步骤，包括：基于激光器的工作时序确定CCD相机和偏振相机的工作时序；CCD相机和偏振相机分别基于CCD相机和偏振相机的工作时序采集纳米粒子的灰度图像和偏振图像。
在本发明较佳的实施例中，上述CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像的步骤，包括：基于标定板图像标定CCD相机和偏振相机；标定后的CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。
在本发明较佳的实施例中，上述基于偏振图像确定偏振结果的步骤之后，方法还包括：对偏振结果或灰度图像进行插值计算。
在本发明较佳的实施例中，上述基于时间相关的融合图像采用互相关方法计算流场的速度信息的步骤之后，方法还包括：基于流场的速度信息判断是否违反流场的物理特性；如果是，调整对偏振结果和灰度图像进行图像融合的方法。
在本发明较佳的实施例中，上述流场速度测量系统包括：风洞、粒子发生器、双腔激光器、成像拍摄系统、同步控制系统、图像分析后处理系统和速度场互相关分析系统；成像拍摄系统包括1个CCD相机和2个偏振相机；其中，CCD相机为跨帧CCD相机或PIV CCD相机。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置，流场为超声速或高超声速流场，装置应用于流场速度测量系统，装置包括：标定板图像确定模块，用于基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；风洞运行模块，用于运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动；图像采集模块，用于当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像；偏振结果确定模块，用于基于偏振图像确定偏振结果；图像融合模块，用于对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到时间相关的融合图像；速度信息计算模块，用于基于时间相关的融合图像采用互相关方法计算流场的速度信息。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述的基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的步骤。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置，可以同时获取示踪粒子散射信息的光强信息和偏振信息，将光强信息与偏振信息融合，代替单一光强信息，通过时间相关的融合的图像进行互相关计算，解决单一光强信息在互相关计算中存在的不足，提升基于图像进行速度场测量的精度。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种流场速度的测量过程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种拍摄系统的示意图；
图5为本发明实施例提供一种拍摄测量时序的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种拍摄的原始标定板图像的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种校正后图像的有效拍摄范围的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种灰度图像和偏振图像融合结果的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
目前，已经具备多种超声速/高超声速流场速度测量的技术，以PIV，热线风速仪，皮托管、LDV、MTV等技术为代表。其中，热线风速仪，皮托管只适合于单点测量，无法满足对整个流场速度的空间分布测量。MTV和LDV方法虽然可以进行速度场空间分布的测量，但这些方法的空间分辨率低，无法获得高分辨率流场的空间速度分布。PIV方法以较高的空间分辨率成为超声速/高超声速流场速度测量的主流技术之一。其基本原理是在流场中散播适当的示踪粒子跟随流场一起运动，用脉冲激光片照射被测量流场的切面区域，通过成像系统在极短时间间隔内摄取曝光的两幅时间相关粒子图像，然后运用计算机图像处理的互相关技术从这两幅时间相关粒子图像中获取同一示踪粒子在两幅图像中相对位移Δs，然后再除以两幅图像之间的时间间隔Δt，从而得到流动速度的空间分布。由此可知，PIV技术测量流场速度的关键在于粒子图像的质量。
