CN2606895Y

CN2606895Y - 数字式粒子图像测速系统

Info

Publication number: CN2606895Y
Application number: CN 03242216
Authority: CN
Inventors: 申功炘; 魏润杰; 曹晓光; 代钦
Original assignee: 申功炘
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-03-17
Anticipated expiration: 2013-03-19

Abstract

本实用新型是一种数字式粒子图像测速系统，包括：一个双YAG脉冲激光器，周期性地提供两束相隔所述预定时间的被观测流场的片光照明光源；一个延时器，将同步控制信号和延时控制信号分别供应给双YAG脉冲激光器；一个同步控制器，产生分别发送给延时器和图像采集板的，使双YAG脉冲激光器与跨帧CCD数字相机同步工作的同步控制信号；一个跨帧CCD数字相机，在双脉冲激光器发射激光光脉冲的同时记录流场的粒子图像；一个图像采集板，按照同步控制信号控制跨帧CCD数字相机的图像帧，并且将该图象数据实时高速地传输给计算机；一个台式计算机，产生分别发送给同步控制器和延时器的同步和延时指令，并分析和处理从图像采集板接收的图象数据，以得到测速结果。

Description

数字式粒子图像测速系统

技术领域

本实用新型涉及一种数字式粒子图像测速系统。

背景技术

非定常(非周期性的)、复杂空间结构的流动现像是十分普遍又是最缺乏了解的空气动力(流体力学)前沿疑难问题。也是许多国防工程，军用飞行器研制中迫切需要解决的多年来又难以解决的空气动力关键技术问题。

尽管CFD(计算流体力学)数值模拟提供了一种研究手段，但不仅仍受计算机能力当今水平的限制，而且根本上就毕竟不同于物理的实验观测，缺乏可信度和结果分析依据。因而建立发展非接触、瞬态、全空间流场和时间历程的实验观测技术(简称全流场观测)为世界瞩目，作为上述流体力学疑难问题的解决很大程度上取决于全流场观测技术研究和应用的进展。以前使用的流场测试仪器主要是使用接触式的热线风速仪、皮托管，其只能进行单点测量，而且测试仪器放入流场中，对流场有干扰，非接触式的多普勒测速技术对流场没有干扰，但也是属于单点测量。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种数字式粒子图像测速(DPIV)系统，可以在风洞、水洞中实现非接触(光学测量)、瞬时、全流场(一个截面测量成千上万个二维(u，v)或三维(u，v，w)速度向量)，和时间历程(10-15幅速度分布图/秒，几十秒至几分钟)并接近实时的观测。

本实用新型的上述目的是这样实现的，一种数字式粒子图像测速系统，包括：

一个双YAG脉冲激光器，分别与一个延时器相连接，接收定时发射激光光脉冲的定时控制信号，和接收使第二台激光器滞后第一台激光器一个预定时间发射激光光脉冲的延时控制信号，用于周期性地提供两束相隔所述预定时间的被观测流场的片光照明光源；

一个延时器，分别连接同步控制器、计算机和双YAG脉冲激光器，分别接收同步控制器的同步控制信号和计算机的光脉冲延时量预置指令，并且将同步控制信号和延时控制信号分别供应给双YAG脉冲激光器；

一个同步控制器，分别连接延时器、图像采集扳和计算机，接收计算机发出的各同步参数预置指令，产生分别发送给延时器和图像采集扳的，使双YAG脉冲激光器与跨帧CCD数字相机同步工作的同步控制信号；

一个跨帧CCD数字相机，与图像采集板连接，在双脉冲激光器发射激光光脉冲的同时记录流场的粒子图像；

一个图像采集板，分别连接跨帧CCD数字相机、计算机和同步控制器，接收同步控制器的同步控制信号，由此控制跨帧CCD数字相机两个相隔预定时间的帧的出现时刻，并且采集上述数字相机记录图像的数据，将该图象数据实时高速地传输给计算机；

一个台式计算机，产生分别发送给同步控制器和延时器的同步参数和延时量的预置指令，并分析和处理从图像采集扳接收的图象数据。

本实用新型的数字式粒子图像测速系统还包括一个粒子发生器和布撒装置。

本实用新型的的数字式粒子图像测速系统还包括设置在所述双YAG脉冲激光器的激光光脉冲光路上的圆柱透镜、长焦距透镜用于产生片光。

下面结合附图以具体实例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是一个实现本实用新型的实例的示意图；

