CN115963292A - 一种基于可调谐激光器的微流场测速装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调谐激光器的微流场测速装置和方法，其中的测速装置包括可调谐激光器：包括泵浦光源、平面镜M1‑M4、增益介质层、倍频晶体、电动旋转位移台；微流场测速模块：包括出射导管、微流场模拟玻片、恒压注射泵、二向色分光镜、滤光片、高倍显微镜、高速相机；Android终端：包括处理器和存储有若干计算机指令的存储器。测速方法采用基于统计平均方法的PIV算法进行位移分析，通过图像模板匹配计算两幅图像中粒子区域的相似度，将相关系数最大的区域视为粒子经过一定时间后位移到达的区域，求出粒子的位移，除以两幅图像的时间间隔后得到流场的速度分布。本装置和方法使检测精度提高，适用场景更加多样化。

Description

一种基于可调谐激光器的微流场测速装置和方法

技术领域

本发明涉及微流场测速技术领域，具体涉及一种基于可调谐激光器的微流场测速装置及测速方法。

背景技术

流场测量分析广泛存在于航空航天、核能热能、化工冶炼、水文地质和大气污染等工程与学术研究领域中，如飞行器外形设计、燃烧室和反应堆内多相流动、气力水力输送、粉尘分离收集等等。当前对流场测速技术的研究主要以水动力实验和空气动力实验为依托，这两种实验中采用的主要技术有：Pitot法、热线热膜流速计测速法、超声波/激光多普勒测速法、激光散斑全场测速法、粒子跟踪测速技术以及本发明研究的粒子图像测速技术(ParticleImage Velocimetry，简称PIV)等。

传统流场测量技术主要存在的问题有：

1、接触式测量，对流场存在较大的干扰，对流场测量的结果有直接的影响。理想的流速测量是对流场的影响尽可能的小，凡是能够采用无干扰流动显示的实验环境，应尽可能优先还原流场内部概貌。以Pitot法和热线热膜流速计测速为例，二者的探针会对流场内部流动产生影响，且接触式测量技术在流场存在着探针不易固定的问题，实验过程中限制条件较多，不具备广泛的适用性。

2、测量范围小，多数只能进行单点或若干点位的测量。Pitot法和热线热膜流速计测速只能进行单点测量，采用超声波和激光的超声波多普勒测速仪和激光多普勒测速法尽管能够实现无接触测量，但得到依旧是流场内单点或若干点位的速度分布，无法满足同时测量较大区域内整体流场速度分布的需求。

PIV技术则能较好地解决这些问题，其基本原理是在流场中散播适当的示踪粒子，用光源照射待测区域的切面，通过相机获取曝光的粒子图像，从所得图像集中取目标图像，结合图像处理技术对其中示踪粒子进行分析得到粒子位移，除以极短的曝光时间后，可近似得到测量范围内流场内部瞬时速度，从而实现大面积、无接触、瞬时流场测量。

按照国际流体动力学机构的划分，将特征尺度在1um到1mm之间的流动界定为微尺度流动，应用于微流场测量的PIV技术被称作Micro-PIV技术。Micro-PIV技术对流场中播撒的示踪粒子要求更高，粒子的选择更为严格。一方面，微流场分析中选用粒子的粒径一般控制在数百纳米大小，由于该尺寸大小的普通粒子散射光强度无法满足成像要求，需辅以平面激光诱导荧光技术进行显示测量，荧光示踪法的关键是选择合适的激发光源与荧光示踪粒子相匹配，从而产生足够强度的荧光信号为相机所接收。另一方面，示踪粒子的选用应遵循不对流场产生干扰、不对流道造成堵塞等基本原则，在现阶段的研究中，针对不同的应用场景需要使用不同材质的颗粒作为示踪粒子，然而由于所研究微流场本身的物理化学性质的不同，粒子选用的原则也各不相同。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于可调谐激光器的微流场测速装置及测速方法，其中的测速方法执行于一种基于可调谐激光器的微流场测速装置中，采用基于统计平均方法的PIV算法进行位移分析，包括以下步骤：

S1、利用一种基于可调谐激光器的微流场测速装置获得粒子图像；

S2、在t时刻的粒子图像中取一点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为wh和ww的查询窗口F(x，y)；

