CN117348266A - 一种用于piv系统的激光散斑生成装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光谱领域，公开了一种用于PIV系统的激光散斑生成装置及方法，解决了现有技术测试过程复杂，时间和经济成本高的问题。技术要点：第一激光器前方依次设置匀化器、散斑镜、成像透镜，成像透镜前方设置反射镜，反射镜的安装架上设置有挡板；光电探测器布设在第二激光器的激光发射路径上，挡板在反射镜的带动下旋转周期性的遮挡第二激光器发射至光电探测器的激光，第一激光器发射的激光经反射镜反射后到达幕布，相机拍摄幕布上的成像；利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，评估PIV系统的速度测量精度。本发明在较低成本条件下实现风洞试验前的PIV系统软硬件参数调试，提高了高速风洞试验效率。

Description

一种用于PIV系统的激光散斑生成装置与方法

技术领域

本发明涉及激光光谱领域，更具体地涉及一种用于PIV系统的激光散斑生成装置与方法。

背景技术

PIV（粒子图像测速技术，Particle Image Velocimetry）是一种非接触流场速度矢量测量技术。其基本原理是在待测流场中播撒示踪粒子，利用脉冲片状光束照射待测流场，产生粒子散射信号。通过连续两次或多次曝光，粒子散射图像就会被双帧相机采集。再利用互相关算法处理粒子图像，获得流场速度分布。PIV技术广泛的应用于流体力学理论研究和航空航天工程实验，其最大优势在于可以实现瞬态全局速度场分布测量，可以更多的提取流场信息。

在PIV技术的实际应用中，根据所测速度选取合适的相机参数和算法对于测量精度至关重要。但是通过试验进行相关测试需要走完程序流程，过程复杂，时间和经济成本较高。特别是亚跨超声速流场，测试成本更为高昂。基于该局限性，本发明提出了可以发射特定速度的激光散斑装置，用于PIV系统测速精度的评估，进而在较低成本的条件下实现风洞试验前的PIV系统软硬件参数调试。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于PIV系统的激光散斑生成装置与方法。

本发明采用的具体方案为：一种用于PIV系统的激光散斑生成装置，所述装置包括第一激光器、第二激光器，所述第一激光器前方依次设置匀化器、散斑镜、成像透镜，所述成像透镜前方设置反射镜，反射镜的安装架上设置有挡板，所述反射镜与电机连接；所述第二激光器前方设置光电探测器，所述光电探测器布设在第二激光器的激光发射路径上，所述光电探测器分别与示波器、时序控制器连接，所述时序控制器分别与第一激光器、相机连接，所述挡板在所述反射镜的带动下旋转周期性遮挡第二激光器发射至光电探测器的激光，所述相机前方设置幕布，所述第一激光器发射的激光经反射镜反射后到达幕布，所述相机拍摄幕布上的激光散斑成像。

所述相机的镜头前安装有滤光片。

所述第一激光器为双腔脉冲激光器。

所述第二激光器为连续激光器。

所述相机为双帧相机。

另一方面，本发明提供一种用于PIV系统的激光散斑生成方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、开启第一激光器，产生激光散斑；开启相机和时序控制器，调节相机与第一激光器，对幕布上的激光散斑进行对焦成像；

步骤二、开启电机、第二激光器和光电探测器，确定所述装置的激光散斑在幕布上出现的位置是否是不变的；

步骤三、调节反射镜的转速，获得所需移动速度的激光散斑，利用相机拍摄激光散斑图像，利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，得到PIV测速精度，若测量误差高于风洞试验测量误差要求，则相机参数和算法参数选择还需要优化，经过优化后再进行步骤一到步骤三，直到PIV测速精度满足要求为止。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明提供一种用于PIV系统的激光散斑生成装置与方法，本发明为能够产生特定速度的激光散斑装置，本发明中与反射镜连接的电机带动反射镜自转，反射镜带动与其相连接的挡板旋转，挡板在随反射镜自转的过程中会周期性的挡住第二激光器信号入射到光电探测器中，因此当挡板转过某一特定角度时，光电探测器就发射上升沿信号，该信号用于触发时序控制器进而触发第一激光器和相机，每一次出现在幕布上的激光散斑位置是固定的，实现了锁相功能，便于相机采集激光散斑图像，用信号线连接光电探测器和示波器，示波器可以实时显示反射镜的实际转速。本发明利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，评估PIV系统的速度测量精度，进而在较低成本的条件下实现风洞试验前的PIV系统软硬件参数调试，提高了高速风洞试验效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，附图标记分别为：

