CN117906910B - 水下流场信息测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及流场测量技术领域，提供了一种水下流场信息测量系统和方法。所述系统包括：测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器；标定装置用于标定测量区域的位置，并为各采集装置和各激光装置提供标定信息；采集装置用于基于标定信息对准测量区域、并对焦，以进行采集；激光装置用于基于标定信息使得各激光装置的出光方向对准测量区域；控制器用于控制各采集装置分别采集多张测量图像，以及基于将各测量图像进行拼接处理以得到待测物体的流场信息。本申请能够从多个角度采集到测量区域的图像，并且还将不同角度的图像进行拼接以得到待测物体的流场信息，这样可以适配不同尺寸的被测物体，进而提升测量数据的完善性和准确性。

Description

水下流场信息测量系统和方法

技术领域

本申请涉及流场测量技术领域，尤其涉及一种水下流场信息测量系统和方法。

背景技术

由于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV）可实现复杂环境下全流场、无接触、无扰动、高精度的流场信息测量，在湍流、瞬态等复杂流场的测量中具有明显的优势，已成为目前流场测量的主流手段。

相关技术中，在使用PIV设备测量流场信息时，需要被测流场中添加示踪粒子，然后通过激光器在极短的时间差内发射2个激光脉冲来照亮示踪区域，然后控制相机来拍摄被测流场中被照亮的示踪粒子，并形成图像，最后使用软件对不同时刻的图像进行处理与分析，从而得到流场实验中的流速测量结果。

然而，由于相关技术的方案在测量一些较大物体的流场信息时，难以获取较大物体周围所有的流场信息。因此，这种方案难以适配不同尺寸的被测物体，以及在测量较大物体的流场信息时容易出现数据不完善、不准确的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种水下流场信息测量系统和方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种水下流场信息测量系统，所述系统包括：测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器；

所述测量水槽的底面和壁面均透明；各所述采集装置分别设置在所述测量水槽的至少两个壁面外侧，且各所述采集装置分别对所述测量水槽内部进行采集；

各所述采集装置和各所述激光装置分别与所述控制器连接；

其中，所述标定装置用于标定测量区域的位置，并为各所述采集装置和各所述激光装置提供标定信息；

各所述采集装置用于基于所述标定信息对准所述测量区域、并对焦，以进行采集；各所述激光装置用于基于所述标定信息使得各所述激光装置的出光方向对准所述测量区域；

所述控制器用于在各所述采集装置和各所述激光装置完成标定、且待测物体进入所述测量区域时，控制各所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制各所述采集装置分别采集多张具有示踪粒子的测量图像，直至所述待测物体离开所述测量区域；

所述控制器还用于将各所述测量图像进行拼接处理以得到所述待测物体的流场信息。

可选地，所述标定装置包括两个标定板；

各所述标定板所在平面互相垂直。

可选地，所述标定装置包括三个或三个以上的标定板；

各所述标定板之间的夹角为预设角度，且各所述标定板所在平面相交于同一直线。

可选地，各所述采集装置与各所述标定板一一对应，各所述采集装置中分别包括至少两个相机，各所述相机分别与所述控制器连接；

其中，所述采集装置中的各所述相机分别在不同角度对准与所述采集装置对应的标定板，且通过调整各所述相机的焦距以使得各所述采集装置对焦，以完成标定；

各所述相机还用于在所述控制器的控制下按照预设帧率同步拍摄所述测量区域，以得到各所述测量图像；所述预设帧率与所述待测物体的移动速度和/或转速正相关。

可选地，所述采集装置中任意两个对应的相机相对于预设平面对称；

所述预设平面垂直于所述标定板所在平面，且所述标定板的几何中心位于所述预设平面上。

可选地，所述激光装置的数量与所述标定板的数量相同，所述激光装置至少包括激光器、导光臂、片光源；

所述激光器与所述控制器连接；

其中，所述激光器用于在所述控制器的控制下按照预设时间间隔向所述导光臂的一端发射激光，所述预设时间间隔与所述待测物体的移动速度和/或转速负相关；

所述导光臂用于将所述激光传输至所述片光源；

所述片光源用于将所述激光转换为扇形光片，并将所述扇形光片投射到目标平面，所述目标平面为所述激光器对应的标定板所在平面，以完成标定。

可选地，所述系统还包括：移动控制装置；

所述移动控制装置与所述控制器连接；

其中，所述移动控制装置用于安装固定所述待测物体，并且在所述控制器的控制下，匀速带动所述待测物体通过所述测量区域。

第二方面，本申请实施例还提供了一种水下流场信息测量方法，应用于上述第一方面提供的任一水下流场信息测量系统；所述方法包括：

控制采集装置对准标定装置，并调节所述采集装置的焦距，以标定所述采集装置；

控制激光装置发射激光，并通过调整所述激光装置的出光方向使得所述激光射向所述测量水槽内的测量区域，以标定所述激光装置；

控制待测物体匀速向所述测量区域移动；

在所述待测物体进入所述测量区域时，控制所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制所述采集装置采集多张不同角度的且具有示踪粒子的测量图像，直至所述待测物体离开所述测量区域；

将各所述测量图像进行拼接处理以得到所述待测物体的流场信息。

可选地，所述控制所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制所述采集装置采集多张不同角度的测量图像，包括：