图3是本实用新型的数字式粒子图像测速系统软件框图；

图4是显示本实用新型的同步和延时控制的时序图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的数字式粒子图像测速系统包括：

一个双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2，分别与一个延时器3相连接，接收定时发射激光光脉冲的定时控制信号，和接收使第二台激光器YAG2滞后第一台激光器YAG1一个预定时间发射激光光脉冲的延时控制信号，以便周期性地提供两束相隔所述预定时间ΔT的被观测流场的片光照明光源；

一个延时器3，分别连接同步控制器4、计算机7和双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2，分别接收同步控制器4的同步控制信号和计算机7的光脉冲延时量预置指令，并且将同步控制信号和延时控制信号分别供应给双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2；

一个同步控制器4，分别连接延时器3、图像采集扳6和计算机7，接收计算机发出的各同步参数预置指令，产生分别发送给延时器3和图像采集扳4的，使双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2与跨帧CCD数字相机5同步工作的同步控制信号；

一个跨帧CCD数字相机5，与图像采集板6连接，在双脉冲激光器发射激光光脉冲的同时记录流场的粒子图像；

一个图像采集板6，分别连接跨帧CCD数字相机5、计算机7和同步控制器4，接收同步控制器4的同步控制信号，按照同步控制信号控制跨帧CCD数字相机两个相隔预定时间的帧的出现时刻，并且采集上述数字相机记录图像的数据，将该图象数据实时高速地传输给计算机7；

一个计算机7，产生分别发送给同步控制器4和延时器3的同步和延时量的预置指令，并分析和处理从图像采集扳6接收的图象数据。

本实用新型的数字式粒子图像测速系统还包括一个粒子发生器和布撒装置9。

本实用新型的的数字式粒子图像测速系统还包括设置在所述双YAG脉冲激光器的激光光脉冲光路上的圆柱透镜、长焦距透镜10，用于产生片光。

数字式粒子图像测速系统(DPIV)的基本工作原理是：在流场中布撒适当大小和浓度的示踪粒子跟随流体流动；用激光光束形成的片光照明流场；采用跨帧数字式相机5拍摄到前后时延精确可调的两帧瞬时粒子图像；通过互相关算法等数字图像处理，取得瞬时流场一个切面内成千上万个速度分布向量；并从这瞬时速度向量分布可导出瞬时涡量场、瞬时流线等各种流体参数场。采用激光器组YAG1和YAG2和跨帧CCD相机5的同步工作，可以10幅速度场/秒的速率连续记录和测量流场，从而实现对流动的速度场的时间历程的测量。

这是一种直接测速原理测速技术，如下列公式所示

{\underset{&OverBar;}{u}}_{i} = \frac{{\underset{&OverBar;}{x}}_{2 i} - {\underset{&OverBar;}{x}}_{1 i}}{Δt}

式中 x ₁， x ₂分别为时刻t₁，t₂的粒子空间位置向量

Δt＝t₂-t₁为不同时刻的时间间隔

i为某一粒子或某粒子团

u为速度向量

直接由跟随流体运动的粒子位移及相应的时间间隔确定各点的速度向量。测量的精度取决于时间间隔Δt和位移的精度。Δt的精度由光脉冲延时器高精度确定，粒子位移的精度主要由互相关算法和光路系统精度确定(在许多的场合需采用校正板技术实行观测区的几何校正)。

图2示出了本实用新型的一个实施例，在这个实例中，将图像采集扳6整合到计算机7中。计算机7采用PC台式计算机，并且装有图像采集显示软件、粒子图像预处理软件、粒子图像互相关处理软件、图像后处理软件、速度场后处理软件，通过这些软件进行图象处理和粒子图像测速处理。同时将图1中的同步控制器4(图2未示出)并入延迟器3，使延时器3具有同步控制和延时功能。此外，在这个实施例中，由于延时器3使用了微处理器，因此，图1所示的计算机7对延时器和控制器的设定预置值的功能也并入延时器3中，也就是说，可以直接在图2所示的延时器3中设置控制延时器延时量的预置值，以及设置控制同步控制器的各同步参数的预置值。另外，延时器3分别连接双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2的电源11和电源12，通过控制电源11和电源12激发双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2发射激光光脉冲，然后通过与其分别连接的合束器13，经由折射镜14产生用于粒子发生器和布撒装置9的片光照明光源。其他内容与图1相同，故省略对其描述。