PIV方法获得的粒子图像，一般是通过捕获粒子被激光照明后发出散射光信号进行成像。粒子的位移是对两幅时间相关粒子图像进行互相关计算后得到，其本质上是基于粒子散射的光强信息进行互相关计算。也就是说，PIV技术以利于散射粒子的光强信息作为计算流场速度场的输入信息。尽管PIV技术成熟，而且已经获得广泛使用。但是在超声速/高超声速流场速度场测量时，仍然面临很多问题。为保证超声速/高超声速流场速度场测量的准确性，要求示踪粒子能够准确跟随流场运动，而超声速/高超声速流场速度高，速度梯度大，加速度变化剧烈，为实现示踪粒子准确跟随剧烈变化的流动，要求示踪粒子尺度极小(纳米量级)，根据光散射的原理，纳米尺度示踪粒子的散射光强信号要比传统PIV技术采用的微米尺度示踪粒子弱几个数量级；而且由于纳米示踪粒子跟随性很好，无法像传统PIV技术一样实现示踪粒子在空间的不均匀分布，这些都导致PIV粒子图像质量下降，如果仍然采用光强图像进行互相关计算，测量的速度结果将会出现较大的偏差。
另外，超声速流场中密度会存在较大变化，有的区域密度高(如激波流场的下游)，有的区域密度低(靠近壁面的区域)，由于纳米示踪粒子的良好跟随性，导致密度高的区域粒子浓度大，图像灰度信号强，而密度低的区域粒子浓度低，图像灰度信号弱。对于密度较高的区域，因为图像灰度高导致图像饱和，使得互相关计算结果出现偏差；而密度低的区域图像灰度低，图像背景噪声信号的影响增加，也会严重影响互相关计算准确性。增加照明激光光强，会提高密度低区域的图像灰度，但同时也使得密度高的区域图像灰度饱和情况加剧；反之，降低光强使得图像灰度饱和减弱，但低密度区域的有效图像信号减弱，噪声干扰增强。尽管开发了许多优化的互相关计算方法，但本质上原始信号的误差很难有效消除，不利于基于图像计算速度场的准确性。
基于此，本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置，具体涉及一种融合光强与偏振信息的图像测速技术和系统，提供一种利用光强信息和偏振信息融合的图像代替传统单一光强图像，基于融合图像进行超声速/高超声速流场速度测量的方法，以提高基于图像测量流场速度方法的精度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，流场为超声速或高超声速流场，该方法应用于流场速度测量系统，参见图1所示的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的流程图，该基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法包括如下步骤：
步骤S102，基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定。
在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型，上述几何模型可以称为标定板。标定板可以为流场速度测量系统的CCD相机和偏振相机分别拍摄得到标定板图像。
步骤S104，运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动。
风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。
纳米粒子是指粒度在1—100nm之间的粒子(纳米粒子又称超细微粒)。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。
流场，是指在一个空气流场里，空气速度、压强等都会发生变化。在飞行的情况下，是由飞行器的运动造成的；在风洞实验里，则是因为在均匀直线气流里放进了模型，模型对气流产生扰动所造成的。是用欧拉法描述的流体质点运动，其流速、压强等函数定义在时间和空间点坐标场上的流速场、压强场等的统称。
步骤S106，当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。
本实施例的激光器可以为双腔激光器，CCD相机可以采集灰度图像，偏振相机可以采集偏振图像。
CCD相机是在安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD相机，CCD是电荷耦合器件的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。
光做为一种电磁波具有振幅、波长、振动方向等特性，一般自然光源(阳光或日光灯)所照射/反射出的振动波不具特定方向。如果振动波只发生在一个平面，电磁场振动方向为一个固定方向，便产生偏振现象，此种光称为偏振光，此时光的振动方向为偏振方向。偏振相机的图像传感器可以将偏振片功能结合于芯片上，提供不同方向的偏振角度，用户可依据需求，针对各定的角度进行图像处理演算，获取所需的影像数据。
步骤S108，基于偏振图像确定偏振结果。
具体地，可以采用偏振信息计算公式，针对标定后的偏振相机图像，分别计算每个偏振相机获取的偏振结果。
步骤S110，对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到时间相关融合图像。
采用图像融合方法，按照不同加权系数或者特征结构提取等方式，对灰度图像和偏振结果进行融合，可以得到融合图像。
