JP2003084005A - 流体の流動計測システムおよびその計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑な流動場における流体の流動を精度よく正
確に遠隔から計測可能な流体流動計測技術を提供する。 【解決手段】流体の流動計測システムはレーザ発振装置
１１と、発振装置１１から発振されたレーザ光を流体の
流動場１４にシート状に照射させるレーザシート形成用
走査光学系１３と、レーザシート１７上の２次元粒子軌
跡画像を撮像する画像撮像手段２９と、レーザ発振装置
１１と画像撮像手段２９とをタイミングをとって同期化
駆動させるタイミングコントロール手段３０と、撮像さ
れた粒子軌跡画像を画像処理する画像処理手段３５とを
有する。画像処理手段３５は２時刻の粒子軌跡画像の輝
度パターン分布を比較解析して個々の粒子の移動方向と
移動量を計測し、流体流動場における流動・流速分布を
測定したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な流動場にお
ける流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動
計測技術に係り、特に閉空間内を流動する流体の流速お
よび流れ方向を計測する流体の流動計測システムおよび
その計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】複雑な流動場における流体の流動を高精
度かつ精密に測定することは、原子力発電プラントや火
力発電プラント、化学プラント等におけるプラント挙動
予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価や機
器改良にとって極めて重要である。実機レベルのプラン
ト、特に外界と環境を異にする厳しい環境下での流体の
流動計測技術は、複雑な流れをもつ流体流動計測条件の
ために、流動計測が極めて困難な状況にある。

【０００３】中でも、原子炉圧力容器や火力発電プラン
トの熱交換器内のように、厳しい環境下にある熱流動場
における流体の流速や流れ方向等の流体流動測定は、ア
クセス性を含め複雑な流体流量計測条件のために極めて
困難である。

【０００４】しかしながら、近年熱流動場における可視
化技術の研究が進み、複雑な流動場における流体の流動
を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒ
ｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以
下、ＰＩＶという。）が開発されつつある。このＰＩＶ
と光ファイバを束ねたイメージガイドを併用することに
より、原子炉圧力容器内のように、外界と環境を異にす
る閉空間における流体の流動測定が期待できる。

【０００５】一方、光ファイバを束ねたイメージガイド
を用いて画像を直接伝送するファイバースコープは医療
用内視鏡として開発されている。イメージガイドは、可
撓性に富み、観察手段のための画像伝送手段として重要
な役目を果している。

【０００６】医療用に開発されたイメージガイドは、今
日では工業分野にも応用され、航空機エンジンの内部点
検、短いパイプや原子炉炉心の観察に応用されている。

【０００７】また、近年の技術革新により、光損失の小
さな光ファイバの開発によって、従来困難であった長距
離の画像伝送も可能となり、大規模プラント設備におけ
る遠隔地からの新たな保守点検手段として脚光を浴びて
いる。

【０００８】他方、ＰＩＶに関する研究は、ハードウエ
アおよびソフトウェアの両面から、時間分解能・空間分
解能の向上、高精度の流体流動測定の確保、三次元計測
等が盛んに行われる動向にある。これらＰＩＶの研究開
発動向の一つはＰＩＶによって得られる流体流速データ
の「精度向上」の動きであり、他の一つは「ＰＩＶの適
用範囲拡大」の動きである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】流体の流動計測技術に
適用されるＰＩＶは、実験室型として開発されてきた
が、このＰＩＶ技術の開発対象を実験室から実用化へと
拡大することが要請されている。ＰＩＶ技術による流体
の流動計測可能範囲を拡大する方向の技術開発、中でも
実流動化レベルへの流体流動計測の実用化への開発要請
が強くなっている。

【００１０】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、複雑な流動場における流体の流動を精度よく
正確に計測することができる流体の流動計測システムお
よびその計測方法を提供することを目的とする。

【００１１】本発明の他の目的は、外界と環境を異にす
る閉空間内の流動場の流体の流速や流れ方向を精度よく
正確に遠隔から測定できる流体の流動計測システムおよ
びその計測方法を提供するにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、イメージガイ
ドを利用した粒子軌跡追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｔ
ｒｅａｋ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒ
ｙ）により画像処理を行って流体の流動状態を検出する
アルゴリズムの最適化を行い、流体の流動分布を精度よ
く正確に行うことができる流体の流動計測システムおよ
びその計測方法を提供するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流体の流動
計測システムは、上述した課題を解決するために、請求
項１に記載したように、レーザ光を発振させるレーザ発
振装置と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシー
ト状に投入させるレーザシート形成用走査光学系と、こ
の走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画
像を撮像する画像撮像手段と、前記レーザ発振装置と画
像撮像手段をタイミングをとって同期化駆動させるタイ
ミングコントロール手段と、前記画像撮像手段で撮像さ
れた２時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを比較・解析
し、個々の粒子の移動方向および移動量を計測する画像
処理手段を備え、この画像処理手段による個々の粒子の
移動量から流体の流動・流速分布を計測するように構成
したものである。