控制所述激光装置按照预设时间间隔发射激光，并将所述激光转换为扇形光片投射至目标平面；

控制所述采集装置按照预设帧率拍摄所述测量区域，以得到各所述测量图像，所述预设帧率与所述预设时间间隔对应。

可选地，所述控制待测物体匀速向所述测量区域移动之前，所述方法还包括：

将所述标定装置移出所述测量区域，并在所述测量区域布撒示踪粒子。

本申请实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的一种水下流场信息测量系统，通过在该水下流场信息测量系统中设置测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器。具体地，由于该标定装置用于标定该测量水槽内的测量区域的位置。那么就可以通过该标定装置提供的标定信息对各采集装置和各激光装置进行标定，以使得各采集装置的采集范围能对准或覆盖该测量区域，并且使得各采集装置能对焦至该标定装置，进而确保各采集装置在该控制器的控制下能准确、清晰地拍摄到该测量区域的图像。并使得各激光装置的出光方向能对准该测量区域，以确保在各采集装置采集该测量图像时，各激光装置在该控制器的控制下能可靠地照亮该测量区域。

进而，通过该控制器对各测量图像进行拼接处理，就可以将同一时刻拍摄到的不同测量图像拼接成一张大视野图像，并且该大视野图像可以同时展示出各采集装置的采集范围。这样，就能得到该待测物体在不同角度的流场信息。

如此，可以适配不同尺寸的被测物体，进而达到提升测量数据的完善性和准确性的效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种水下流场信息测量系统标定过程的示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种水下流场信息测量系统测量过程的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种水下流场信息测量系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种测量图像的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种水下流场信息测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面将对本申请的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常，在使用PIV设备测量流场信息时，需要被测流场中添加示踪粒子，然后通过激光器在极短的时间差内发射2个激光脉冲来照亮示踪区域，然后控制相机来拍摄被测流场中被照亮的示踪粒子，并形成图像，最后使用软件对不同时刻的图像进行处理与分析，从而得到流场实验中的流速测量结果。

然而，由于相关技术的方案在测量一些较大物体的流场信息时，难以获取较大物体周围所有的流场信息。因此，这种方案难以适配不同尺寸的被测物体，以及在测量较大物体的流场信息时容易出现数据不完善、不准确的问题。

为此，本申请实施例提供了一种水下流场信息测量系统，通过在该系统中设置测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器。该测量水槽的底面和壁面均透明，各采集装置分别设置在该测量水槽的至少两个壁面外侧，且各采集装置分别对该测量水槽内部进行采集，该标定装置用于标定该测量水槽内的测量区域，各采集装置和各激光装置分别与该控制器连接。其中，该标定装置用于标定该测量区域的位置，并为各采集装置和各激光装置提供标定信息。各采集装置用于基于该标定信息对准该测量区域、并对焦，以进行采集；各激光装置用于基于该标定信息使得各激光装置的出光方向对准该测量区域。该控制器用于在各采集装置和各激光装置完成标定、且待测物体进入该测量区域时，控制各激光装置向该测量区域发射激光、并控制各采集装置分别采集多张具有示踪粒子的测量图像，直至该待测物体离开该测量区域。该控制器还用于基于将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息。这样，能够将多个采集装置进行标定以从多个角度采集到测量区域的图像，并且还将不同角度的图像进行拼接以得到待测物体的流场信息，如此，可以适配不同尺寸的被测物体，进而达到提升测量数据的完善性和准确性的效果。

本申请提供的水下流场信息测量系统可以用于在液体环境中进行流场信息的测量，具体可以用于推进器转子的粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV）流场测量。本申请实施例对此不做限定。

下面结合附图对本申请实施例提供的水下流场信息测量系统进行示例性说明。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种水下流场信息测量系统，图1具体是水下流场信息测量系统标定过程的示意图。该系统包括：测量水槽101、多个采集装置102、标定装置103、多个激光装置104、控制器。

测量水槽101的底面和壁面均透明。各采集装置102分别设置在测量水槽101的至少两个壁面外侧，且各采集装置102分别对测量水槽101内部进行采集。

各采集装置102和各激光装置104分别与该控制器连接。

其中，标定装置103用于标定该测量区域的位置，并为各采集装置102和各激光装置104提供标定信息。

各采集装置102用于基于该标定信息对准该测量区域、并对焦，以进行采集。各激光装置104用于基于该标定信息使得各激光装置104的出光方向对准该测量区域。

该控制器用于在各采集装置102和各激光装置104完成标定、且待测物体进入该测量区域时，控制各激光装置104向该测量区域发射激光、并控制各采集装置102分别采集多张具有示踪粒子的测量图像，直至该待测物体离开该测量区域。

该控制器还用于将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息。

在本实施例中，测量水槽101可以是指用于放置待测物体、容纳液体和其他部件的容器，比如测量水槽101可以是指拖曳水池。测量水槽101内容纳的液体可以是水，也可以是其他任意可能的流体，本申请实施例对此不作限定。

