CN1563925A - 高速复杂流场的全场光学测量方法与测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速复杂流场的全场光学测量方法与测量装置，属于流场测试技术领域。所述的方法采用光谱时序复用与光谱分离技术，过程包括采用至少三种不同波长激光为照明片光并以脉冲时间间隔不同的Δt对被测流场进行照明；采用至少三只独立的CCD进行图像记录对同一物空间成像；每只CCD只是记录与其对应的波长光照明的粒子图像，消除了互相关DPIV的测量上限。所述的装置包括由脉冲激光器，激光脉冲时序控制器，分光器，多CCD摄像机及计算机组成，多CCD摄像机至少设有三只CCD探测器，另外包括一个成像透镜，两个全反镜，两个分光镜和三个干涉滤光片构成。本发明的优点在于对高速复杂流场的全场测量不但提供有效的解决方案，而且提高其测试精度。

Description

高速复杂流场的全场光学测量方法与测量装置

                                技术领域

本发明涉及一种高速复杂流场的全场光学测量方法与测量装置，属于流场测试技术领域。

                                背景技术

高速复杂结构流场全场测量是航空航天等领域中研究空气动力学，燃烧学等问题的关键技术。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是在流动显示技术的基础上，利用计算机图像处理技术从记录下来的粒子图像中定量获取流场信息。早期的PIV采用感光胶片，使用双曝光或多次曝光技术将粒子图像记录下来，形成PIV底片。利用光学杨氏条纹法或粒子图像相关等方法逐点处理PIV底片，获取每一判读点小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场的二维速度的大小和方向。

微电子与计算机技术的飞速发展使PIV技术无论是在粒子图像记录还是图像处理方面都发生了巨大的变化，使得PIV技术向更实用化方向发展。数字PIV(称为Digital PIV，简称DPIV)采用CCD器件直接记录粒子图像，计算机实时处理图像，计算并显示流场的流速分布。与传统PIV类似，DPIV也可以采用双曝光的模式记录相继两个时刻的粒子图像，采用自相关图像处理的方法获取二维速度场分布。该方法既可用于低速流场也可用于高速流场，但存在所谓180度的方向二义性问题。这个问题对复杂流场(如流场有旋涡或回流)的测量是个致命的缺点。为解决该问题，人们提出并发展了双幅记录结合互相关图像处理的方法。然而，为实现对高速流场的测量，必须解决如何记录两幅时间间隔很小的(微秒量级)图像的问题。目前最有效的方法是采用所谓跨帧(Frame Straddling)技术，它是通过控制激光脉冲与CCD的同步和延时，使第一个光脉冲在时序上尽可能地位于第一帧即将结束的位置，而第二个光脉冲尽可能地位于第二帧刚刚开始的位置，在软硬件设备无重大改变的情况下使两光脉冲时间间隔缩小到10微秒量级，改善DPIV互相关技术的测速上限，可实现100m/s左右的速度测量。

跨帧技术还可以在一种特殊设计的CCD上实现。这种CCD对应每一个像素都设有一个缓存单元，在对第一个激光脉冲曝光后，CCD将所有像素的电荷并行转移到缓存区，之后即可以对二个激光脉冲进行曝光。这样即实现了将对应两个激光脉冲的粒子图像分别记录在两幅图像上。目前的跨帧技术可实现的最小脉冲间隔为微秒量级，可以满足亚音速范围的流场测量。受目前技术条件的限制突破这个极限在短期还难以实现。由于这种CCD结构特殊，使之价格相当昂贵。

在DPIV中，粒子的运动信息是通过相关分析获取的。相关分析本质上是一种统计学方法，即用数字方法将整幅粒子图像分成若干个诊断区域，逐个区域进行分析，所获得的速度矢量代表的是各诊断区域内粒子的平均速度。因此如何确定判读窗口(相关窗口)的大小就成为一个关键的环节，它将直接影响到分析结果的精度和可靠性。窗口取得过大，单个矢量已不能充分描述该区域的流动状态；窗口取得过小，则在第一幅图像记录的大部分粒子可能会跑出第二幅图像上的相关区域，丧失了进行相关分析的基本条件，而使测量无效。实际测量中常将相关窗口取为32×32或64×64像素。由采样定理可知，粒子对的像间距最大值不应超过相关窗口尺度的1/2，而有研究表明，粒子对最大位移以不超过窗口尺度的1/4为佳。相关分析的直接结果的精度为±1像素，经过插值和曲线拟合可将精度提高到±0.1像素的水平。