S3、在t+Δt时刻的粒子图像中搜寻与F(x，y)大小一致的、最为相似的窗口，将其认定为t时刻图像中以(x，y)为中心的查询窗口中绝大部分示踪粒子经过时间Δt移动后到达的地方；并在t+Δt时刻图像中取点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为N×wh和N×ww的查询窗口G(x，y)；

S4、将t时刻的查询窗口F(x，y)在t+Δt时刻的搜索窗口G(x，y)上进行逐点平移，得到窗口G’(x+u，y+v)，u和v分别为点(x，y)在Δt时间内的水平和垂直位移；

S5、遍历t时刻图像中的像素点，用归一化相关函数衡量图像匹配的相似性。

S6、根据衡量的图像匹配的相似性结果，当相关系数低于设定值时，向一种基于可调谐激光器的微流场测速装置的激发光源发送反馈信号调节激发光源的功率。

进一步地，S2中所述查询窗口F(x，y)的灰度函数为：

S3中所述查询窗口G(x，y)的灰度函数为：

S4中，搜索窗口中以(x+u，y+v)为中心的，高和宽分别为wh和ww的子搜索窗口G′灰度函数为：

其中x，y，wh，ww，m，n，u，v均为非负整数。

进一步地，F(x，y)与G’(x+u，y+v)的归一化相关函数为：

进一步地，基于快速傅里叶变换的PIV算法将空间域相关系数的计算转换为频域的乘法计算公式：

R＝F^-1((f)×(F(g))^*)

其中F为傅里叶变换，F^-1为傅里叶逆变换，()^*为取复共轭，f表示t时刻图像中某查询窗口灰度函数，g表示t+Δt时刻图像中某搜索窗口灰度函数，F(f)和F(g)为二者对应的傅里叶变换结果。

其中的测速装置包括：可调谐激光器、微流场测速模块、Android终端；

所述可调谐激光器包括：泵浦光源、平面镜M1、增益介质层、平面镜M2、平面镜M3、倍频晶体、电动旋转位移台、平面镜M4；

所述电动旋转位移台置于所述倍频晶体下方，所述泵浦光源发出的激光依次经过所述平面镜M1、增益介质层、平面镜M2、平面镜M3、倍频晶体、平面镜M4，得到具有波长调谐精度为1nm的连续可调谐激光输出；

所述微流场测速模块包括：出射导管、微流场模拟玻片、恒压注射泵、二向色分光镜、滤光片、高倍显微镜、高速相机；

所述Android终端包括处理器和存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至权利要求4中任一项所述方法的步骤；

所述可调谐激光器产生的入射光以45°角斜射到二向色分光镜上，二向色分光镜以45°角反射，垂直照射到微流场区域，激发示踪粒子产生荧光反应，发射出特定波长的荧光，部分荧光通过二向色分光镜的透射，继续经过荧光滤波片，滤除大部分非荧光波段的自然光，留下波谱较窄的荧光信号，经过显微镜被高速相机所接收；高速相机记录流场运动的视频数据后，将数据通过USB数据线传输至Android终端。

进一步地，所述泵浦光源为脉冲激光器。

进一步地，所述平面镜M1靠近泵浦光源的一侧镀增透膜和高反射膜，另一侧旋涂增益介质层，用于产生基频光。

进一步地，所述平面镜M2为线偏振片，用于将所述基频光转化成线偏振光，使偏振方向垂直于倍频晶体入射面。

进一步地，所述平面镜M3为二次谐波镜，左侧镀增透膜和高反射膜，右侧镀增透膜。

进一步地，所述平面镜M4为输出镜，靠近晶体的一侧镀高反射膜和增透膜，另一侧镀增透膜。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)一般光学装置的出射光路和入射光路在结构上是分离的，检测目标只能位于两条光路的交点处，既限制了检测范围，又由于流场的光入射面和出射面不在同一平面，造成检测精度的降低。本装置使用二向色分光镜为核心的光学器件，实现激发光出射光路和荧光入射光路同轴复用形式，可调谐激光器的激发光入射光路和流场中示踪粒子的激发荧光入射光路相互独立；经二向色分光镜反射后的激发光出射光路和经二向色分光镜透射后的荧光出射光路因二向色分光镜的反射和透射作用而复用至一条同轴光路，该同轴光路使检测目标可以位于设备外同轴光路上的任意一点，使待测目标与装置的距离可在一定范围内变化，应用场景更加灵活，降低了装置的操作难度和复杂度，同时提高了检测精度；