另外，还可以通过支架支撑测量水槽101，以使得测量水槽101相对于地面架空设置，便于从测量水槽101的底面向上发射相应的激光。

而测量水槽101的底面和各壁面均可以为强度较高、透光性较好的透明材质，比如可以是玻璃或塑料，本申请实施例对此不做限定。这样，便于从各个角度观测、采集测量水槽101内部的变化信息。

另外，测量水槽101内的测量区域可以是由相关技术人员根据实际需要设置的，该测量区域具体可以是指各采集装置102需要采集信息的区域、各激光装置104需要发射激光的区域、该待测物体需要经过的区域，本申请实施例对此不作限定。

在本实施例中，各采集装置102是用于采集测量水槽101内测量区域的图像的设备。一般情况下，各采集装置102采集的图像可以是红绿蓝（Red-Green-Blue，简称RGB）图像，那么各采集装置102就可以包括相机，本申请实施例对此不作限定。

各采集装置102设置在测量水槽101的至少两个壁面外侧是指，各采集装置102全部设置在测量水槽101的外部，并且，各采集装置102至少从测量水槽101的两个不同的壁面外侧采集该测量区域的图像。

在本实施例中，各激光装置104具体是用于在各采集装置102进行采集时，提供光源以照亮该测量区域的。具体地，各激光装置104可以是与各采集装置102一一对应的，也即，可以分别由一个激光装置负责向一个对应的采集装置提供光源。

在这种情况下，各激光装置104就可以只在对应的采集装置进行采集的时候发射激光，而在对应的采集装置不采集时，各激光装置104则停止发射激光。这样，可以提高该测量系统的安全性。

各激光装置104的出光方向可以是指各激光装置104射出激光的方向。

在本实施例中，标定装置103在该测量系统中具体用于标定各采集装置102和各激光装置104，以使得各采集装置102的拍摄范围覆盖该测量区域、各激光装置104发射的激光对准该测量区域。

示例性地，标定装置103可以是任意可能的标定器件。例如，标定装置103可以由至少两个标定板组成，各标定板分别处于不同的平面内，且各标定板上包括发光单元，且各标定板的发光单元分别与该控制器连接。其中，该发光单元用于在该控制器的控制下发光。

这样，标定装置103则可以在该控制器的控制下通过发光显示不同的图案，以便完成各采集装置102的对准和对焦。

在本实施例中，该标定信息可以是指标定装置103中某一特定部分的位置、标定装置103所提供的图案等。例如，若标定装置103中的标定板包括相应的标定线，那么该标定信息还可以包括该标定线所在位置，本申请实施例对此不作限定。

在本实施例中，该控制器可以是任意具有处理、控制功能的设备，本申请实施例对此不作限定。

一般情况下，该待测物体可以是匀速通过该测量区域的。具体地，该待测物体可以是推进器转子，可以是任意可能的物体，本申请实施例对此不作限定。

在本实施例中，各测量图像是从不同角度拍摄的、包含该测量区域和该待测物体的图像。

该流场信息至少可以包括速度矢量信息和涡量信息。

在其中一个实施例中，该控制器在控制各采集装置102采集测量图像时，具体可以控制各采集装置102进行同步采集，也即，各采集装置102每次进行采集的时间是相同的，保证了不同角度拍摄与采集各测量图像的一致性与准确性。

在其中一个实施例中，该控制器将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息具体可以是通过基于标定装置103的位置信息将同一时刻得到的测量图像进行拼接得到多帧拼接图像，并通过分析各拼接图像得到该待测物体的流场信息。

具体地，若标定装置103中包括多个标定板，那么标定装置103的位置信息可以是指各标定板所在平面的相交线所在位置。本申请实施例对此不作限定。

需要说明的是，为了方便理解该水下流场信息测量系统的工作原理，以下结合图1进行详细的解释说明：

在初始状态下，该水下流场信息测量系统还未完成标定，此时可以将标定装置103放置在测量水槽的测量区域内，并且，由图1可见，标定装置103包括多个标定板。

此时，需要利用标定装置103对各采集装置102和各激光装置104进行标定，具体可以控制标定装置103中各标定板的发光单元发光以形成不同的图案，然后将各采集装置102分别对准对应的标定板、使得各采集装置102均能采集到对应标定板上的发光图案，然后控制各采集装置102对焦，直至各采集装置102均能清晰地拍摄出对应标定板上的发光图案，则完成各采集装置102的标定。

然后调整各激光装置104的出光方向，以使得各激光装置104发射的激光分别照射到对应的标定板上，则完成各激光装置104的标定。

在完成各激光装置104和各采集装置102的标定之后，可以将标定装置103移出该测量区域或者直接移出测量水槽101，并使得该待测物体匀速移动。另外，在移出标定装置103之后，还可以向该测量区域撒布相应的可以反射该激光的示踪粒子，该示踪粒子的密度与测量水槽101中容纳的液体的密度相近，该示踪粒子用于跟随流体一起运动，以便通过这些示踪粒子来观察流体的运动，进而将流体的各种流动现象显示出来。因此，在各采集装置102进行采集时，拍摄到的测量图像中就具有相应的示踪粒子。

在图1的基础上，继续参见图2，图2具体是水下流场信息测量系统测量过程的示意图，在该待测物体进入测量区域C时，各采集装置102均至少能采集到该待测物体中进入测量区域C的部分以及周围的液体，且各激光装置104发射的激光至少能照亮该待测物体中进入测量区域C的部分以及周围的液体。