步骤S112，基于时间相关的融合图像采用互相关方法计算流场的速度信息。
基于融合图像计算得到的流场的速度信息，可以克服单一光强信息在速度场测量中存在的不足，提高结果精度。
本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，可以同时获取示踪粒子散射信息的光强信息和偏振信息，将光强信息与偏振信息融合，代替单一光强信息，通过时间相关的融合的图像进行互相关计算，解决单一光强信息在互相关计算中存在的不足，提升基于图像进行速度场测量的精度。
实施例二：
本实施例提供了另一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，该方法在上述实施例的基础上实现；从信号分析角度而言，输入信号越多，能够获取的有效信息越多，而且克服单一信号的误差干扰能力越强。本实施例提出同时获取示踪粒子散射信息的光强信息和偏振信息，将光强信息与偏振信息融合，代替单一光强信息，通过时间相关的融合的图像进行互相关计算，解决单一光强信息在互相关计算中存在的不足，提升基于图像进行速度场测量的精度。
具体地，本发明实施例提供的流场速度测量系统包括：风洞、粒子发生器、双腔激光器、成像拍摄系统、同步控制系统、图像分析后处理系统和速度场互相关分析系统；成像拍摄系统包括1个CCD相机和2个偏振相机；其中，CCD相机为跨帧CCD相机或PIV CCD相机。
整个测量系统以传统PIV技术为基础，包括超声速/高超声速风洞，纳米示踪粒子发生器，双腔激光器，成像拍摄系统，同步控制系统，图像分析后处理系统和速度场互相关分析系统等。成像拍摄系统包括PIV技术通常使用的跨帧CCD相机1个，以及2个分焦平面偏振相机。目前偏振相机主要分为分时型和同时型，根据超声速/高超声速流场速度测量要求，必须实时获取偏振信息，因此，采用同时型偏振相机。同时型偏振相机又包括：分振幅型、分孔径型、分焦平面型等，考虑技术成熟和操作使用方便等因素，选择分焦平面型偏振相机。
基于上述描述，参见图2所示的另一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的流程图，该基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法包括如下步骤：
步骤S202，基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定。
参见图3所示的一种流场速度的测量过程示意图，可以先放置图像标定板，布置相机拍摄位置，例如：确定标定板、光源、CCD相机和偏振相机的位置；CCD相机、偏振相机在光源下拍摄标定板的标定图像。
具体地，确定标定板的位置的步骤，包括：确定流场的区域范围，基于区域范围选择标定板；确定标定板的标定面，以使标定面与待测流场的平面重合。
确定风洞实验段内需要测量速度的流场区域范围，根据范围大小选择尺寸合适的图像标定板(可以是棋盘格标定板，也可以是规则分布的点状图像标定板等等，为市场可以买到的成熟产品)，保证标定板上有标识点的区域能够包含待测的流场区域范围。调整标定板的标定面与待测流场平面重合。
具体地，确定光源的位置的步骤，包括：基于标定板的位置确定光源位置，以使光源位置与标定板的平面位置重合。根据标定板位置，调整激光器照明的片光光源位置与标定板平面位置重合，即激光照明测量的流场平面为标定板平面。
具体地，确定CCD相机和偏振相机的位置的步骤，包括：确定CCD相机和偏振相机的拍摄范围一致，并且，拍摄范围覆盖标定板。参见图4所示的一种拍摄系统的示意图，调整相机位置，使跨帧CCD相机和2个偏振相机拍摄区域覆盖标定板范围，且拍摄范围基本一致(使成像分辨率基本一致)。固定相机位置不动，分别拍摄标定板图像，用于后期图像校准。每个相机位置固定以后，在后续测量过程中每个相机的拍摄位置固定不变。
步骤S204，运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动。
如图3所示，可以运行风洞，用相机拍摄实验图像。
步骤S206，当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。
参见图5所示的一种拍摄测量时序的示意图，可以设定流场速度测量系统中各个设备的工作时序，例如：基于激光器的工作时序确定CCD相机和偏振相机的工作时序；CCD相机和偏振相机分别基于CCD相机和偏振相机的工作时序采集纳米粒子的灰度图像和偏振图像。
设定系统工作时序，双腔激光器两路激光依次照明流场，两束激光之间的间隔时间为Δt，Δt具体参数可以根据待测流场的主流速度确定。具体的，待测流场的主流速度在流动方向(x方向)估计值为Ux(超声速/高超声速流场中流向速度一般比法向速度大1-2个数量级，一般只考虑流向流场速度)，速度场测量的拍摄区域在x方向的拍摄范围为L，可以确定拍摄的图像的相机分辨率为
按照PIV互相关原理，常用64个像素查问区，并按照1/4个查问区需要16个像素的原则，确定
