CN1654962A - 两相流数字粒子图像测速的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流数字粒子图像测速的方法及其装置。测量方法是用合适的粒子示踪密相流体的流动，用高速CCD摄像机记录下示踪粒子及分散相颗粒、液滴或气泡的运动图像。采用图像处理的方法将分散相颗粒、液滴或气泡的图像从原始图像中分离出来。对分离出的分散相颗粒、液滴或气泡图像采用粒子跟踪的方法提取颗粒、液滴或气泡的速度，而对示踪粒子图像采用改进了的基于快速傅立叶变化的互相关技术提取示踪粒子的速度场，即密相流体的速度，以实现两相流动不同相速度场的同步测量。测量装置包括：氦氖激光器，产生片光的三棱镜和圆柱透镜，高速CCD摄像机，图像采集卡，控制及图像处理计算机。

Description

两相流数字粒子图像测速的方法及其装置

技术领域

本发明涉及多相流流场检测方法及装置，尤其涉及一种两相流数字粒子图像测速的方法及其装置。

背景技术

两相流动广泛存在于热能、航天、核能、化工、冶金、石油等工程中以及水环境和大气污染物排放中。例如气力和水力输送，粉尘分离和收集，液雾喷涂，煤粉燃烧，流化床，固体推进剂火箭尾喷管流动，反应堆内汽水两相流动以及炼钢炉内含气泡的流动等。当前对于两相流流动的测量较多的是基于激光技术的现代非接触式测量，包括激光多普勒测速仪(LDV)及相位多普勒粒子分析仪(PDPA或PDA)。尽管这些技术可实现两相速度的同时测量，但是无论LDA还是PDPA，存在一个主要缺点即只进行单点或多点测量，只能得到湍流的时间平均统计速度，因此无法满足测量包含相干结构的足够大区域湍流瞬时速度场的要求。另外PDPA只能用来测量圆度很好的颗粒，其有效测量体积依赖于粒子的大小和密度。另外，LDV和PDPA具有复杂的光学测量系统，给测量带来诸多不便。

数字粒子图像测速仪(DPIV)是由固体力学散斑法发展起来的一种全流场多点测量技术。该技术突破了传统单点测量的限制，可瞬时无接触测量全流场瞬时速度分布，且具有较高的精度。其基本原理是：在流场中均匀布撒示踪粒子，并用激光片光源入射到所测流场区域中，通过在很小的时间间隔Δt内，连续两次或多次曝光，由CCD摄像机得到数字图像。在图像处理中采用自相关或互相关等算法获得全流场速度分布。但目前使用的粒子图像测速仪只能应用于单相流动的测量，而不能对两相流动的不同相进行同步测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种两相流数字粒子图像测速的方法及其装置。

方法的步骤如下：

1)在两相流场中撒布示踪粒子，示踪粒子的运动代表了密相流体的运动；

2)氦氖激光器发出的激光束通过三棱镜、圆柱透镜散射为平面片光源，平面片光源通过透明窗口垂直入射到拍摄的流场平面；

3)用高速CCD摄像机拍摄两相流运动，获取示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡的运动图像；

4)将获取的运动图像采用图像处理的方法进行示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡图像分离，分别得到颗粒、液滴或气泡的图像以及示踪粒子图像；

5)对示踪粒子图像用改进了的基于FFT的粒子图像互相关方法提取示踪粒子的速度场；对颗粒、液滴或气泡的图像用颗粒跟踪方法提取单个颗粒、液滴或气泡的运动速度，实现流体一颗粒、液滴或气泡各相流动的同步测量。

所述用图像处理的方法进行示踪粒子与颗粒、液滴或气泡分离：是用最大类间方差选取阈值，将示踪粒子和颗粒、液滴或气泡从背景中分离出来；用形态学的腐蚀方法将示踪粒子和颗粒、液滴或气泡图像分离。

用改进了基于FFT粒子图像互相关方法提取示踪粒子的速度场：是将互相关的两个查询窗口中，第二个窗口扩大至第一个窗口中的粒子经Δt时间不会跑出的范围，Δt为连续两帧图像时间间隔，并往右和往下附0继续扩大至2的乘幂；第一个窗口往右和往下附0，扩大至和第二个窗口一样大小的窗口，提取的示踪粒子的速度场即代表了密相流体的速度场。