此时，该控制器可以控制各激光装置104向测量区域C发射激光以照亮该待测物体，并控制各采集装置102分别采集多张测量图像，直至该待测物体离开测量区域C。最后，该控制器就可以将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息。

值得说明的是，由于本申请实施例提供的水下流场信息测量系统中包括测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器。具体地，由于标定装置103用于标定测量水槽101内的测量区域的位置。那么就可以通过标定装置103提供的标定信息对各采集装置102和各激光装置104进行标定，以使得各采集装置102的采集范围能对准或覆盖测量区域C，并且使得各采集装置102能对焦至标定装置103，进而确保各采集装置102在该控制器的控制下能准确、清晰地拍摄到测量区域C的图像。并使得各激光装置104的出光方向能对准测量区域C，以确保在各采集装置102采集该测量图像时，各激光装置104在该控制器的控制下能可靠地照亮测量区域C。

进而，通过该控制器对各测量图像进行拼接处理，就可以将同一时刻拍摄到的不同测量图像拼接成一张大视野图像，并且该大视野图像可以同时展示出各采集装置102的采集范围。这样，就能得到该待测物体在不同角度的流场信息。

如此，可以适配不同尺寸的被测物体，进而达到提升测量数据的完善性和准确性的效果。

一种可能的实现方式中，参见图1或图2，标定装置103可以包括两个标定板，并且各标定板所在平面互相垂直。

另一种可能的方式，标定装置103还可以包括三个或三个以上的标定板。在这种情况下，各标定板之间的夹角为预设角度，且各标定板所在平面相交于同一直线。

在本实施例中，该预设角度可以是由相关技术人员根据实际需要设置的，本申请实施例对此不作限定。

示例性地，若标定装置103包括3个标定板，那么各标定板之间的夹角可以为60°，也可以是其他任意可能的角度，本申请实施例对此不作限定。

值得说明的是，一般情况下，标定装置103中标定板的数量可以根据实际需要进行调整，比如可以根据该待测物体的形状进行调整。若该待测物体为轴对称物体，那么则标定装置103可以包括两个标定板。若该待测物体不为轴对称物体，那么则标定装置103可以包括3个或3个以上的标定板。也即，该待测物体的形状越复杂，则可以设置越多的标定板以确保在基于各标定板标定各采集装置102和各激光装置104之后，各采集装置102采集的各测量图像可以准确地指示出该待测物体在不同角度下的流场信息。

一种可能的实现方式中，继续参见图1，各采集装置102与各标定板一一对应，各采集装置102中分别包括至少两个相机1021，各相机1021分别与该控制器连接。

其中，该采集装置中的各相机1021分别在不同角度对准与该采集装置对应的标定板，且通过调整各相机1021的焦距以使得各采集装置102对焦，以完成标定。

各相机1021还用于在该控制器的控制下按照预设帧率同步拍摄该测量区域，以得到各测量图像，保证了不同角度拍摄与采集各测量图像的一致性与准确性。

在本实施例中，各相机1021可以是高速相机，且各支架可以安装在Scheimpflug支架上，以调整各相机1021的拍摄方向和/或拍摄范围。

另外，任一采集装置中包括的相机1021数量一般为大于0的偶数，也即，任一采集装置中的相机1021数量一般为2、4、6、8个等。

在其中一个实施例中，在图1和图2的基础上，参见图3，任一采集装置中任意两个对应的相机1021相对于预设平面PM对称。

在本实施例中，继续参见图3，预设平面PM垂直于标定板1031所在平面，且标定板1031的几何中心Z位于预设平面PM上。并且，一般情况下，预设平面PM与竖直方向平行。

值得注意的是，这样，可以确保任一采集装置中的相机1021两两对应的对称分布在该标定板的两侧，进而可以确保在各相机1021能从不同角度拍摄该待测物体在经过该测量区域时的测量图像。

值得说明的是，在本实施例中，该预设帧率与该待测物体的移动速度和/或转速正相关。也即，该待测物体的移动速度和/或转速越高，那么该预设帧率则越大，这样，可以确保各相机1021拍摄到的测量图像可以更密集，以便连贯地表征该待测物体在穿过该测量区域时的流场信息的变化情况。

如此，可以提高水下流场信息测量系统测量该待测物体的流场信息的准确性和可靠性。

一种可能的实现方式中，激光装置104的数量与该标定板的数量相同。激光装置104至少包括激光器、导光臂、片光源。

该激光器与该控制器连接。

其中，该激光器用于在该控制器的控制下按照预设时间间隔向该导光臂的一端发射激光。

该导光臂用于将该激光传输至该片光源。

该片光源用于将该激光转换为扇形光片，并将该扇形光片投射到目标平面。

在本实施例中，该目标平面为该激光器对应的标定板所在平面，以完成标定。

在本实施例中，该激光器可以是双脉冲激光器，该双脉冲激光器可以在极短的时间差内发射2个脉冲。该片光源可以是指片光源镜头组，具体可以包括球面镜和柱面镜，可以用于将激光器发射的激光展开成需要角度的、厚度小于1mm的激光片，也即扇形光片。

