CN117782517A - 基于多相机背景纹影的二维流场测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多相机背景纹影的二维流场测试方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤1、将待测流场设于多个相机视场交点后方，并在待测流场后方放置具有随机点分布的背景板，分别采集有流场扰动以及无流场扰动时的背景图像；步骤2、对相机采集的背景图像进行拼接，得到全流场下的背景图像；步骤3、对拼接后的背景图像对进行互相关计算，得到背景点的位移场；步骤4、对位移场求解泊松方程，得到流场扰动后的折射率场；步骤5、对折射率场求解Gladstone‑Dale方程，得到待测密度场。本发明采用微型相机代替大型背景纹影相机系统，便于在光学通道狭窄环境下对流场进行测试；并在光学访问通道内布置多个相机以实现对流场更大范围流动的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量方法技术领域，尤其涉及一种基于多相机背景纹影的二维流场测试方法及系统。
背景技术
背景纹影技术(BOS)于2000年左右由Meier等人提出，随着其非接触、大视场、标定方便、所需硬件设备搭建简单等优势的不断显现，该项技术被广泛应用在高速流动、燃烧可视化、等离子流动可视化等诸多研究领域中。
在高速流场测试条件下(如风洞)，由于其光学通道狭窄、光学测量系统体积较大，导致大范围流动区域成像困难。并且随着飞行器不断向高速、高机动的方向发展，其工作状态下的内部流场日趋复杂化，只能针对特定流动区域的可视化测量方法已不能满足飞行器设计的需要。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种非接触式、可以对流场进行全方位测量与显示的基于多相机背景纹影的二维流场测试方法及系统。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于多相机背景纹影的二维流场测试方法，包括以下步骤：
步骤1、将待测流场设于多个相机视场交点后方，并在待测流场后方放置具有随机点分布的背景板，分别采集有流场扰动以及无流场扰动时的背景图像；
步骤2、对相机采集的背景图像进行拼接，得到全流场下的背景图像；
步骤3、对拼接后的背景图像对进行互相关计算，得到背景点的位移场；
步骤4、对位移场求解泊松方程，得到流场扰动后的折射率场；
步骤5、对折射率场求解Gladstone-Dale方程，得到待测密度场。
进一步的，步骤1所述的相机的几何体积小于10mm*10mm*8mm。
进一步的，步骤1中所述多个相机设置于同一直线上，多个相机所在直线平行于背景板所在平面，各相机主光轴均垂直于背景板。
进一步的，步骤1中所述同步采集，具体操作为：利用同步采集卡，同时触发多个相机采集背景图像。
进一步的，步骤2所述对相机采集的背景图像进行拼接具体操作为：将与相邻相机采集的背景图像有重叠的区域从图像边缘裁切去除拼接长度Δu，将裁切后得到的背景图像进行拼接。
进一步的，所述拼接长度Δu根据如下公式计算得到：
其中β为相机视角、Δ为相机阵列中相邻相机的间距、L为相机与背景板的间距、i为流场与背景板的间距。
进一步的，步骤3所述互相关计算，具体操作为：根据背景图像内背景点所占像素点密度生成二维笛卡尔网格，将图像划分成若干询问窗口；通过在询问窗口内利用基于频率域的互相关算法计算有流场扰动以及无流场扰动时背景点的位移，得到全视野二维位移场。
进一步的，步骤4所述对位移场求解泊松方程，具体操作为：根据折射率变化量与背景点位移变化量关系如下：
式中z为沿光轴方向坐标，ZD为待测流场与背景点距离，ZA为相机主透镜与待测流场距离，f为相机焦距，n0为未扰动区域流体折射率，n为折射率，Δx、Δy为背景点位移变化量；由于费马原理，光路宽度远小于光路长度可得到：
对Δx、Δy求偏导数得到如下泊松方程：
通过求得的位移场，选取边界条件，采用五点差分法对该泊松方程进行求解，得到全部测量区域的折射率场。