(2)本装置在发射端采用可调谐光源出射特定波长的激光，能出射一定波段范围内的多种波长激光，可根据不同流场中不同示踪粒子的荧光特性来选择对应波长的激发光，接收端采用荧光滤光片过滤出特定波长的荧光。不同种类的荧光示踪粒子的激发光波长不同，通过以光学倍频为原理的可调谐激光器，使本装置能够广泛应用于各种需要使用荧光示踪的场景，从而让高速相机记录下准确的荧光信号；

(3)Android端搭载的分析软件使用性能较强的C++语言进行基于FFT的PIV算法编写，将处理所得结果交由Android端适配良好的Java程序调用显示。发挥了两种语言各自的优势，使得数据处理速度大幅提高，软件的整体性能也得到提升，使用Android终端对相机捕获的视频数据进行处理，摒弃了传统PIV处理装置所需的计算机，降低了分析装置整体的设备复杂度，可携带性好，且装置存在闭环反馈，使PIV测速装置更加整体化，适用场景更加多样化。

附图说明

图1为本发明一种基于可调谐激光器的微流场测速装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于可调谐激光器的微流场测速装置中的可调谐激光器光路结构。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明提供一种基于可调谐激光器的微流场测速装置及测速方法，其中的测速方法执行于一种基于可调谐激光器的微流场测速装置中，由于流场中每个示踪粒子的速度大小和方向都具有较大的随机性，且粒子的尺寸非常小，所以要准确地反映流场运动情况，需要投放大量的示踪粒子，因此很难在流场中找到某个粒子具体的运动轨迹。传统求解位移的方法无法处理运动轨迹未知的情况，故本测速方法采用基于统计平均方法的PIV算法进行位移分析，通过图像模板匹配计算两幅图像中粒子区域的相似度，将相关系数最大的区域视为粒子经过一定时间后位移到达的区域，从而求出粒子的位移，除以两幅图像的时间间隔后得到流场的速度分布。包括以下步骤：

S1、利用一种基于可调谐激光器的微流场测速装置获得粒子图像；

S2、在t时刻的粒子图像中取一点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为wh和ww的查询窗口F(x，y)，查询窗口F(x，y)的灰度函数为：

S3、此时需要在t+Δt时刻的粒子图像中搜寻与F(x，y)大小一致的、最为相似的窗口，将其认定为t时刻图像中以(x，y)为中心的查询窗口中绝大部分示踪粒子经过时间Δt移动后到达的地方。同样在t+Δt时刻图像中取点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为N×wh和N×ww的查询窗口G(x，y)，查询窗口G(x，y)的灰度函数为：

S4、将t时刻的查询窗口F(x，y)在t+Δt时刻的搜索窗口G(x，y)上进行逐点平移，得到窗口G’(x+u，y+v)，u和v分别为点(x，y)在Δt时间内的水平和垂直位移，搜索窗口中以(x+u，y+v)为中心的，高和宽分别为wh和ww的子搜索窗口G′灰度函数为：

其中x，y，wh，ww，m，n，u，v均为非负整数。

S5、遍历t时刻图像中的像素点，用归一化相关函数衡量图像匹配的相似性。F(x，y)与G’(x+u，y+v)的归一化相关函数为：

当相关系数R(u，v)取最大值时，视G’(x+u,y+v)窗口为F(x，y)经过时间Δt位移后达到的地方，u和v分别为点(x,y)在Δt时间内的水平和垂直位移。由此可得t时刻图像中某一位置的位移矢量，遍历t时刻图像中的像素点，分别进行相似性判断后，即可得到整个观测区域的位移矢量，从而计算出Δt内的速度场分布，当Δt足够小时，可认为该速度场为微流场在t时刻的瞬时速度分布。

PIV算法计算位移的精度较高，可测量的速率范围大，但所需计算量较多，处理大面积高分辨率图像时需要耗费较长的时间。本测速方法采用基于快速傅里叶变换(FastFourier Transform，简称FFT)的PIV算法将空间域相关系数的计算转换为频域的乘法计算：

R＝F^-1(F(f)×(F(g))^*)

其中F为傅里叶变换，F^-1为傅里叶逆变换，()^*为取复共轭，f表示t时刻图像中某查询窗口灰度函数，g表示t+Δt时刻图像中某搜索窗口灰度函数，F(f)和F(g)为二者对应的傅里叶变换结果。基于FFT的PIV算法大幅降低了计算粒子位移所需的运算量，缩短了PIV软件分析处理图像所需的时间，提高了装置工作效率。