【００１４】また、上述した課題を解決するために、本
発明の流体の流動計測システムにおいては、請求項２に
記載したように、前記画像撮像手段は、走査光学系から
のレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画
像伝送手段と、光伝送された２次元粒子軌跡画像を撮像
する撮像手段とを備えたものであり、さらに、請求項３
に記載したように、前記画像伝送手段は、多数本の光フ
ァイバを束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可
撓性のイメージガイドで構成され、前記撮像手段は、Ｃ
ＣＤカメラで構成されており、前記イメージガイドは、
対物レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像
を光ファイバで各画素に分解してＣＣＤカメラ側の他端
面まで同一画像を伝送するように構成されたものであ
る。

【００１５】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明の流体の流動計測システムにおいては、請求項４
に記載したように、前記走査光学系と画像撮像手段は、
一体的に組み合わせて構成され、流体の流動場で１次元
あるいは２次元移動可能に構成されたものであり、ま
た、請求項５に記載したように、前記走査光学系は、直
交するレーザシートを流体の流動場に形成し、この直交
するレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する
画像伝送手段をそれぞれ設けたものである。

【００１６】本発明に係る流体の流動計測方法は、上述
した課題を解決するために、請求項６に記載したよう
に、レーザ発振装置から発振されるレーザ光を流体の流
動場にシート状に照射してレーザシートを形成し、この
レーザシート上の粒子軌跡画像を画像撮像手段で撮像
し、撮像された２時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを
比較・解析する一方、撮像された時系列の粒子軌跡画像
を加算平均処理して光ファイバ配列画像の輝度パターン
分布を求め、この光ファイバ配列画像の輝度パターンを
前記粒子軌跡画像の輝度パターンから除去することによ
り個々の粒子の移動方向および移動量を求め、前記流体
流動場における流体の流動を計測する方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明に係る流体の流動計測シス
テムおよびその計測方法の一実施形態について添付図面
を参照して説明する。

【００１８】図１は、本発明に係る流体の流動計測シス
テムの構成を示す原理図である。

【００１９】本発明の流体の流動計測システム１０に
は、高出力のレーザ光を発振させるレーザ発振装置１１
が光源として備えられる。レーザ発振装置１１には小型
で高出力レーザ光を発振する半導体レーザやパルスレー
ザ等が用いられる。例えば、出力１６Ｗの連続光で中心
発振波長８０８ｎｍの半導体レーザが光源として用いら
れる。

【００２０】レーザ発振装置１１から発振されたレーザ
光は、送光用ファイバ１２を通ってレーザシート形成用
走査光学系１３に案内される。走査光学系１３はレーザ
発振装置１１から発振されたレーザ光を流体の流動場１
４にシート状に投射させるようになっている。

【００２１】流体の流動場１４は、外界と環境を異にす
る閉空間内に形成される。また、場合に応じて、外界に
開放された形態で流体の流動場１４が形成されていても
よい。流動場１４は、気体、液体のうちの少なくともい
ずれかの流体からなる。具体的には、例えば、原子炉圧
力容器のダウンカマ部、炉心シュラウド、火力発電プラ
ントの熱交換器や蒸気発生器内等の閉空間における流体
の速度場を対象とする。また、船舶、航空機あるいは自
動車等のような、水流や気流と接触する構造部位や機材
まわりにおける流体の流動場も対象とすることができ
る。なお、図１に示す原理図では、流体の流動場１４と
して水の流動場の実験例を示している。容器１５あるい
は配管内にノズル１６より水を噴出させて流体としての
水の流動場１４を形成している。

【００２２】走査光学系１３は、流体の流動場１４にレ
ーザ発振装置１１からの発振レーザ光をシート状に照射
して流体流動場１４にレーザシート１７を形成してい
る。このレーザシート１７により流体の流動場１４を可
視化している。流動計測システム１０では、流体流動場
１４の奥行き方向の空間分解能を確保するために、発振
レーザ光をシート状に照射している。