综上所述，跨帧技术虽然在一定范围内解决了高速流场测量问题，但是对有旋涡或回流的复杂流场，由于流速梯度大，以一种固定的时间间隔记录的两幅图像难以兼顾低速区和高速区的速度测量精度，甚至会造成某些区域的测量无效。

                                发明内容

本发明的目的就是提供一种高速复杂流场的全场光学测量方法与测量装置，它从根本上解决了互相关DPIV的测量上限问题，从而提高测量精度。

本发明是通过下述方案加以实现的。采用光谱时序复用与光谱分离技术，实现高速复杂流场的全场光学测量方法，其特征在于包括下列过程：

1.采用时序可调控的至少三种不同波长的脉冲激光为照明片光，并以脉冲时间间隔不同的Δt对被测流场进行照明；

2.采用至少三只独立的CCD进行图像记录，精确定位使三只CCD的每个像素相对应，即对同一物空间成像；

3.位于CCD之前设置分光光学系统，将示踪粒子对不同波长的照明光产生的散射光进行分离并将它们分别导向三只独立的CCD，从而每只CCD只是记录与其对应的波长光照明的粒子图像，相继两幅粒子图像之间的时间间隔完全由激光脉冲之间的时间间隔Δt决定，而不受单个CCD帧转移时间的限制，消除了互相关DPIV的测量上限。

应用上述测量方法，实施高速复杂流场的全场光学测量使用的装置，包括由脉冲激光器，激光脉冲时序控制器，分光器，多CCD摄像机及计算机组成，其特征在于，脉冲激光器的个数至少是波长为440-500nm，500-560nm，570-670nm三个脉冲激光器；多CCD摄像机至少是设有三只CCD探测器，另外包括一个成像透镜，两个全反镜，两个分光镜和三个干涉滤光片构成。

在三个脉冲时序控制上，可根据被测流场的特征，设置两个不同的时间间隔Δt₁和Δt₂。比如对速度梯度很大的流场，适当选取Δt₁使高速区域的粒子图像既具有良好相关性的同时又保证测量精度。类似地，适当选取Δt₂而使低速区域的粒子图像既具有良好的相关性，也保证其测量精度。即通过对Δt₁和Δt₂的控制达到有效增大DPIV动态范围和提高全场测量精度的目的。因此，本发明的优点在于对高速复杂流场的全场测量不但提供有效的解决方案，而且提高其测试精度。

                                附图说明

图1为本发明涉及的高速复杂流场的全场光学测量装置的结构框图。图中101为输出波长为λ₁的脉冲激光器，102为输出波长为λ₂的脉冲激光器，103为输出波长为λ₃的脉冲激光器，104为激光脉冲时序控制器，105为对λ₁高透而对λ₂高反的分光镜，107为对λ₁和λ₂高透而对λ₃高反的分光镜，106，108为全反镜，109为计算机，110为柱面镜，111为被测流场，112为照明被测流场的片光，113为多CCD摄像机。

图2为多CCD摄像机113的结构框图，图中201为成像透镜，202，204为全反镜，203为对λ₁高反而对λ₂和λ₃高透的分光镜，205，208，210为干涉滤光片，207为对λ₂高反而对λ₃高透的分光镜，206，209，211为CCD探测器。

图3为分光镜203的透射光谱曲线图。

图4为分光镜207的透射光谱曲线图。

                            具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法作详细说明。如附图1所示，由激光器101，102和103产生的波长分别为λ₁，λ₂和λ₃的脉冲激光，由反射镜105，106，107和108组成的合束光路合为一束。柱面镜110将激光束变换为激光片光112，对被测流速场111照明，该片光所在的平面即为被测流速场平面。多CCD摄像机113位于与激光片光112垂直或成一夹角θ的方向，对被激光片光112照明的流速场平面内的粒子成像并记录粒子图像。