用颗粒跟踪方法提取单个颗粒、液滴或气泡的运动速度：是采用二值化图像相关法，当候选粒子的模式与参考粒子的模式重合面积最多的即为所要识别的粒子。

两相流数字粒子图像测速装置依次具有氦氖激光器、三棱镜、圆柱透镜、高速CCD摄像机、图像采集卡、控制及图像处理计算机。

所述高速CCD摄像机的光轴与氦氖激光器产生的片光平面相垂直。

本发明光学系统简单，光源采用氦氖激光光源，是一个连续光源，而不是传统DPIV的双脉冲光源，因此不需要延时器用于接受光脉冲延时量预置指令；氦氖激光器单色性好，激光光束的强度具有高斯分布，很适合粒子图像测速；氦氖激光器发出的点光源利用三棱镜、圆柱透镜简单的光学器件就可以形成片光；采用高速CCD数字摄像机，而不是传统DPIV的跨帧CCD数字照相机，因此不需要同步控制器控制激光器和摄像机同步工作，工作过程非常简单。

附图说明

图1是两相流数字粒子图像测速装置结构示意图；

图2是本发明图像处理软件流程框图；

图3是本发明基于FFT互相关算法的运算执行框图；

图4是本发明查询窗口改变示意图；

图5是本发明二值化图像互相关算法的原理图；

图6是本发明的实施例装置；

图7是本发明实施例中的气液两相流图像；

图8是本发明实施例中测量得到液体和气泡的速度场。

具体实施方式

本发明用数字粒子图像技术同步测量气液、气固或液固等两相流动各相速度的方法和一种具有简单光学测量系统的两相流数字粒子图像测速装置，以实现两相流动瞬时、全场的测量。

本发明所采用的技术方案是用合适的粒子示踪密相流体的流动，用高速CCD摄像机获取两相流运动图像，也即示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡的运动图像。由于示踪粒子和分散相颗粒、液滴或气泡的图像在几何大小、灰度值等方面具有明显的区别，利用这些信息，采用图像处理中选定最佳阈值和腐蚀的方法将分散相颗粒、液滴或气泡的图像从原始图像中分离出来。对分离出的分散相颗粒、液滴或气泡图像采用颗粒跟踪的方法提取颗粒、液滴或气泡的速度，而对示踪粒子图像采用改进了的基于FFT(快速傅立叶变化)的互相关技术提取示踪粒子的速度场，即密相流体的速度，以实现两相流动不同相速度场的同步测量。

如图1所示，两相流数字粒子图像测速装置依次具有氦氖激光器1、三棱镜2、圆柱透镜3、高速CCD摄像机4、图像采集卡5、控制及图像处理计算机6。高速CCD摄像机4的光轴与氦氖激光器1产生的片光平面相垂直。

在两相流场中撒布合适大小和浓度的示踪粒子用于跟踪密相流体的运动。示踪粒子应满足在流体中均匀分布、具有良好的光散射性、能够准确地跟随流体运动、并不会改变被测流体的特性。打开氦氖激光器1，激光器发出的连续激光束由三棱镜2导向，通过圆柱透镜3形成的片光照明流场。依据所需要的片光厚度和照明区域，可调整三棱镜2和圆柱透镜3的位置。计算机6向高速CCD摄像机4下达采集图像的命令。拍摄时，摄像机4光轴必须与激光片光平面相垂直。根据流动速度设置高速摄像机的拍摄速度，流动速度越大，拍摄的速度应选择越大。摄像机4采集的流场连续图像，通过图像采集卡5快速地存储并实时地输送到计算机6内，并进行后继的图像处理。

图像采集卡5是插在计算机6的插槽中的，计算机6采用Intel奔腾4,256M内存，40G硬盘以上的台式计算机，并且装有计算机采集显示软件、粒子-颗粒图像分离软件、粒子图像互相关软件和颗粒跟踪软件。计算机采集显示软件是实现对流场图像的实时采集和显示，该软件一般是图像采集卡自带的。高速CCD摄像机获取两相流图像，也即示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡的图像。首先用粒子-颗粒图像分离软件对获取图像进行粒子-颗粒、液滴或气泡分离，分别得到颗粒、液滴或气泡的图像以及示踪粒子图像。对示踪粒子图像用粒子图像互相关软件提取示踪粒子的速度场，即得到密相流体的速度；对颗粒、液滴或气泡的图像用颗粒跟踪软件提取颗粒、液滴或气泡的速度场，图像处理流程如图2所示。

粒子-颗粒图像分离的工作原理是基于图像灰度的不连续性和相似性。首先将示踪粒子和颗粒、液滴或气泡从背景中分离出来，方法为选定一个最佳的灰度阈值T，当像素灰度m(0≤m≤L)大于阀值T时，该像素为对象像素，否则为背景像素。其中阈值T的选取起关键作用，决定了分离的准确性，直接影响了最终的测量结果。当式(1)的类间方差σ(T)最大时，可得到最佳阀值：

σ(T)＝w0×(u0-u)²+w1×(u1-u)²        T＝0，1...L-1         (1)

