CN203232047U - 一种隔行扫描ccd的流动二维速度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置，本实用新型在待测流动对象（气体或液体）中植入示踪粒子，示踪粒子由于粘性会跟随流体一同运动，该测量装置采用连续发光的气体激光器(如He-Ne激光器)作为光源和普通的隔行扫描CCD传感器作为图像探测器，瞬态抓取一帧含有示踪粒子的流动图像，之后利用滤波、二值化对流动图像进行处理，再按照奇偶数行将隔行扫描的一帧图像分离成二幅图像，采用互相关技术进行计算处理，即可获得流动二维速度场。本实用新型无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现PIV全场速度测量；设备简单，价格低廉，适合不同场合下流场测量。

Description

一种隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置

技术领域

本实用新型属于流场测量技术领域，尤其涉及隔行扫描CCD传感器的二维瞬时流动速度场的测量技术。

背景技术

对于二维平面速度场的测量，主要有粒子示踪速度法(Particle TracerVelocimetry，简称PTV)和粒子图像速度法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)。PTV/PIV是20世纪80年代发展起来的研究流体力学的一种非常重要的仪器，它是通过在流场中散布跟随性与反光性良好的示踪粒子，用片状激光照射所测流场的切面区域，采用成像记录系统连续获取两次或多次曝光的粒子图像，再利用图像互相关方法获得每一个小区域中粒子图像的平均位移，即可得到全场的速度分布。PIV技术克服了以往单点测速技术的局限性，实现了对流场瞬态、全场、非接触、无干扰的测量，自出现后很短时间内就得到广泛应用，已成为流体力学和传热学研究中最重要的测量仪器，广泛地应用于与流动测量相关的各个领域，极大推动了流体力学、传热学、燃烧学等相关领域的科学发展。

但是目前商品化的PIV仪器设备复杂，价格昂贵。商业PIV仪器在国际市场价格要达20-30万美金，极大地限制了PIV测量仪的应用和发展。因此，研究和发展设备简单，价格合理，同时测量范围又可以满足大多数情况下的流场测量仪器也是PIV技术发展的方向之一。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本实用新型提供了一种隔行扫描CCD的流动二维速度场测量方法及装置。相比现有商用PIV仪器，本实用新型方法及装只需利用低功率、小型连续发光的气体激光器作为光源，而无需调制成为脉冲光，利用隔行扫描CCD摄像机记录流体的图像，因此利用一帧图像可测量流体的速度场，具有设备简单、成本低等优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本实用新型采用以下技术方案：一种隔行扫描CCD传感器的流动二维速度场测量方法的测量装置，包括激光器、透镜组、隔行扫描CCD和带图像采集卡的计算机，所述激光器光源出射端通过光学支架与柱面镜相连；所述头透镜组通过卡口与隔行扫描CCD连接，所述隔行扫描CCD通过信号电缆与计算机的图像采集卡连接。

作为优选，所述透镜组包括两个普通光学镜头，透镜组的放大率为0.501，焦距为225mm，f数5.9。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现PIV全场速度测量；设备简单，价格低廉，适合不同场合下流场测量。

附图说明

图1为本实用新型所述隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述测量方法的流程示意图。

其中，激光器1、透镜组2、隔行扫描CCD3、计算机4、柱面镜5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实用新型的工作原理：向待测流体中种植示踪粒子，示踪粒子受到激光片光源照射，隔行扫描CCD3在计算软件的控制下，由图像采集卡采集获取流场图像，并存储在计算机4内；在计算机4内，数据处理软件首先对获取的图像进行滤波、二值化处理，并将一帧图像分离成两场图像，对分离出的两场图像进行相关处理，即可获得待测流体二维速度场分布。

如图1所示，本实用新型的基于隔行扫描CCD3传感器的流动二维速度场测量装置主要包括光源、透镜组2、隔行扫描CCD3、图像采集卡、计算机4。光源可采用连续激光器1(如He-Ne激光器1)或脉冲激光器1，激光器1出射端通过光学支架与柱面镜5相连。透镜组2包括两个普通光学镜头(透镜组2的放大率0.501，焦距225mm，f数5.9，具体参数可以根据实验需求进行选择)，通过C卡口与隔行扫描CCD3连接。隔行扫描CCD3通过信号电缆与图像数据采集卡相连，数据采集卡嵌入在计算机4内。在计算机4内的图像数据处理系统控制下，可完成图像采集、存储与处理等整体协调。

如图2所示，下面对本实用新型的工作过程及数据计算具体说明：

待测流体中加入示踪粒子，激光器1出射光在柱面镜5的作用下形成扇形片状光，在片状光源的照射下，示踪粒子各自形成一个小的散射斑点，利用隔行扫描CCD3传感器获取一帧运动图像g(x,y)，包含两场图像，利用图像采集卡采集并储存在计算机4内。