考虑到偏振相机和跨帧相机的分辨率不同，需要根据两个相机的具体分辨率计算得到两个时间参数Δt，然后再选择能够两者兼顾的时间参数Δt。此时间参数为预估值，在具体实验测量过程中，如果不合适，可以适当调整。
根据激光器的工作时序和相机响应参数，设定每个相机工作时序。对于跨帧CCD相机，要求相机第一次曝光成像对于对一个激光照明，第二次曝光成像对于第二个激光照明，且不相互影响。对于第一个偏振相机，要求其曝光时间对于第一个激光照明，且不会捕获第二个激光照明的信号；对于第二个偏振相机，要求其曝光时间对于第二个激光照明，且不会捕获第一个激光照明的信号；上述过程完成一个工作周期，下一个工作周期与第一个周期工作时序相同。激光器和各个相机的工作时序通过电脑设定，由高精度同步控制器精确控制。
运行超声速/高超声速风洞，在风洞上游加入纳米示踪粒子跟随流场运动，按照激光器工作时序，双腔激光器在Δt时间间隔内连续两次照明流场，流场中粒子受激光照射发出散射光强信号，跨帧CCD相机和偏振相机分别按照各自工作时序，获取纳米粒子激光散射图像。
具体地，可以根据标定板图像，对CCD相机和偏振相机进行标定，例如：基于标定板图像标定CCD相机和偏振相机；标定后的CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。对CCD相机和偏振相机进行标定，使每个相机拍摄得到的图像具有相同的有效拍摄范围，其对应物理坐标一致。
步骤S208，基于偏振图像确定偏振结果。
如图3所示，可以标定各相机位置，利用偏振相机结果计算偏振度信息。具体地，可以针对标定后的偏振相机图像，分别计算每个偏振相机获取的偏振结果。具体计算公式如下：
其中，P是偏振度，θ是偏振角，I0，I45，I90和I135分别是分焦平面偏振相机4个不同偏振方向获得的图像光强信息。
由于计算得到的偏振图像的分辨率和PIV跨帧CCD相机的分辨率不同，需要通过插值的方法对偏振结果或灰度图像进行插值计算，例如：对偏振结果或灰度图像进行插值计算。
可以使得偏振结果中对应标定板的有效区域与灰度图像中对应标定板的有效区域的图像分辨率一致。
步骤S210，对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到时间相关的融合图像。
如图3所示，可以设定阈值，分区域融合偏振信息和灰度信息，得到融合图像。采用图像融合方法，按照不同加权系数或者特征结构提取等方式，对灰度图像和偏振结果进行融合。具体融合方法不唯一，以下为其中一种具体实现方式：以跨帧CCD图像为基准，设定图像阈值，当图像灰度低于下限阈值(比如灰度小于平均灰度的30％)或高于上限阈值(比如灰度大于平均灰度的3倍)的区域，图像融合中偏振结果的加权系数高于灰度图像，以偏振结果占融合图像的主导，对未超出上下限阈值且图像特征结构明显的区域，仍以灰度图像占主导，采用分区的方式，得到最终的融合图像。
步骤S212，基于时间相关的融合图像采用互相关方法计算流场的速度信息。
如图3所示，可以采用互相关计算融合图像，获取速度场信息。采用成熟的互相关图像计算方法，计算图像融合后的两幅时间连续图像，获取对应特征结构位移距离，再除以时间参数Δt，得到速度场分布结果。再根据传统PIV速度测量的方法，采用互相关计算跨帧CCD两幅时间连续图像，作为速度场的参考结果。
步骤S214，基于流场的速度信息判断是否违反流场的物理特性或者与速度场参考结果存在明显差异；如果是，调整对偏振结果和灰度图像进行图像融合的方法。
根据流动连续性原理、特征流动结构速度分布特征(比如边界层速度分布，激波前后速度分布)等物理特性，同时光强图像的速度场计算结果也可以作为参考，判断计算的速度场结果是否存在明显违反物理特性的速度结果。如果存在明显违反物理特性结果，需修改图像融合方法，改变参数，重新计算融合图像，再次按照上述步骤计算速度场结果。
对于相关技术的实验验证，可以参见图6所示的一种拍摄的原始标定板图像的示意图，图7所示的一种校正后图像的有效拍摄范围的示意图，已经图8所示的一种灰度图像和偏振图像融合结果的示意图。如图6-图8所示，可以看出本发明实施例提供上述方法可行，切记有良好的精度。
综上，本发明实施例提供的上述方法，可以用流场偏振信息和光强信息的代替传统单一灰度信息的测量方法；可以通过图像融合，将多种信息作为速度场计算的输入变量；可以基于信息融合的图像测速技术的拍摄方法和拍摄系统。该方式中，可以克服单一光强信息在速度场测量中存在的不足，提高结果精度；以现有设备为基础，可以在提高测量精度的同时，增加较低的成本。
实施例三：
对应于上述方法实施例，本发明实施例提供了一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置，应用于流场速度测量系统，参见图9所示的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置的结构示意图，该基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置包括：