通过提供被观测流场的片光照明光源，可以观察到一个切面(剖面)的流动。为适用测速范围从几mm/秒到1000米/秒，采用二台YAG脉冲激光器1、2、延时器3和合束器13组成双脉冲激光器组子系统。每台激光器都以同样的重复频率(10~30Hz)发生激光脉冲(脉宽5~10ns)，第二台的激光光脉冲在第一台激光器脉冲延时ΔT后发生，延时量ΔT由延时器控制，可由200ns～几十ms调控(精度0.5ns+0.005％)。

合束器13保证两台激光器发出的光束在同一条轴线上，产生同一位置的片光照明(如图1、图2所示)。片光光路主要包括圆柱透镜、长焦距透镜等，保证在观测区有适当大小和厚度的片光照明。

跨帧CCD数字相机5用于流场的粒子图像记录，亦即粒子位移场的记录。需要说明的是，这里不采用快门曝光，而是采用激光光脉冲曝光。换言之，处于黑暗工作环境的跨帧CCD数字相机5的快门一直打开，利用激光光脉冲来曝光。同步控制器4使CCD数字相机5的两个相隔预定时间的图像帧的曝光正好落在双YAG脉冲激光器YAG1和YAG2的两束激光脉冲发生的时刻。

为能适用于很大的测速范围，从几mm/秒到1000米/秒，通常的CCD摄像机不能采用，需要采用跨帧CCD相机5。跨帧CCD相机5工作原理如图4所示，它具有这样的功能，在第一帧曝光之后，不必等33ms或40ms(帧速25~30帧/秒)才能第二帧曝光记录，只要200ns~1μs延时就可作第二帧曝光记录。总的帧记录重复频率不变，仍是25帧~30帧/秒，但是一对一的曝光记录，亦即第n帧和第n+1帧的时间间隔可以调控，以能适用上述的很大的测速范围。

图像采集板用于跨帧CCD相机到台式计算机的实时数据高速传输，其数据传输率需保证大于CCD相机的数据输出率(1MB×30Hz~30MB/秒)，本图像板的数据传输率为40MB/秒。

同步控制器4用于双脉冲激光器1、2、跨帧CCD数字相机5、图像采集板6和计算机7的同步协调操作，在系统软件的管理下，该同步控制保证两个前后的激光脉冲的发生时刻正好落在前后两帧CCD相机记录所需的曝光时刻上，并以10Hz的重复频率重复实现上述的曝光和记录流场粒子图像。

由于整套设备中包括各种时间控制信号的同步的匹配问题，因此使用时间延时控制系统(采用微处理器和控制软件实现)。为保证高速信号的精度，采用TTL信号，触发信号包括激光器的触发控制、数字相机的触发控制以及实验模拟的触发控制。尤其使用YAG脉冲激光器时，需要将脉冲激光与数字相机前后的两帧曝光严格同步，如图4所示：其中，ΔT为氙灯延时触发时间，Q1，Q2为Q开关触发延时信号，Tri为数字相机触发延时信号，E1，E2为数字相机前后两帧图像可曝光时间，TPW为前后两帧图像时间间隔，Ly1和Ly2分别是激光器1和2发生的光脉冲，ΔT是光脉冲间的时延，T是光脉冲重复周期(1/T重复频率)；ΔTZ两台激光器氙灯触发延时时间；X1和X2分别是激光器1和激光器2氙灯的光波形。同步控制软件可以通过图4所示的关系编程。

采用PC机7作为主机，便于在实验室现场使用。激光器子系统，图像系统软件系统工作均依托在计算机的平台上，从图像采集显示直到取得测量结果均由PC机来完成。

依据实验不同对像的不同要求，可以提供不同的配置。原则上需要：处理器奔腾4以上，内存128MB~1GB，硬盘10GB~100GB。

本实用新型采用的软件均有人机对话界面，使用方便。

·图像采集显示软件

实现对流场粒子图像的实时采集和显示，实时判别选用的实验参数(如粒子成像、时延、粒子浓度等)是否合适，以保证实验结果成功。

·粒子图像预处理软件

实现对粒子图像预处理(如增强，高、低通滤波，提高信躁比等)以强化粒子图像的信息。

·粒子图像互相关处理软件

对一对时隔ΔT的粒子图像，进行互相关算法数字图像处理，取得粒子位移场，即取得成千上万个速度向量的速度场。速度向量的数目取决于选取的判读窗大小(64×64~8×8)和扫描重叠窗的大小，可以根据实验条件选取。