其中：

$w0=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i/P$ $w1=\underset{T+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i/P$ $u0=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}i\×P_i/\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$ $u1=\underset{i=T+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}i\×P_i/\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$

u＝w0×u0+w1×u1

式中Pi为灰度值为i的像素的数目，P为图像中总像素数目。

由于颗粒、液滴或气泡体积一般比示踪粒子大，采用形态学的腐蚀方法实现粒子与颗粒、液滴或气泡的分离，其数学表达式为：

        AB＝{Z|B_zA}                                     (2)

式(2)表示B对A的腐蚀，其中B是一个结构算子矩阵，A为原图像，取

$B=\left|\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& 1& 1\\ 1& 1& 1\end{array}\right|$

对原图像进行腐蚀运算，标定颗粒、液滴或气泡的位置，实现示踪粒子和颗粒、液滴或气泡的分离。

粒子图像互相关方法提取示踪粒子的速度场是基于改进了的FFT互相关算法，提取局部微小区域内示踪粒子的平均运动速度，用平均速度来代替微小区域中心点的速度。该方法将数字化图像看作是随时间变化的离散的二维信号场序列，利用信号分析的方法，通过计算连续两幅图像的互相关函数得到图像中粒子的位移。图3表示了算法的运算执行框图。

由图3可知，该算法是在两帧图像(t及t+Δt时刻)的相同位置上选取两个查询窗口f(i，j)和g(i，j)，窗口的大小为M×N。为了提高测量精度，及避免FFT算法出现虚假值，选取的两个查询窗口做一些改变，如附图4所示。首先将第二个窗口I2扩大至(M+2D_max，N+2D_max)(如图4(a)所示)，D_max为粒子的最大位移。由于(M+2D_max)和(N+2D_max)不一定是2的乘幂，因此将I₂往右和往下附0，扩大至2的乘幂(如图4(b))。最后将第一个窗口I₁往右和往下附0，扩大至和I₂一样大小的窗口(如图4(b))。对新生成的两个窗口进行互相关：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fg}}^{*}(m,n)=\underset{i=0}{\overset{M^{*}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N^{*}-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}^{*}(i,j)g^{*}(i+m,j+n)----\left(3\right)$

其中 $\left\{\begin{array}{cc}{M}^{*}=2^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{if}& 2^{\mathrm{\&alpha;}-1}<M+2D_{\max }\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}\\ N^{*}=2^{\mathrm{\&beta;}}\mathrm{if}& 2^{\mathrm{\&beta;}-1}<M+2D_{\max }\&le;2^{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,$ 这里α，β是整数。符号(^*)代表新的窗口。

新函数f^*和g^*与原始函数f和g的关系为：

$\left\{\begin{array}{ccc}{f}^{*}(i,j)=f(i,j),& 0\&le;i\&le;M-1,& 0\&le;j\&le;M-1\\ f^{*}(i,j)=0& M\&le;i\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}},& N\&le;j\&le;2^{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{ccc}{g}^{*}(i,j)=g(i,j),& 0\&le;i\&le;M+2D_{\max }-1,& 0\&le;j\&le;N+2D_{\max }-1\\ g^{*}(i,j)=0& M+2D_{\max }\&le;i\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}},& N+{2D}_{\max }\&le;j\&le;2^{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.$

值得注意的是假如(m_p，n_p)是函数φ^* _fg的峰值，粒子位移

应该是(m_p-D_max，n_p-D_max)，而不是(m_p，n_p)。由位移 及连续两帧图像的时间间隔Δt即可得到示踪粒子的速度

$\stackrel{\&RightArrow;}{v}=\frac{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{s}}{\mathrm{\&Delta;t}}----\left(4\right)$

颗粒跟踪提取颗粒速度的方法是基于二值化图像相关算法。首先对分离出的颗粒图像进行二值化，在粒子内部像素值为1，外部为0，再通过粒子标定得到粒子的中心坐标。二值化图像相关算法的目的是识别第一帧图像(t时刻)上每一个粒子本身在第二帧图像(t+Δt时刻)上出现的位置。

假定连续两帧粒子图像的时间间隔Δt保持固定并且足够短。图5(a)和图5(b)分别代表t和t+Δt时刻的粒子图像，{par_i}(i＝1，...，N)表示(a)中以参考粒子I为中心，R为半径的模式内的粒子群，{par_j}(j＝1，...，M)表示(b)中以候选粒子J为中心，R为半径的识别模式内的粒子群。模式I和J的相关系数为

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{\&Integral;\&Integral;f_I(x,y)f_J(x+p,y+q)\mathrm{dxdy}}{{\&Integral;\&Integral;f}_I^2\mathrm{dxdy}\&Integral;\&Integral;f_J^2\mathrm{dxdy}}----\left(5\right)$