而该导光臂则是用于改变激光传播路径的，可以是任意可能的器件，本申请实施例对此不作限定。

具体地，该预设时间间隔与该待测物体的移动速度和/或转速负相关。并且，该预设时间间隔与上述预设帧率的乘积为1。

若该激光器是双脉冲激光器，那么该预设时间间隔可以是指该双脉冲激光器的脉冲间隔。本申请实施例对此不做限定。

值得注意的是，通过该片光源将该激光器按照该预设时间间隔发射的激光转换为扇形光片，并将该扇形光片投射到该目标平面，可以保证在该采集装置采集该测量图像时，能正好照亮该测量区域内的待测物体。另外，由于该激光装置的数量与该标定板的数量相同，这样，还能实现多个标定板的同步标定，以便后期基于各测量图像进行大视野拼接。

需要说明的是，从图1和图2可见，各激光装置104均是从测量水槽101的底面向各标定板发射激光的，这样，可以避免从上往下发射激光时需要穿过不同介质而产生不必要的折射。

一种可能的实现方式中，该系统还包括：移动控制装置。

该移动控制装置与该控制器连接。

其中，该移动控制装置用于安装固定该待测物体，并且在该控制器的控制下，匀速带动该待测物体通过该测量区域。

在本实施例中，该移动控制装置可以是指安装在测量水槽101上的拖车或者敞水动力仪，也可以是其他任意能够带动该待测物体匀速移动的装置，本申请实施例对此不作限定。

值得注意的是，通过该移动控制装置带动该待测物体移动，可以进一步实现流场信息测量的自动化。另外，由于该移动控制装置是匀速带动该待测物体通过该测量区域的，可以大幅度降低因加速度变化而产生的干扰，进而可以提升流场信息测量的可靠性和准确性。

一种可能的方式中，该采集装置还包括滤光片。

该滤光片用于在该采集装置完成标定时，设置在该采集装置中相机的镜头前，以反射除该激光装置发射的激光之外的其他光线。

值得说明的是，这样，就可以确保该采集装置采集到的各测量图像中只会显示出该待测物体以及该待测物体周围的示踪粒子，也就降低了各测量图像中的干扰因素，进而可以提升流场信息测量的可靠性和准确性、并降低该控制器的运算压力。

为了更好地解释说明拼接各测量图像以得到待测物体的流场信息的过程，如下提供了一种拼接处理的方式。假设本申请实施例的一个采集装置中包括两个相机，且这两个相机分别在不同角度对准同一个标定板，那么，在该待测物体进入该测量区域、且布撒示踪粒子的情况下，这两个相机就可以在同一时刻分别拍摄到两张具有示踪粒子的测量图像，且这两张测量图像的中心区域均用于表征该测量区域的同一平面内示踪粒子的分布。

在该待测物体进入该测量区域时，控制各激光装置发射激光并控制各相机采集相应的测量图像，直至该待测物体离开该测量区域。在此过程中，各相机会采集到若干张测量图像。

然后，该控制器可以将所有的测量图像均基于拍摄时间进行排序，并且该控制器还可以将同一相机拍摄到的时间相邻的两张图像进行比较，由于相机的拍摄时间间隔Δt一般是毫秒级别的，因此示踪粒子的位移一般也是毫米级别的，这样可以比较出每个示踪粒子在Δt时间内的速度矢量。

其中，由于至少有两个高速相机拍摄该测量区域的同一平面，因此，就需要将拍摄同一平面的各相机在同一时刻拍摄到的测量图像进行重叠和拼接。示例性地，假设拍摄同一平面的两个相机在同一时刻拍摄到的测量图像分别为图像1和图像2，那么图4所示出的就可以是图像1和图像2重叠的示意图，图4中的背景部分为测量水槽中的流体介质与其他部件，图4中的各个点Sz为示踪粒子。

可以理解的是，在实际测量过程中拍摄的测量图像中，示踪粒子的数量可能是数以千计、数以万计的，并且示踪粒子可能分布在测量图像中任意可能的位置，图4仅仅是为了说明该示踪粒子的分布而列举的一种示意图，不代表进行流体测量时的示踪粒子仅仅只有这一部分，本申请实施例对此不作限定。

具体地，尽管该测量图像中的示踪粒子非常多，无法对每个示踪粒子分别进行标号，但是处于同一区域Qy（如图4中所示的各个小方格）内的示踪粒子的运动具有唯一性。也即，在同一时刻，同一粒子在同一方向上的运动是相同。该控制器可以分析两个相机的在同一时刻下拍摄到的图像1和图像2，并比较图像1和图像2中对应的区域内示踪粒子的速度矢量，以确定图像1和图像2中的各个区域Qy是否至少存在一组匹配的区域Qy，若存在至少一组匹配的区域Qy作为定位参考区域。

然后通过使得这一组定位参考区域重叠、以完成图像1和图像2的拼接。

例如，比如在图4中，图像1的中心区域是方框k1内的区域，图像2的中心区域是方框k2内的区域，该中心区域可以是指该测量图像中最清晰的部分。可见，图4所示出的图像1和图像2均将图像划分为49个区域Qy，区域Qy中的箭头Jt用于表征本区域内示踪粒子的平均速度矢量。