从图像卡采集到的一帧粒子图像g(x,y)是一副退化的图像，需对其进行滤波恢复处理，可根据下式进行处理：

f^*(x，y)＝g(x,y)*h_w(x,y)   (I)

其中，f^*(x,y)是恢复处理后的图像，h_w(x,y)是基于Wiener滤波图像恢复的点扩散函数。

对经过滤波恢复的粒子图像f^*(x,y)的灰度进行二值化处理，分割为两组：

$f^{*}(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}0,& f^{*}(x,y)\∈[0,L_1]\∪[L_2,256]\\ 1,& f^{*}(x,y)\∈[L_1,L_2]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中L₁、L₂是按一定标准设定的域值。经过二值化处理的f^*(x,y)，是由1和0组成的矩阵。

将二值化处理的f^*(x,y)一帧图像按照奇偶行组合的规律分离成奇偶场图像，分别将奇偶图像作为一帧图像，因此可获得两帧图像

和

在奇偶场得到的两帧图像

和

基础上，对两帧图像

和

进行互相关计算，计算方法为：

$C_{\mathrm{ff}*}=\frac{L}{\sqrt{\mathrm{nm}}}---\left(3\right)$

其中，

是相关系数，L是

和

分别为两帧图像灰度矩阵中诊断窗口重叠元素都为1的个数，n和m分别为

和

矩阵中元素为1的个数。由相关理论可知，两个完全相同的图像相关系数最大，所以可以根据在一定区域内寻找相关系数的量大值的办法来确定诊断窗口内粒子群的位移(d_x,d_y)。

获得了诊断窗口内粒子群的位移(d_x,d_y)，结合两场图像之间的时间间隔τ，二维速度场可以通过式(4)和式(5)计算获得：

$v_x=\frac{d_x}{\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

$v_y=\frac{d_y}{\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

所述的基于Wiener滤波图像恢复的点扩散函数h_w(x,y)的传递函数H_w(u,v)可表示为：

$H_w(u,v)=\frac{H^{*}(u,v)}{{\left|H(u,v)\right|}^2+S_n(u,v)/S_f(u,v)}---\left(6\right)$

式中式中，H(u,v)为由于相机和物体之间的相对运动导致图像模糊的点扩散函数h(x,y)的传递函数，H^*(u,v)为H(u,v)复共轭，S_n(u,v)和S_f(u,v)分别为噪声和图像信号的功率谱，u和v分别为x，y方向上空间频率。获得了H_w(u,v)后，通过反傅立叶变换，可以获得h_w(x,y)。

对于图像由于相机和物体之间的相对运动的模糊，成像系统的传递函数H(u,v)可以表示为:

$H(u,v)=\frac{\sin \mathrm{\π}(\mathrm{\αu}+\mathrm{\βv})T}{\mathrm{\π}(\mathrm{\αu}+\mathrm{\βv})T}{e}^{-\mathrm{j\π}(\mathrm{\αu}+\mathrm{\βv})T}---\left(7\right)$

式中T为曝光时间，α，β为常数表示运动速度在x和y方向上的分量，可以把一估计值代入式中计算。

S_f(u,v)可由退化图像和原始图像的功率谱S_g(u,v)和S_f(u,v)之间满足：

S_f(u,v)＝S_g(u,v)/|H(u,v)|²   (8)

退化图是已知的，可以估算估算其平均相关函数获得功率谱S_g(u,v)。

对于噪声通常是白噪声，其功率谱可以通过计算一副噪声图像n(x,y)的自相关函数，在计算功率谱获得S_n(u,v)。

所述的阈值L₁和L₂的获取方法：可以通过实际测得的粒子像的灰度直方图，统计获得。L₀表示灰度等级频次最大的灰度值，P(L₀)出现的最大频次，在计算处理中对于灰度值小于0.1*P(L₀)的点统一标记为不感兴趣的点，为0；否则标记为1。

Claims (3)

1.一种隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置，其特征在于：包括激光器、透镜组、隔行扫描CCD和带图像采集卡的计算机，所述激光器光源出射端通过光学支架与柱面镜相连；所述头透镜组通过卡口与隔行扫描CCD连接，所述隔行扫描CCD通过信号电缆与计算机的图像采集卡连接。

2.根据权利要求1所述隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置，其特征在于：所述透镜组包括两个普通光学镜头，透镜组的放大率为0.501，焦距为225mm，f数5.9。

3.根据权利要求1所述隔行扫描CCD的流动二维速度场测量装置，其特征在于：所述激光器采用连续发光的气体激光器。

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