1.第一激光器，2.第二激光器，3.匀化器，4.散斑镜，5.成像透镜，6.反射镜，7.挡板，8.光电探测器，9.示波器，10.时序控制器，11.幕布，12.滤光片，13.相机。

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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明中，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。

结合附图1，本发明提供一种用于PIV系统的激光散斑生成装置，所述装置包括第一激光器1、第二激光器2，所述第一激光器1前方依次设置匀化器3、散斑镜4、成像透镜5，所述成像透镜5前方设置反射镜6，所述反射镜6底部设置挡板7，所述反射镜6与电机连接；所述第二激光器2前方设置光电探测器8，所述光电探测器8布设在第二激光器2的激光发射路径上，所述光电探测器8分别与示波器9、时序控制器10连接，所述时序控制器10分别与第一激光器1、相机13连接，所述挡板7在所述反射镜6的带动下旋转周期性遮挡第二激光器2发射至光电探测器8的激光，所述相机13前方设置幕布11，所述第一激光器1发射的激光经反射镜6反射后到达幕布11，所述相机13拍摄幕布11上的激光散斑成像。

所述相机13的镜头前设置有滤光片12。所述第一激光器1为双腔脉冲激光器。所述第二激光器2为连续激光器。所述相机13为双帧相机。

本发明中的挡板7在随反射镜6自转的过程中会周期性的挡住第二激光器2信号入射到光电探测器8中，因此当挡板7转过某一特定角度时，不被遮挡的激光信号会入射到光电探测器8，此时光电探测器8发射上升沿信号，该信号用于触发时序控制器10进而触发第一激光器1和相机13，因此激光散斑只有在反射镜6转过该特定角度时才会出现，即每一次出现在幕布11上的位置是固定的，实现了锁相功能，便于相机采集激光散斑图像；用信号线连接光电探测器8和示波器9，示波器9可以实时显示反射镜6的实际转速。

本发明提供一种用于PIV系统的激光散斑生成方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、开启第一激光器1，产生激光散斑；开启相机13和时序控制器10，调节相机13与第一激光器1，对幕布11上的激光散斑进行对焦成像；

步骤二、开启电机、第二激光器2和光电探测器8，确定所述装置的激光散斑在幕布11上出现的位置是否是不变的；

步骤三、调节反射镜6的转速，获得所需移动速度的激光散斑，利用相机13拍摄激光散斑图像，利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，评估PIV系统的速度测量精度。

所述互相关算法具体计算过程如下所述：

互相关算法将两张图像的偏移估计为比原始图像分辨率更精细的分辨率，两张图像的二维离散互相关定义为：

；

其中，为原始图像中/>点的像素灰度值，/>为发生微小移动后的图像灰度值，/>和/>分别为发生微小移动前和移动后的平均值，/>为互相关系数r的位置索引；在实际计算中，为了降低计算的时间复杂度，常采用二维傅里叶变化的方式，该方法相较实际计算更快。具体计算为：

；

其中，为傅里叶变换，/>为傅里叶变换后的/>，F为傅里叶变换后的/>，然后取的复共轭/>，并将傅里叶变换的结果按元素相乘，得到/>，即：

；

其中，为运算过程中的中间系数，运算符/>为矩阵对应元素乘法，然后对/>进行傅里叶逆变换运算，获得相关系数矩阵/>，即：

；

此时，对求最大值位置所在坐标，并进行亚像素估计，即：

；

其中，为两张图像计算得到的偏移量，这样就获得了对应散斑的位移量，进而根据间隔时间求得散斑速度。

本发明通过调节反射镜6的转速、反射镜6与散斑成像之间的距离来实现激光散斑线速度调控，具体为：根据线速度v（m/s）与角速度ω（rad/s）之间的关系v=ω×r可知，当反射镜6与散斑成像之间的距离r（m）和角速度ω已知的情况下，散斑的移动速度就是确定的。结合附图1中的用于PIV系统的激光散斑生成装置，第一激光器1入射旋转状态的反射镜6后照射到幕布11上形成的激光散斑，根据几何光学原理可知实际角速度ω等于反射镜6转速的2倍，即ω=2*n/60*2π。其中n为反射镜6的转速(rpm)。