进一步的，步骤5所述的对折射率场求解Gladstone-Dale方程，具体操作为：将所求得的折射率场带入Gladstone-Dale方程中求得密度场，Gladstone-Dale方程如下：
n＝1-Gρ
其中G为Gladstone-Dale常数在标准大气中取2.27×10-4m3/kg,ρ为待测密度。
本发明还提供一种用于上述二维流场测试方法的测试系统，包括：
(1)多相机阵列，包括相机、多相机支架及导轨；
(2)背景纹影技术成像系统，包括具有随机点阵的背景板；
(3)数据处理器，用于根据背景图像进行重构得到全视野二维流场密度分布。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用微型相机代替大型背景纹影相机系统，便于在光学通道狭窄环境下对流场进行测试；并在光学访问通道内布置多个相机以实现对流场更大范围流动的测量。
附图说明
图1是本发明的多相机背景纹影二维流场测试方法流程示意图；
图2是本发明的多相机背景纹影二维流场测试方法原理示意图；
图3是BOS原理图；
图4是本发明的多相机图像拼接原理示意图；
图5是火焰燃烧密度场示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的一种基于多相机背景纹影的二维流场测试方法，包括以下步骤：
步骤1、利用多个相机同步采集一对背景图像。如图2所示，将多个相机布置于同一直线上，形成多相机阵列，各相机的视场与相邻相机视场有部分重合。本实施例使用的相机的几何体积小于10mm*10mm*8mm。待测流场位于相机视场交点后方，并在待测流场后方放置具有随机点分布的背景板，多相机阵列所在的直线平行于背景板所在平面，且各相机的主光轴均垂直于背景板。利用同步采集卡，同时触发多相机采集背景图像，分别采集有流场扰动以及无流场扰动时的背景图像。
步骤2、对相机采集的背景图像进行拼接，得到全流场下的背景图像。如图2(a)至图2(c)所示，当多相机采集流场密度变化所造成的背景点偏移时，相机视场间的重叠区域会导致流场密度场的重复采集，所以应对采集的背景图像进行裁切。如图2(d)至图2(f)所示，利用相邻两相机间距中线切分待测流场，将切分后的待测流场投影到背景平面确定单个相机采集区域，并通过几何关系确定图像拼接长度Δu。根据如下公式可计算得图像拼接长度Δu：
其中β为相机视角、Δ为相机阵列中相邻相机的间距、L为相机与背景板的间距、i为流场与背景的板间距。如图3(a)至图3(d)所示，利用图像拼接长度Δu对同一时刻多相机图像进行裁切，并将裁切后的多相机图像进行拼接，得到全流场下的背景图像。
步骤3、对拼接后的背景图像对进行互相关计算，得到背景点的位移场。根据背景图像内背景点所占像素点密度生成二维笛卡尔网格，将图像划分成若干询问窗口。通过在询问窗口内将图像进行快速傅里叶变换(FFT)转换到频率域相乘后得到互相关结果，将其进行傅里叶逆变换将其转换回空间域。最后将逆变换结果进行归一化处理进而得到全流场的二维位移场，如图3(e)所示。
步骤4、对位移场求解泊松方程，得到流场扰动后的折射率场。如图4所示，利用近轴光学假设可以建立折射变化率与背景点位移的关系式，折射率变化量与背景点位移变化量的关系式如下：
式中z为沿光轴方向坐标，ZD为待测流场与背景点距离，ZA为相机主透镜与待测流场距离，f为相机焦距，n0为未扰动区域流体折射率，n为折射率，Δx、Δy为背景点位移变化量。由于费马原理，光路宽度远小于光路长度可得到：
对Δx、Δy求偏导数得到如下泊松方程：
通过对求得的位移场，选取边界条件，采用五点差分法对该泊松方程进行求解，获得全流场的折射率场，如图3(f)所示。
步骤5、对折射率场求解Gladstone-Dale方程，得到待测密度场。
Gladstone-Dale方程建立了流体密度与折射率之间的关系，将所求得的折射率场带入Gladstone-Dale方程中即可求得密度场，Gladstone-Dale方程如下：
n＝1-Gρ
其中G为Gladstone-Dale常数在标准大气中取2.27×10-4m3/kg,ρ为待测密度，如图3(g)所示。