标定板图像确定模块91，用于基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；
风洞运行模块92，用于运行风洞，在风洞的上游加入纳米粒子跟随流场运动；
图像采集模块93，用于当激光器基于激光器的工作时序照明流场时，CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像；
偏振结果确定模块94，用于基于偏振图像确定偏振结果；
图像融合模块95，用于对偏振结果和灰度图像进行图像融合，得到时间相关的融合图像；
速度信息计算模块96，用于基于时间相关的融合图像采用互相关方法计算流场的速度信息。
本发明实施例提供的一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置，可以同时获取示踪粒子散射信息的光强信息和偏振信息，将光强信息与偏振信息融合，代替单一光强信息，通过时间相关的融合的图像进行互相关计算，解决单一光强信息在互相关计算中存在的不足，提升基于图像进行速度场测量的精度。
上述标定板图像确定模块，用于确定标定板、光源、CCD相机和偏振相机的位置；CCD相机、偏振相机在光源下拍摄标定板的标定图像。
上述标定板图像确定模块，用于确定流场的区域范围，基于区域范围选择标定板；确定标定板的标定面，以使标定面与流场的平面重合；上述标定板图像确定模块，用于基于标定板的位置确定光源位置，以使光源位置与标定板的平面位置重合；上述标定板图像确定模块，用于确定CCD相机和偏振相机的拍摄范围一致，并且，拍摄范围覆盖标定板。
上述图像采集模块，用于基于激光器的工作时序确定CCD相机和偏振相机的工作时序；CCD相机和偏振相机分别基于CCD相机和偏振相机的工作时序采集纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。
上述图像采集模块，用于基于标定板图像标定CCD相机和偏振相机；标定后的CCD相机和偏振相机分别采集纳米粒子的灰度图像和偏振图像。
参见图10所示的另一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置的结构示意图，该基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置还包括：插值计算模块97，偏振结果确定模块94、插值计算模块97、图像融合模块95依次连接，插值计算模块97用于对偏振结果或灰度图像进行插值计算。
如图10所示，该基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置还包括：融合方法调整模块98，与速度信息计算模块96连接，融合方法调整模块98用于基于流场的速度信息判断是否违反流场的物理特性；如果是，调整对偏振结果和灰度图像进行图像融合的方法。
上述流场速度测量系统包括：风洞、粒子发生器、双腔激光器、成像拍摄系统、同步控制系统、图像分析后处理系统和速度场互相关分析系统；成像拍摄系统包括1个CCD相机和2个偏振相机；其中，CCD相机为跨帧CCD相机或PIV CCD相机。
本发明实施例提供的基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置，与上述实施例提供的基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
实施例四：
本发明实施例还提供了一种电子设备，用于运行上述基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法；参见图11所示的一种电子设备的结构示意图，该电子设备包括存储器100和处理器101，其中，存储器100用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器101执行，以实现上述基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法。
进一步地，图11所示的电子设备还包括总线102和通信接口103，处理器101、通信接口103和存储器100通过总线102连接。
其中，存储器100可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口103(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线102可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图11中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器100，处理器101读取存储器100中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法和装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，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精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法，其特征在于，所述流场为超声速或高超声速流场，所述方法应用于流场速度测量系统，所述方法包括：