多CCD摄像机113由成像透镜201，分光光路，干涉滤光片，以及三只独立的CCD探测器构成。来自被测流速场中示踪粒子的散射光线被反射镜203按波长分开，波长为λ₁的光被反射，而波长为λ₂和λ₃的光全部透射。附图3给出了反射镜203的透射光谱曲线。被分光镜203反射的波长为λ₁的光由全反镜202再次反射后，经干涉滤光片205，到达CCD探测器206。干涉滤光片205的通带设计在λ₁波长，其作用是彻底阻止波长为λ₂和λ₃的光到达CCD探测器206，以消除通道之间的串扰。通过分光镜203的光线到达分光镜207，在此波长为λ₂的光被反射，而波长为λ₃的光全部透射。附图4给出了反射镜207的透射光谱曲线。被分光镜207反射的波长为λ₂的光由全反镜204再次反射后，经干涉滤光片208，到达CCD探测器209。干涉滤光片208的通带设计在λ₂波长。透过分光镜207的波长为λ₃的光经干涉滤光片210，到达CCD探测器211。干涉滤光片210的通带设计在λ₃波长。CCD探测器206，209和211经精确定位，使它们的各像素相互对应，即通过成像和分光系统后，CCD探测器206，209和211同一位置的像素对物空间的同一点成像。由于分光和滤光系统的作用，CCD探测器206，209和211分别记录由波长为λ₁，λ₂和λ₃的脉冲激光照明的粒子图像。如果波长为λ₁，λ₂和λ₃的脉冲激光分别在t₀，t₁和t₂(Δt₁＝t₁-t₀，Δt₂＝t₂-t₀)时刻产生，则不同时刻的脉冲激光照明的粒子图像分别被记录在三只独立的CCD探测器上。由于波长为λ₁，λ₂和λ₃的激光脉冲的产生时刻可由激光脉冲时序控制器104控制，所以相继两幅粒子图像之间的时间间隔根据被测流速的大小任意设置，即采用本发明提供的方法可完成高速流场的测量。当被测流场存在旋涡或回流时，适当选取Δt₁使高速区域的粒子图像既具有良好相关性的同时又保证测量精度。类似地，适当选取Δt₂而使低速区域的粒子图像既具有良好的相关性，也保证其测量精度。即通过对Δt₁和Δt₂的控制达到有效增大DPIV动态范围和提高全场测量精度的目的。

由多CCD摄像机113记录的图像传至计算机109，图像将采用下述方法进行处理以获取二维流速矢量分布。计算机109控制和同步CCD摄像机113和激光脉冲时序控制器104。

设由三只CCD探测器记录的t₀，t₁和t₂时刻的粒子图像分别为f₁(m，n)，f₂(m，n)和f₃(m，n)，(1≤m≤M，1≤n≤N，M×N为CCD像素数)。以(m，n)为中心取K×K像素为查询区间，分别计算f₂(m，n)与f₁(m，n)，f₃(m，n)与f₁(m，n)的互相关系数： $C_{f1f2}(m,n)=F^{-1}[F_1\·F_2^{*}]$ 和 $C_{f1f3}(m,n)=F^{-1}[F_1\·F_3^{*}],$ 其中，F₁，F₂和F₃分别为f₁(m，n)，f₂(m，n)和f₃(m，n)在查询区间的付立叶变换；F^-1[A]表示A的付立叶逆变换。由互相关系数的最大值的位置即可确定在(m，n)点的位移分量(Δx₁，Δy₁)和(Δx₂，Δy₂)。由互相关系数的最大值的大小以及位移分量的大小判别是位移分量(Δx₁，Δy₁)还是位移分量(Δx₂，Δy₂)为合理值，并由此计算流速分量：V_x＝Δx_i/Δt_i，V_y＝Δy_i/Δt_i(i取1或2)。在确定位移分量(Δx₁，Δy₁)和(Δx₂，Δy₂)的计算过程中，为提高精度，要采用插值和曲线拟合等标准算法。这些算法对于本领域的专业技术人员是不陌生的。

Claims (2)

1.一种高速复杂流场的全场光学测量方法，该方法采用光谱时序复用与光谱分离技术，其特征在于包括下列过程：

(1)用时序可调控的至少三种不同波长的脉冲激光为照明片光，并以脉冲时间间隔不同的Δt对被测流场进行照明；

(2)用至少三只独立的CCD进行图像记录，精确定位使三只CCD的每个像素相对应，即对同一物空间成像；

(3)位于CCD之前设置分光光学系统，将示踪粒子对不同波长的照明光产生的散射光进行分离并将它们分别导向三只独立的CCD，从而每只CCD只是记录与其对应的波长光照明的粒子图像，相继两幅粒子图像之间的时间间隔完全由激光脉冲之间的时间间隔Δt决定，而不受单个CCD帧转移时间的限制，消除了互相关DPIV的测量上限。

2.一种实施按权利要求1所述的高速复杂流场的全场光学测量方法的装置，该装置包括由脉冲激光器，激光脉冲时序控制器，分光器，多CCD摄像机及计算机组成，其特征在于：脉冲激光器的个数至少是波长为440-500nm，500-560nm，570-670nm三个脉冲激光器；多CCD摄像机至少是设有三只CCD探测器，另外包括一个成像透镜，两个全反镜，两个分光镜和三个干涉滤光片构成。

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