利用本实施例的测试方法测量火焰燃烧室产生密度变化，计算所得双相机密度场如图5(a)所示，单相机密度场如图5(b)所示。可见利用多相机测试的流场测量范围明显增强。
本实施例还提供一种上述二维流场测试方法的测试系统，包括：
(1)、多相机阵列，包括相机、多相机支架及导轨；
(2)、背景纹影技术成像系统，包括具有随机点阵的背景板；
(3)、数据处理器，通过获得的分别在有/无流场扰动情况下的多相机背景图像，用数据处理器来重构出全视野二维流场密度分布。
Claims (10)
1.一种基于多相机背景纹影的二维流场测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将待测流场设于多个相机视场交点后方，并在待测流场后方放置具有随机点分布的背景板，分别采集有流场扰动以及无流场扰动时的背景图像；
步骤2、对相机采集的背景图像进行拼接，得到全流场下的背景图像；
步骤3、对拼接后的背景图像对进行互相关计算，得到背景点的位移场；
步骤4、对位移场求解泊松方程，得到流场扰动后的折射率场；
步骤5、对折射率场求解Gladstone-Dale方程，得到待测密度场。
2.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤1所述的相机的几何体积小于10mm*10mm*8mm。
3.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤1中所述多个相机设置于同一直线上，多个相机所在直线平行于背景板所在平面，各相机主光轴均垂直于背景板。
4.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤1中所述同步采集，具体操作为：利用同步采集卡，同时触发多个相机采集背景图像。
5.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤2所述对相机采集的背景图像进行拼接具体操作为：将与相邻相机采集的背景图像有重叠的区域从图像边缘裁切去除拼接长度Δu，将裁切后得到的背景图像进行拼接。
6.如权利要求5所述的二维流场测试方法，其特征在于，所述拼接长度Δu根据如下公式计算得到：
其中β为相机视角、Δ为相机阵列中相邻相机的间距、L为相机与背景板的间距、i为流场与背景板的间距。
7.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤3所述互相关计算，具体操作为：根据背景图像内背景点所占像素点密度生成二维笛卡尔网格，将图像划分成若干询问窗口；通过在询问窗口内利用基于频率域的互相关算法计算有流场扰动以及无流场扰动时背景点的位移，得到全视野二维位移场。
8.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤4所述对位移场求解泊松方程，具体操作为：根据折射率变化量与背景点位移变化量关系如下：
式中z为沿光轴方向坐标，ZD为待测流场与背景点距离，ZA为相机主透镜与待测流场距离，f为相机焦距，n0为未扰动区域流体折射率，n为折射率，Δx、Δy为背景点位移变化量；由于费马原理，光路宽度远小于光路长度可得到：
对Δx、Δy求偏导数得到如下泊松方程：
通过求得的位移场，选取边界条件，采用五点差分法对该泊松方程进行求解，得到全部测量区域的折射率场。
9.如权利要求1所述的二维流场测试方法，其特征在于，步骤5所述的对折射率场求解Gladstone-Dale方程，具体操作为：将所求得的折射率场带入Gladstone-Dale方程中求得密度场，Gladstone-Dale方程如下：
n＝1-Gρ
其中G为Gladstone-Dale常数在标准大气中取2.27×10-4m3/kg,ρ为待测密度。
10.一种权利要求1-9任一项所述二维流场测试方法的测试系统，其特征在于，包括：
(1)多相机阵列，包括相机、多相机支架及导轨；
(2)背景纹影技术成像系统，包括具有随机点阵的背景板；
(3)数据处理器，用于根据背景图像进行重构得到全视野二维流场密度分布。
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