S6、根据衡量的图像匹配的相似性结果，当相关系数低于设定值时，向激发光源发送反馈信号调节激发光源的功率。

请参考图1，图1为本发明一种基于可调谐激光器的微流场测速装置的结构示意图。

其中的测速装置包括：可调谐激光器、微流场测速模块、Android终端。

请参考图2，图2为本发明一种基于可调谐激光器的微流场测速装置中的可调谐激光器光路结构。

可调谐激光器包括：泵浦光源、平面镜M1、增益介质层、平面镜M2、平面镜M3、倍频晶体、电动旋转位移台、平面镜M4。

本装置采用脉冲激光器作为泵浦光源，以光学倍频为原理，选用激光染料作为可调谐激光器的增益介质，以光学倍频晶体作为激光器倍频模块，脉冲激光器发出激光后经过装置搭建的光路后，得到具有一定波长范围的、调谐精度为1nm的连续可调谐激光输出，为微流场中的示踪粒子提供了稳定可调的激发光源。

平面镜M1靠近泵浦光源的一侧镀增透膜和高反射膜，另一侧旋涂增益介质层，用于产生基频光；平面镜M2为线偏振片，用于将基频光转化成线偏振光，使偏振方向垂直于倍频晶体入射面；平面镜M3为二次谐波镜，左侧镀增透膜和高反射膜，右侧镀增透膜；平面镜M4为输出镜，靠近晶体的一侧镀高反射膜和增透膜，另一侧镀增透膜。平面镜M1和M4对基频光的高反特性使得基频光反复通过倍频晶体，大幅度提高了倍频转化效率和基频光功率密度。此外，平面镜M3对激光的高反特性将倍频晶体产生的倍频光隔离在增益介质之外，降低了激光辐射对增益介质的损害，提高了增益介质层的使用寿命。同时，为提高晶体倍频效率，本装置采用相位匹配技术，通过分辨率为0.01°的电动旋转位移台对晶体光轴与线偏振光光的夹角进行微调，从而满足相位匹配条件，使晶体倍频效率达到最高。

所述微流场测速模块包括：出射导管、微流场模拟玻片、恒压注射泵、二向色分光镜、滤光片、高倍显微镜、高速相机。

Android终端包括处理器和存储有若干计算机指令的存储器，计算机指令被处理器执行时实现一种基于可调谐激光器的微流场测速方法的步骤。

可调谐激光器产生的入射光以45°角斜射到二向色分光镜上，二向色分光镜以45°角反射，垂直照射到微流场区域，激发示踪粒子产生荧光反应，发射出特定波长的荧光，部分荧光通过二向色分光镜的透射，继续经过荧光滤波片，滤除大部分非荧光波段的自然光，留下波谱较窄的荧光信号，经过显微镜被高速相机所接收；高速相机记录流场运动的视频数据后，将数据通过USB数据线传输至Android终端。Android终端搭载有自主开发的PIV分析软件，软件接收到视频数据后，将其保存到终端内存中。软件可对视频图像信息进行分析，根据图像评价结果决定是否向激发光源发送反馈信号调节激发光源的功率，使记录的流场图像质量更高，提升流场分析原始数据的清晰度。

所用的二向色分光镜是同轴光路的核心器件，该器件在激发光波段表现为反射特性，示踪粒子产生的荧光波段表现为透射特性，本实施例装置中反射率和折射率都在95％以上。

本装置采用收发同轴光路，将可调谐激光器激光入射光路和荧光出射光路复用至同轴光路上。内部用于模拟微流场的玻片置于同轴光路中最适宜观察的位置，流场中示踪粒子在入射激光的照射下激发出荧光，荧光信号通过同轴光路被高速相机捕获，从而记录流场运动信息。

本发明的测速装置使用二向色分光镜为核心的光学器件，实现激发光出射光路和荧光入射光路同轴复用形式，使待测目标与装置的距离可在一定范围内变化；在发射端采用可调谐光源出射特定波长的激光，接收端采用荧光滤光片过滤出特定波长的荧光。不同种类的荧光示踪粒子的激发光波长不同，通过以光学倍频为原理的可调谐激光器，使本系统能够广泛应用于各种需要使用荧光示踪的场景；本发明的测速方法创新性地将Android终端作为分析软件的平台，保证高性能处理数据的同时，能够更加快速且方便地完成对待测流场的检测。