基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；
运行风洞，在所述风洞的上游加入纳米粒子跟随所述流场运动；
当激光器基于所述激光器的工作时序照明所述流场时，CCD相机和偏振相机分别采集所述纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像；
基于所述偏振图像确定偏振结果；
对所述偏振结果和所述灰度图像进行图像融合，得到时间相关的融合图像；
基于所述时间相关的融合图像采用互相关方法计算所述流场的速度信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定的步骤，包括：
确定标定板、光源、CCD相机和偏振相机的位置；
所述CCD相机、所述偏振相机在所述光源下拍摄所述标定板的标定板图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定标定板的位置的步骤，包括：确定所述流场的区域范围，基于所述区域范围选择标定板；确定所述标定板的标定面，以使所述标定面与所述流场的平面重合；
确定光源的位置的步骤，包括：基于所述标定板的位置确定光源位置，以使所述光源位置与标定板的平面位置重合；
确定CCD相机和偏振相机的位置的步骤，包括：确定CCD相机和偏振相机的拍摄范围一致，并且，所述拍摄范围覆盖所述标定板。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，CCD相机和偏振相机分别采集所述纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像的步骤，包括：
基于所述激光器的工作时序确定所述CCD相机和所述偏振相机的工作时序；
所述CCD相机和所述偏振相机分别基于所述CCD相机和所述偏振相机的工作时序采集所述纳米粒子的灰度图像和偏振图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，CCD相机和偏振相机分别采集所述纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像的步骤，包括：
基于所述标定板图像标定CCD相机和偏振相机；
标定后的所述CCD相机和所述偏振相机分别采集所述纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述偏振图像确定偏振结果的步骤之后，所述方法还包括：
对所述偏振结果或所述灰度图像进行插值计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述时间相关的融合图像采用互相关方法计算所述流场的速度信息的步骤之后，所述方法还包括：
基于所述流场的速度信息判断是否违反所述流场的物理特性；
如果是，调整对所述偏振结果和所述灰度图像进行图像融合的方法。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流场速度测量系统包括：风洞、粒子发生器、双腔激光器、成像拍摄系统、同步控制系统、图像分析后处理系统和速度场互相关分析系统；所述成像拍摄系统包括1个所述CCD相机和2个所述偏振相机；其中，所述CCD相机为跨帧CCD相机或PIV CCD相机。
9.一种基于融合光强和偏振信息的流场速度测量装置，其特征在于，所述流场为超声速或高超声速流场，所述装置应用于流场速度测量系统，所述装置包括：
标定板图像确定模块，用于基于不同拍摄位置的相机的标定板图像进行相机标定；
风洞运行模块，用于运行风洞，在所述风洞的上游加入纳米粒子跟随所述流场运动；
图像采集模块，用于当激光器基于所述激光器的工作时序照明所述流场时，CCD相机和偏振相机分别采集所述纳米粒子的时间相关灰度图像和时间相关偏振图像；
偏振结果确定模块，用于基于所述偏振图像确定偏振结果；
图像融合模块，用于对所述偏振结果和所述灰度图像进行图像融合，得到时间相关的融合图像；
速度信息计算模块，用于基于所述时间相关的融合图像采用互相关方法计算所述流场的速度信息。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1-8任一项所述的基于融合光强和偏振信息的流场速度测量方法的步骤。
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