【００２３】走査光学系１３は、図２に示すようにレー
ザシート１７の作成のためのレーザ光照射光学系であ
る。レーザ発振装置１１として例えば半導体レーザを用
いると、半導体レーザからの発振レーザ光は、送光用フ
ァイバ１２から大きな広がり角を持って出射される。出
射されたレーザビームは軸対称の光となっておらず、非
点較差があり、レーザビームの形状変換は複雑となる。

【００２４】このため、走査光学系１３には、送光用フ
ァイバ１２から出射されたレーザビームからレーザシー
ト１７を形成するためのレーザシート形成用光学手段と
してのレンズ群１８が用いられる。このレンズ群１８
は、出射レーザビームを並行レーザビームにコリメート
させる２枚のコリメートレンズ１９ａ、１９ｂと、コリ
メートレンズ１９ａ、１９ｂによって並行光となったレ
ーザビームをレーザシート１７の厚み方向で約１〜２ｍ
ｍ程度にウエストさせる長焦点レンズ２０と、レーザシ
ート１７を形成するシリンドリカルレンズ２１とを組み
合わせてレーザシート形成用光学手段が構成される。コ
リメートレンズ１９ａ、１９ｂには、例えば、平凸レン
ズが用いられる。

【００２５】走査光学系１３からシート状に照射される
レーザ光により、流体の流動場１４にレーザシート１７
が形成され、流体の流動場１４がシート状に可視化され
る。そして、レーザシート１７の測定範囲１７ａに対向
して画像伝送手段２２が設けられる。図１に示したよう
に、画像伝送手段２２に近い容器１５壁には、レーザシ
ート１７上の画像が画像撮像手段２９で撮像可能となる
ように、透過用窓ガラス２３が設置されている。

【００２６】画像撮像手段２９は、レーザシート１７上
の画像を伝送する画像伝送手段２２と、２次元粒子軌跡
画像を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ２４とを
有する。画像伝送手段２２はレーザシート１７上の２次
元粒子軌跡画像を撮像手段としてのＣＣＤカメラ２４に
伝送させるようになっている。画像伝送手段２２は、図
３に示すように、数千本から数万本の光ファイバ２５を
束ねて一体化（溶融）させた可撓性のイメージガイド２
６が用いられる。イメージガイド２６は、図３に示すよ
うに、束ねられた光ファイバ２５の両端面の各位置が正
確に対応するように並設されて束ねられる。イメージガ
イド２６の両端面は平面に仕上げられ、対物レンズ２７
により一方のファイバ端面に結像された画像を各画素フ
ァイバとしての光ファイバ２５に分解し、同一画像をＣ
ＣＤカメラ２４側のファイバ端面まで伝送している。フ
ァイバ端面からカメラレンズ２８を経てＣＣＤカメラに
記録される。画像撮像手段２９はイメージガイドを備え
ずに、レーザシート１７上の２次元粒子軌跡画像を直接
撮像できるようにしてもよい。

【００２７】イメージガイド２４の画像の限界（解像
度）は、単一の光ファイバ２５の直径と配列の仕方によ
って決まり、像の見え方は、イメージガイド２６に束ね
られる光ファイバ２５の総本数と並べ方によって決ま
る。光ファイバ２５のコア径より小さな光量の光分布
は、光ファイバ２５を伝わる間に平均化され、各コア断
面内では明るさは一様となる。したがって、イメージガ
イド２６は光ファイバ２５のコア径が画素（ピクセル）
としての空間分解能の最小単位となる。

【００２８】実際のイメージガイド２６は、多数本の光
ファイバ２５が俵積み（六方稠密配列）構造で整然とか
つ稠密に配列されている。このイメージガイド２６で光
ファイバ間隔とほぼ等しい間隔の格子状物体を観察する
と、物体の像の強度分布と無関係なモアレ干渉縞が生じ
る。

【００２９】また、光ファイバ２５間にクラッド部分が
融着されているイメージガイド２６では、クラッドの厚
さが薄くなると、１つの光ファイバ２５のコアに入った
光が隣のコアに漏れてしまう場合が生じる。このため、
像の境界が滲み、像のコントラストが低下する。このた
め、イメージガイド２６は、六方稠密配列構造を採用し
たとき、クラッドの厚さが薄過ぎないことが条件とな
る。