上面结合附图对本发明的示例进行了描述，但是本发明并不将优先于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于可调谐激光器的微流场测速方法，执行于一种基于可调谐激光器的微流场测速装置中，采用基于统计平均方法的PIV算法进行位移分析，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用一种基于可调谐激光器的微流场测速装置获得粒子图像；

S2、在t时刻的粒子图像中取一点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为wh和ww的查询窗口F(x，y)；

S3、在t+Δt时刻的粒子图像中搜寻与F(x，y)大小一致的、最为相似的窗口，将其认定为t时刻图像中以(x，y)为中心的查询窗口中绝大部分示踪粒子经过时间Δt移动后到达的地方；并在t+Δt时刻图像中取点(x，y)，围绕该点取高和宽分别为N×wh和N×ww的查询窗口G(x，y)；

S4、将t时刻的查询窗口F(x，y)在t+Δt时刻的搜索窗口G(x，y)上进行逐点平移，得到窗口G’(x+u，y+v)，u和v分别为点(x，y)在Δt时间内的水平和垂直位移；

S5、遍历t时刻图像中的像素点，用归一化相关函数衡量图像匹配的相似性；

S6、根据衡量的图像匹配的相似性结果，当相关系数低于设定值时，向一种基于可调谐激光器的微流场测速装置的激光器发送反馈信号调节激发光源的功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速方法，其特征在于，S2中所述查询窗口F(x，y)的灰度函数为：

S3中所述查询窗口G(x，y)的灰度函数为：

S4中，搜索窗口中以(x+u，y+v)为中心的，高和宽分别为wh和ww的子搜索窗口G’灰度函数为：

其中x，y，wh，ww，m，n，u，v均为非负整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速方法，其特征在于，F(x，y)与G’(x+u，y+v)的归一化相关函数为：

4.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速方法，其特征在于，基于快速傅里叶变换的PIV算法将空间域相关系数的计算转换为频域的乘法计算公式：

R＝F^-1(F(f)×(F(g))^*)

其中F为傅里叶变换，F^-1为傅里叶逆变换，()^*为取复共轭，f表示t时刻图像中某查询窗口灰度函数，g表示t+Δt时刻图像中某搜索窗口灰度函数，F(f)和F(g)为二者对应的傅里叶变换结果。

5.一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、微流场测速模块、Android终端；

所述可调谐激光器包括：泵浦光源、平面镜M1、增益介质层、平面镜M2、平面镜M3、倍频晶体、电动旋转位移台、平面镜M4；

所述电动旋转位移台置于所述倍频晶体下方，所述泵浦光源发出的激光依次经过所述平面镜M1、增益介质层、平面镜M2、平面镜M3、倍频晶体、平面镜M4，得到具有波长调谐精度为1nm的连续可调谐激光输出；

所述微流场测速模块包括：出射导管、微流场模拟玻片、恒压注射泵、二向色分光镜、滤光片、高倍显微镜、高速相机；

所述Android终端包括处理器和存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至权利要求4中任一项所述方法的步骤；

所述可调谐激光器产生的入射光以45°角斜射到二向色分光镜上，二向色分光镜以45°角反射，垂直照射到微流场区域，激发示踪粒子产生荧光反应，发射出特定波长的荧光，部分荧光通过二向色分光镜的透射，继续经过荧光滤波片，滤除大部分非荧光波段的自然光，留下波谱较窄的荧光信号，经过显微镜被高速相机所接收；高速相机记录流场运动的视频数据后，将数据通过USB数据线传输至Android终端。

6.根据权利要求5所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，所述泵浦光源为脉冲激光器。

7.根据权利要求6所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，所述平面镜M1靠近泵浦光源的一侧镀增透膜和高反射膜，另一侧旋涂增益介质层，用于产生基频光。

8.根据权利要求7所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，所述平面镜M2为线偏振片，用于将所述基频光转化成线偏振光，使偏振方向垂直于倍频晶体入射面。

9.根据权利要求8所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，所述平面镜M3为二次谐波镜，左侧镀增透膜和高反射膜，右侧镀增透膜。

10.根据权利要求9所述的一种基于可调谐激光器的微流场测速装置，其特征在于，所述平面镜M4为输出镜，靠近晶体的一侧镀高反射膜和增透膜，另一侧镀增透膜。

Images