实施例1：

一种用于PIV系统的激光散斑生成方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、开启第一激光器1，产生激光散斑；开启相机13和时序控制器10，调节相机13与第一激光器1，对幕布11上的激光散斑进行对焦成像；步骤二、开启电机、第二激光器2和光电探测器8，确定所述装置的激光散斑在幕布11上出现的位置是否是不变的；步骤三、调节反射镜的转速，获得所需移动速度的激光散斑，利用相机13拍摄激光散斑图像，利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，评估PIV系统的速度测量精度。

具体使用实例：

需要用PIV系统开展高超声速风洞试验，流场速度为6马赫（约1000 m/s）。如此高速度的条件下进行PIV系统风洞试验调试工作成本较高，可以先利用本发明测试PIV系统和相关算法的测速精度。

根据试验场地实际情况，反射镜距离幕布为2.25m（激光测距仪测量结果，测量精度为0.001m）。在此条件下，为了获得1000 m/s速度的激光散斑，即1000=2*n/60*2π*2.25，此时反射镜转速需要n=2122 rpm。本次试验的电机最大转速为24000rpm，调节步长为100r/min，因此试验中可以将转速调整为2100 r/min（转速控制精度为0.5%），此时激光散斑的实际速度为989.6 m/s，与实际需求较为接近。

然后调整好激光散斑装置锁相位置，调节好系统时序，利用PIV系统对激光散斑进行试验，设置双脉冲时间间隔（1μs）和适合的互相关算法参数（本次采用32×32的网格进行计算），进行计算获得速度为968 m/s，与实际速度的误差为2.2%，说明该硬件参数设置和相关算法适合本次试验，可以开展风洞实际试验。

这样，利用该发明的装置和方法可以极大的减小PIV试验的前期的软硬件调试成本，节约试验准备周期，提高试验效率。

以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于PIV系统的激光散斑生成装置，其特征在于，所述装置包括第一激光器（1）、第二激光器（2），所述第一激光器（1）前方依次设置匀化器（3）、散斑镜（4）、成像透镜（5），所述成像透镜（5）前方设置反射镜（6），反射镜（6）的安装架上设置有挡板（7），所述反射镜（6）与电机连接；所述第二激光器（2）前方设置光电探测器（8），所述光电探测器（8）布设在第二激光器（2）的激光发射路径上，所述光电探测器（8）分别与示波器（9）、时序控制器（10）连接，所述时序控制器（10）分别与第一激光器（1）、相机（13）连接，所述挡板（7）在所述反射镜（6）的带动下旋转周期性遮挡第二激光器（2）发射至光电探测器（8）的激光，所述相机（13）前方设置幕布（11），所述第一激光器（1）发射的激光经反射镜（6）反射后到达幕布（11），所述相机（13）拍摄幕布（11）上的激光散斑成像。

2.根据权利要求1所述的用于PIV系统的激光散斑生成装置，其特征在于，所述相机（13）的镜头前安装有滤光片（12）。

3.根据权利要求1所述的用于PIV系统的激光散斑生成装置，其特征在于，所述第一激光器（1）为双腔脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的用于PIV系统的激光散斑生成装置，其特征在于，所述第二激光器（2）为连续激光器。

5.根据权利要求2所述的用于PIV系统的激光散斑生成装置，其特征在于，所述相机（13）为双帧相机。

6.一种用于PIV系统的激光散斑生成方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-5任一项所述的用于PIV系统的激光散斑生成装置实现，所述方法包括如下步骤：

步骤一、开启第一激光器（1），产生激光散斑；开启相机（13）和时序控制器（10），调节相机（13）与第一激光器（1），对幕布（11）上的激光散斑进行对焦成像；

步骤二、开启电机、第二激光器（2）和光电探测器（8），确定所述装置的激光散斑在幕布（11）上出现的位置是否是不变的；

步骤三、调节反射镜（6）的转速，获得所需移动速度的激光散斑，利用相机（13）拍摄激光散斑图像，利用互相关算法计算得到激光散斑移动速度，并与散斑实际速度进行对比，得到PIV测速精度，若测量误差高于风洞试验测量误差要求，则相机参数和算法参数选择还需要优化，经过优化后再进行步骤一到步骤三，直到PIV测速精度满足要求为止。