例如，通过将分别比较图像1的49个区域Qy和图像1的49个区域Qy所对应的平均速度矢量，确定图像1中第一行第七列的区域Qy和图像2中第一行第七列的区域Qy的平均速度矢量相同，因此可以确定这两个区域Qy是匹配的，进而将这两个区域Qy作为一组定位参考区域Ck1。确定图像1中第三行第七列的区域Qy和图像2中第三行第七列的区域Qy的平均速度矢量相同，因此可以确定这两个区域Qy是匹配的，进而将这两个区域Qy作为一组定位参考区域Ck2。

然后通过适当移动图像1和图像2，使得图像1和图像2中的定位参考区域Ck1和定位参考区域Ck2重叠，这样，就可以完成图像1和图像2的拼接。

一般情况下，为了确保拼接的准确性，可以在确定两张测量图像中存在两组或两组以上的定位参考区域的情况下，再将这两张测量图像进行拼接。具体可以由相关技术人员在测量之前对相机的角度和位置进行微调。

另外，若同一平面上存在多个采集装置分别对准该待测物体的不同区域以拍摄更大广角的图像，同样可以通过类似上述实施例中的方式确定各采集装置中的各个相机在同一时刻下拍摄到的图像的重叠部分中相应的定位参考区域，并且定位到拼接的重叠区域将各个相机拍摄到的图像拼接，以得到这个平面的一张大视野的图像。

可以理解的是，由于在该水下流场信息测量系统中设置了至少两个标定板，那么该水下流场信息测量系统中就至少存在两个采集装置分别采集该测量区域的不同平面对应的测量图像。然而，不同平面对应的测量图像不需要进行拼接，只需要将不同平面的测量图像计算出的同一示踪粒子的二维速度矢量合成为三维速度矢量即可。

尽管每时每刻有示踪粒子离开测量区域的标定平面，但是同时有示踪粒子进入测量区域的标定平面形成动态平衡，示踪粒子对于流场的分析仍有效果。

经过该控制器分析并比较全部平面上、全部实验时间的所有测量图像后，即可将示踪粒子的二维速度矢量进一步合成为三维速度矢量，再通过公式计算为示踪粒子的加速度与涡量矢量。由连续不间断的示踪粒子矢量图可以用来表示实验流场的矢量信息。

在本实施例中，该控制器具体可以通过将所有测量图像输入至Dynamic Studio软件或通过其他任意可能的方式以得到各示踪粒子的三维速度矢量，本申请实施例对此不做限定。

具体地，大致原理类似于基于视差原理测量二维平面上的三维速度场的方法，模仿人眼的双目视觉功能，用至少两台相机同时从不同的角度拍摄同一测量平面上的示踪粒子，从而消除平面内的速度误差，同时获得粒子在平面外方向上的速度分量。将两台相机分别偏离轴线一定角度对示踪粒子进行拍摄，得到示踪粒子在各自拍摄到的测量图像中的位移量（该位移量是指示踪粒子在与相机的拍摄方向垂直的方向上移动的距离）。将这两组数据联立，结合相机的位置和角度，求解得到粒子在拍摄平面上的实际位移（包括示踪粒子在与相机拍摄方向垂直的方向上移动的距离、以及示踪粒子在与相机拍摄方向平行的方向上移动的距离），同时也可以得到其在平面外的位移。

由于从任意两张拍摄时间连续的图像中可以确定各个示踪粒子的移动距离，再根据移动距离和拍摄时间间隔就可以计算出各个示踪粒子的移动速度和/或加速度。进而可以通过如下公式利用三维速度矢量来计算示踪粒子的涡量矢量：

其中，ω为涡量，ω_x为x方向的涡量，ω_y为y方向的涡量，ω_z为z方向的涡量。U为速度，u_x为x方向的速度，u_y为y方向的速度，u_z为z方向的速度。a为x方向上的位移量，b为y方向上的位移量，c为z方向上的位移量。

这样，就可以根据拼接的图像准确、可靠地得到待测物体的流场信息。

为了更好地说明本申请实施例提供的水下流场信息测量系统，本申请实施例还提供了一种水下流场信息测量方法，其具体的实现过程以及技术效果参见上述，下述不再赘述。

如图5所示，该水下流场信息测量方法可以应用于上述任一实施例中的水下流场信息测量系统，具体由水下流场信息测量系统中的控制器执行。该方法可以包括：

步骤201：控制采集装置对准标定装置，并调节该采集装置的焦距，以标定该采集装置。

在本实施例中，该采集装置可以是上述任一采集装置102，该标定装置可以是上述标定装置103。

值得注意的是，在执行步骤201之前，可以先控制该标定装置中的各标定板按一定频率发光、以形成发光图案。步骤201的操作具体可以是控制该采集装置中的各相机分别对准该标定装置中与该采集装置对应的标定板。并且，调节该采集装置中的各相机的焦距，直至各相机分别能清晰地拍摄到该标定装置中对应标定板的发光图案。

步骤202：控制激光装置发射激光，并通过调整该激光装置的出光方向使得该激光射向该测量水槽内的测量区域，以标定该激光装置。

在本实施例中，该激光装置可以是指与该采集装置对应的激光装置104。

具体地，可以控制该激光装置中的激光器向导光臂发射激光，由导光臂将激光传播该激光装置中的片光源，并由该片光源将该激光转换为扇形光片、并将该扇形光片投射到该测量区域，进而完成标定。