本软件包括坏点的人工/自动修正软件，对速度场中某些测得不合理的结果查找和修正。

一般的相关算法是使用快速傅立叶(Fourier)变换加快程序的计算速度。这套系统在使用原有频域计算方法的基础上，又使用了特殊的金字塔算法取得了更快的计算速度。金字塔算法的基本原理：将数字图像的每四个合成为一个像素，进行多次这样的合成构造出新的图像，使用新构造出的图像进行相关计算得到第一次计算结果—相关位置，由于新的图像比原始图像小得多，因此第一次计算时间极小，然后参考第一次计算的结果，在原始图像中再进行第二次计算。由于有了第一次的结果，在第二次计算中可以着重只计算相关位置附近的数据，避免不必要的计算量。这样可以大大提高计算速度，比使用普通的快速傅立叶(Fourier)变换技术大约节约1/3的时间。而且传统的快速傅立叶(Fourier)变换计算的矩阵维数只能是2的整数次幂，而金字塔算法计算的矩阵维数可以任意设置，提高了实验和计算的灵活性。

·图像后处理软件

对测得的速度场结果进行三维重建，三维显示，建立向量数据文件(x，y，u，v或x，y，z，u，v，w)，用向量、大小、伪彩色及空间结构图表述所测速度场。

·速度场后处理软件

采用ASCII编码文本文件，使用与通用Tecplot软件接口协议，可绘制所需各种流场图，如流线图、涡量图、等高图等。

以上软件集成为一整体软件。

测速流程被显示在图3中。

如图1所示，在全部硬件设备安装调整后，在实验现场，开动实验设备，在观测区布撒粒子，并到合适为止。随即则可按系统软件流程图3操作运行。

启动激光器和CCD相机同步工作，采集显示观察区的粒子图像，观察判别粒子图像成像质量，图像记录，对记录作预处理。作快速的互相关计算，看是否能得到速度场结果，如不能满足要求，则调整实验参数，直到满足要求为止。如满足要求，则开始正式采集和记录，保存图像文件。然后可在现场实时处理，也可事后处理保存的图像文件，可以详细的批量的处理保存的图像文件。可作坏点处理，选用不同大小的判读窗和搜索窗，选用不同扫描重叠窗大小进行互相关计算(也可选用频域或空间域不同算法)，得到不同的测量结果，选用最佳的结果。

若要得到不同实验条件下的观测结果，则重复上述流程。如不同实验条件实验的时间间隔很短，无时间实时处理，则可先保存所有条件下的图像文件，对其进行事后处理。

Claims

1、一种数字式粒子图像测速系统，其特征在于包括：

一个同步控制器，分别连接延时器、图像采集扳和计算机，接收计算机发出的各同步参数的预置指令，产生分别发送给延时器和图像采集扳的，使双YAG脉冲激光器与跨帧CCD数字相机同步工作的同步控制信号；

一个图像采集板，分别连接跨帧CCD数字相机、计算机和同步控制器，接收同步控制器的同步控制信号，按照同步控制信号控制跨帧CCD数字相机两个相隔预定时间的帧的出现时刻，并且采集上述数字相机记录图像的数据，将该图象数据实时高速地传输给计算机；

一个台式计算机，产生分别发送给同步控制器和延时器的各同步参数和延时量的预置指令，并分析和处理从图像采集扳接收的图象数据以得到测速结果。

2、根据权利要求1所述的数字式粒子图像测速系统，还包括一个粒子发生器和布撒装置。

3、根据权利要求1所述的数字式粒子图像测速系统，还包括分别连接两台激光器合束器，使光束聚集在同一条轴线上。

4、根据权利要求1所述的数字式粒子图像测速系统，其中所述片光的光路包括圆柱透镜、长焦距透镜。