其中，f_I和f_J表示模式I和J的特征函数，p和q分别表示粒子I和J的中心距离。将模式I平移，使得粒子I和J的中心相重合，附图5(c)，则C_ij从上式中可得

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\&Sigma;Area}({\mathrm{par}}_i\&cap;{\mathrm{par}}_j)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Area}\left({\mathrm{par}}_i\right)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Area}\left({\mathrm{par}}_j\right)}}----\left(6\right)$

式中，Area表示面积，Area(par_i∩par_j)表示模式I和J中粒子的重合面积。计算重合面积时，对所有粒子假想为同一半径r，此r与真实粒子的大小无关，只是为了计算相关系数而引入的。一个经验公式

(其中N₀为图像中的粒子总数，A₀为图像面积)可用于r的选定。这个经验公式已在多种测量中得到验证。

计算所有候选粒子J与粒子I的相关系数C_ij，给出C_ij最大的候选粒子即为I所要识别的粒子。计算粒子I和其在配对粒子间的运动位移 则粒子的运动速度由式(4)计算得到。

图6示出了本发明一个实施例，这个实例是测量气液两相流中液体与气泡的各相运动速度。在这个实例中，一个大小为100×100×1000mm³的透明有机玻璃容器7里盛满了无色透明的硅油，硅油里均匀布撒了直径为75～150μm、密度为1010kg/m³的白色多空高聚物粒子。氮气自容器底部的一排细小针孔9均匀射入液体中，在液体中形成上升的气泡流。一个4mW氦氖激光器1产生的光束经三棱镜和圆柱透镜形成约1mm左右厚的片光8照射拍摄的流场，用SonyDCR-VX1000 CCD摄像机4记录下容器里的气液两相流动的图像，图像的大小为640×480像素。图像通过图像采集卡传入计算机6。图7(a)为原始的气泡和粒子的图像，该图像经粒子-颗粒图像分离软件分离后分别得到如图7(b)和7(c)的粒子和气泡的图像。对于连续的两帧粒子图像用粒子图像互相关软件提取示踪粒子的速度场，即得到硅油的运动速度；对于连续的两帧气泡图像用颗粒跟踪软件得到气泡的运动速度。测量得到的两相流的运动速度矢量如图8所示。

Claims (6)

1、一种两相流数字粒子图像测速方法，其特征在于，方法的步骤如下：

1)在两相流场中撒布示踪粒子，示踪粒子的运动代表了密相流体的运动；

2)氦氖激光器发出的激光束通过三棱镜、圆柱透镜散射为平面片光源，平面片光源通过透明窗口垂直入射到拍摄的流场平面；

3)用高速CCD摄像机拍摄两相流运动，获取示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡的运动图像；

4)将获取的运动图像采用图像处理的方法进行示踪粒子与分散相颗粒、液滴或气泡图像的分离，分别得到颗粒、液滴或气泡的图像以及示踪粒子图像；

5)对示踪粒子图像用改进了的基于FFT的粒子图像互相关方法提取示踪粒子的速度场；对颗粒、液滴或气泡的图像用颗粒跟踪方法提取单个颗粒、液滴或气泡的运动速度，实现流体-颗粒、液滴或气泡各相流动的同步测量。

2、根据权利1所述的一种两相流数字粒子图像测速方法，其特征在于：所述用图像处理的方法进行示踪粒子与颗粒、液滴或气泡分离：是用最大类间方差选取阈值，将示踪粒子和颗粒、液滴或气泡从背景中分离出来；用形态学的腐蚀方法将示踪粒子和颗粒、液滴或气泡图像分离。

3、根据权利1所述的一种两相流数字粒子图像测速方法，其特征在于：所述用改进了的基于FFT粒子图像互相关方法提取示踪粒子的速度场：是将互相关的两个查询窗口中，第二个窗口扩大至第一个窗口中的粒子经Δt时间不会跑出的范围，Δt为连续两帧图像时间间隔，并往右和往下附0继续扩大至2的乘幂；第一个窗口往右和往下附0，扩大至和第二个窗口一样大小的窗口，提取的示踪粒子的速度场即代表了密相流体的速度场。

4、根据权利1所述的一种两相流数字粒子图像测速方法，其特征在于：所述用颗粒跟踪方法提取单个颗粒、液滴或气泡的运动速度：是采用二值化图像相关法，当候选粒子的模式与参考粒子的模式重合面积最多的即为所要识别的粒子。

5、一种两相流数字粒子图像测速装置，其特征在于：它依次具有氦氖激光器(1)、三棱镜(2)、圆柱透镜(3)、高速CCD摄像机(4)、图像采集卡(5)、控制及图像处理计算机(6)。

6、根据权利5所述的一种两相流数字粒子图像测速装置，其特征在于：所述高速CCD摄像机(4)的光轴与氦氖激光器(1)产生的片光平面相垂直。

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