步骤203：控制待测物体匀速向该测量区域移动。

具体可以将该待测物体安装固定在上述移动控制装置上，并控制该移动控制装置匀速穿过该测量区域，进而带动该待测物体匀速向该测量区域移动。

值得注意的是，由于该移动控制装置是匀速带动该待测物体通过该测量区域的，可以大幅度降低因加速度变化而产生的干扰，进而可以提升流场信息测量的可靠性和准确性。

步骤204：在该待测物体进入该测量区域时，控制该激光装置向该测量区域发射激光、并控制该采集装置采集多张不同角度的且具有示踪粒子的测量图像，直至该待测物体离开该测量区域。

值得说明的是，由于该采集装置中各相机的位置不同，且各相机是同步拍摄的，那么该采集装置就可以在同一时间拍摄到不同角度的测量图像，保证了不同角度拍摄与采集各测量图像的一致性与准确性。

步骤205：将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息。

进一步地，可以基于该标定装置的位置信息将同一时刻得到的测量图像进行拼接得到多帧拼接图像，并通过分析各拼接图像得到待测物体的流场信息。

其中，该标定装置的位置信息可以是指该标定装置中各标定板所在平面的相交线。

任一帧拼接图像是由在同一时刻拍摄到的多张测量图像拼接得到的，任一帧拼接图像可以表征多个不同角度的流场信息。

具体可以由通过PIV软件将同一时刻不同角度拍摄的各测量图像进行拼接，以得到各帧拼接图像。并且，分别分析所有拼接图像中两帧连续的拼接图像中示踪粒子的运动趋势，进而得到该待测物体的流场信息。本申请实施例对此不作限定。

值得注意的是，通过对各采集装置和各激光装置进行标定，以使得各采集装置的采集范围能对准或覆盖该测量区域，并且使得各采集装置能对焦至该标定装置，进而确保各采集装置能准确、清晰地拍摄到该测量区域的图像。并使得各激光装置的出光方向能对准该测量区域，以确保在各采集装置采集该测量图像时，各激光装置能可靠地照亮该测量区域。

进而，通过对各测量图像进行拼接处理，就可以将同一时刻拍摄到的不同测量图像拼接成一张大视野图像，并且该大视野图像可以同时展示出各采集装置的采集范围。这样，就能得到该待测物体在不同角度的流场信息。

如此，可以适配不同尺寸的被测物体，进而达到提升测量数据的完善性和准确性的效果。

一种可能的实现方式中，控制该激光装置向该测量区域发射激光、并控制该采集装置采集多张不同角度的测量图像，包括：

控制该激光装置按照预设时间间隔发射激光，并将该激光转换为扇形光片投射至目标平面。

在本实施例中，可以控制该激光装置中的激光器按上述预设时间间隔向该导光臂的一端发射激光，由于之前已经完成标定，激光经该导光臂和该片光源的作用，可以产生扇形光片射向该目标平面。

由于该目标平面为该激光器对应的标定板所在平面，因此，该激光装置就可以将激光射向该测量水槽内的测量区域。

控制该采集装置按照预设帧率拍摄该测量区域，以得到各测量图像。

具体地，可以控制该采集装置中的各相机分别按照上述预设帧率同步拍摄该测量区域，以得到各测量图像。

该预设帧率与该预设时间间隔对应。

示例性地，若该待测物体的移动速度为10m/s，那么该预设时间间隔可以是0.001s，该预设帧率可以是1000fps，本申请实施例对此不作限定。

值得注意的是，这样，可以保证在该采集装置采集该测量图像时，能正好照亮该测量区域内的待测物体，避免了该采集装置采集的该测量图像出现全黑画面的可能。

一种可能的实现方式中，控制待测物体匀速向该测量区域移动之前，该方法还包括：

将该标定装置移出该测量区域，并在该测量区域布撒示踪粒子。

其中，该示踪粒子可以反射该激光的示踪粒子，该示踪粒子的密度与该测量水槽中容纳的液体的密度相近，该示踪粒子用于跟随流体一起运动，以便通过这些示踪粒子来观察流体的运动，进而将流体的各种流动现象显示出来。

可以理解的是，在将该标定装置移出该测量区域之后，该待测物体则可以顺利通过进、出该测量区域，避免与该标定装置发生碰撞或被该标定装置阻挡。

在一些可能的实现方式中，该水下流场信息测量方法还可以包括其他任意可能的步骤，并且由该处理装置的执行以控制上述水下流场信息测量方法实现在上述实施例中任意能够实现的功能或效果。本申请实施例在此不做赘述。

在上述实施方式的基础上，基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种水下流场信息测量装置。

示例性地，本申请实施例提供的一种水下流场信息测量装置可以包括：

控制模块，可以用于控制采集装置对准标定装置，并调节该采集装置的焦距，以标定该采集装置。

控制模块还可以用于控制激光装置发射激光，并通过调整该激光装置的出光方向使得该激光射向该测量水槽内的测量区域，以标定该激光装置。

控制模块还可以用于控制待测物体匀速向该测量区域移动。

控制模块还可以用于在该待测物体进入该测量区域时，控制该激光装置向该测量区域发射激光、并控制该采集装置采集多张不同角度的且具有示踪粒子的测量图像，直至该待测物体离开该测量区域。

处理模块还可以用于将各测量图像进行拼接处理以得到该待测物体的流场信息。

可以理解的是，本申请实施例提供的水下流场信息测量装置，能够实现上述实施方式提供的任一种水下流场信息测量方法的步骤，具有对应的有益效果，在此不赘述。

以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC），或，一个或多个微处理器，或，一个或者多个现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称FPGA）等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统（system-on-a-chip，简称SOC）的形式实现。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行，以实现上述任一实施例提供的水下流场信息测量方法的步骤。

在一些实施例中，本申请还提供一种程序产品，例如计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述任一水下流场信息测量方法实施例。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种水下流场信息测量系统，其特征在于，所述系统包括：测量水槽、多个采集装置、标定装置、多个激光装置、控制器；

所述测量水槽的底面和壁面均透明；各所述采集装置分别设置在所述测量水槽的至少两个壁面外侧，且各所述采集装置分别对所述测量水槽内部进行采集；

各所述采集装置和各所述激光装置分别与所述控制器连接；

其中，所述标定装置用于标定测量区域的位置，并为各所述采集装置和各所述激光装置提供标定信息；

各所述采集装置用于基于所述标定信息对准所述测量区域、并对焦，以进行采集；各所述激光装置用于基于所述标定信息使得各所述激光装置的出光方向对准所述测量区域；

所述控制器用于在各所述采集装置和各所述激光装置完成标定、且待测物体进入所述测量区域时，控制各所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制各所述采集装置分别采集多张具有示踪粒子的测量图像，直至所述待测物体离开所述测量区域；

所述控制器还用于将各所述测量图像进行拼接处理以得到所述待测物体的流场信息；

所述标定装置包括三个或三个以上的标定板；

各所述标定板之间的夹角为预设角度，且各所述标定板所在平面相交于同一直线；

各所述采集装置与各所述标定板一一对应，各所述采集装置中分别包括至少两个相机，各所述相机分别与所述控制器连接；所述采集装置中任意两个对应的相机相对于预设平面对称；

所述预设平面垂直于与所述相机对应的标定板所在平面，且与所述相机对应的标定板的几何中心位于所述预设平面上。

2.根据权利要求1所述的水下流场信息测量系统，其特征在于，或者，所述标定装置包括两个标定板；

各所述标定板所在平面互相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的水下流场信息测量系统，其特征在于，其中，所述采集装置中的各所述相机分别在不同角度对准与所述采集装置对应的标定板，且通过调整各所述相机的焦距以使得各所述采集装置对焦，以完成标定；

各所述相机还用于在所述控制器的控制下按照预设帧率同步拍摄所述测量区域，以得到各所述测量图像；所述预设帧率与所述待测物体的移动速度和/或转速正相关。

4.根据权利要求1或2所述的水下流场信息测量系统，其特征在于，所述激光装置的数量与所述标定板的数量相同，所述激光装置至少包括激光器、导光臂、片光源；

所述激光器与所述控制器连接；

其中，所述激光器用于在所述控制器的控制下按照预设时间间隔向所述导光臂的一端发射激光，所述预设时间间隔与所述待测物体的移动速度和/或转速负相关；

所述导光臂用于将所述激光传输至所述片光源；

所述片光源用于将所述激光转换为扇形光片，并将所述扇形光片投射到目标平面，所述目标平面为所述激光器对应的标定板所在平面，以完成标定。

5.根据权利要求1所述的水下流场信息测量系统，其特征在于，所述系统还包括：移动控制装置；

所述移动控制装置与所述控制器连接；

其中，所述移动控制装置用于安装固定所述待测物体，并且在所述控制器的控制下，匀速带动所述待测物体通过所述测量区域。

6.一种水下流场信息测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的水下流场信息测量系统；所述方法包括：

控制采集装置对准标定装置，并调节所述采集装置的焦距，以标定所述采集装置；

控制激光装置发射激光，并通过调整所述激光装置的出光方向使得所述激光射向所述测量水槽内的测量区域，以标定所述激光装置；

控制待测物体匀速向所述测量区域移动；

在所述待测物体进入所述测量区域时，控制所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制所述采集装置采集多张不同角度的且具有示踪粒子的测量图像，直至所述待测物体离开所述测量区域；

将各所述测量图像进行拼接处理以得到所述待测物体的流场信息。

7.根据权利要求6所述的水下流场信息测量方法，其特征在于，所述控制所述激光装置向所述测量区域发射激光、并控制所述采集装置采集多张不同角度的测量图像，包括：

控制所述激光装置按照预设时间间隔发射激光，并将所述激光转换为扇形光片投射至目标平面；

控制所述采集装置按照预设帧率拍摄所述测量区域，以得到各所述测量图像，所述预设帧率与所述预设时间间隔对应。

8.根据权利要求6所述的水下流场信息测量方法，其特征在于，所述控制待测物体匀速向所述测量区域移动之前，所述方法还包括：

将所述标定装置移出所述测量区域，并在所述测量区域布撒示踪粒子。