【００３０】一方、流体の流動計測システム１０には、
タイミングコントロール手段３０が備えられている。タ
イミングコントロール手段３０はタイミングスケジュー
ラ３１とシンクロナイザ３２とから構成される。タイミ
ングスケジューラ３１からのタイミングでレーザ発振装
置１１が発振せしめられる一方、この発振タイミングと
シンクロナイザ３２で同期をとってＣＣＤカメラ２４が
駆動せしめられる。すなわち、タイミングコントロール
手段３０は、レーザ発振装置１１と操作手段としてのＣ
ＣＤカメラ２２との同期をとって駆動させるようになっ
ている。

【００３１】ＣＣＤカメラには、例えば、近赤外線領域
に感度を持つ解像度ＶＧＡ（６４０×４８０ｐｉｘｅｌ
ｓ）、フレームレート３０Ｈｚ、８ビット（モノクロ２
５６階調）のものが用いられる。ＣＣＤカメラ２４は、
レーザシート１７上の２次元粒子軌跡画像をレーザ発振
装置１１からの発振タイミングと同期をとって撮像して
おり、ＣＣＤカメラ２４で撮像されたアナログの画像信
号は画像処理手段３５に送られて画像処理され、後述す
る粒子軌跡追跡法により流体の流動場１４における流体
の流速分布や流れ方向が計測される。ＣＣＤカメラ２４
には、例えば、逐次読出方式（プログレッシブスキャ
ン）のカメラが用いられ、配列されたＣＣＤの奇数ライ
ン、偶数ラインの電荷蓄積時間は同時に行われる。この
ＣＣＤカメラ２４は通常のカメラに較べ垂直方向の解像
度に優れている。

【００３２】また、画像処理手段３５は、ＣＣＤカメラ
２４からのアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変
換器としてのフレームグラバボード３６と、このフレー
ムグラバボード３６からデジタル画像信号がＰＣＩバス
等の信号線３７を介して送られ、デジタル画像処理する
コンピュータ３８とを有する。

【００３３】この流体の流動計測システム１０は、ＣＣ
Ｄカメラ２４にてアナログ撮影し、画像処理手段３５に
よりデジタル処理し、デジタル録画するアナログ撮影・
デジタル録画方式を採用している。

【００３４】図１に示す流体の流動計測システム１０は
実験室対応の例を示した。実用化に際しては、図４およ
び図５に示すように、レーザシート用走査光学系１３と
画像撮像手段２９は一体化される。図４では、走査光学
系１３と一体化した画像撮像手段２９の画像伝送手段２
２は側方視可能な可視化用プローブ４０として構成され
ている。プローブ４０先端に設置された光学窓（透過用
窓ガラス）４１から４５°直角プリズム４３により光路
を曲げ画像伝送手段を構成したファイバースコープ４４
にて画像伝送される。図４（Ａ）は、この一体化した流
体の流動計測システムを図１の容器１５内における流体
としての水の流動場に用いた例を示す。図５では、一体
化した走査光学系１３と画像撮像手段２９の画像伝送手
段２２とを本体ケーシング４５に格納している。

【００３５】次に、流体の流動計測方法を説明する。

【００３６】図１に示された流体の流動計測システム１
０では、照明に用いる半導体レーザの発光時間を比較的
長くとり、ＣＣＤカメラ２４に粒子の流跡（軌跡）を撮
像する。そして、この撮像された時間的に微小時間異な
る２時刻の粒子軌跡画像を輝度パターンとみなして画像
処理手段３５のコンピュータ３８により比較・解析の画
像処理を行い、個々の粒子の移動量を推定する。この流
体の流動計測装置１０においては、この手法を粒子軌跡
追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｒｅａｋ ｔｒａｃｋ
ｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）と呼ぶ。この粒子軌
跡追跡法は、粒子の流跡を記録することにより、必要以
上に粒子像径を大きくすることなく、かつ最小の空間分
解能となる光ファイバ単繊維に対して十分な粒子像の情
報を与えることができる。

【００３７】粒子軌跡画像は、レーザシート１７上の水
（流体）中に浮遊し、拡散分布する個々の粒子（浮遊物
等の異物）のある時刻での流跡の画像を表しており、デ
ジタル化された輝度を持つピクセル（画素）によって構
成される。画像処理手段３５による画像処理の過程で
は、各粒子軌跡画像のうち限定された矩形領域１７ａ
（図１参照）を取り出して画像処理される。デジタル化
された粒子軌跡画像中のある１点の値を「輝度値」と定
義し、この輝度値が矩形領域１７ａの領域に分布してい
るものを「輝度パターン」と称する。

【００３８】粒子軌跡画像から水（流体）中の個々の粒
子の移動量を推定するアルゴリズムは、得られた粒子軌
跡画像を輝度分布の変化であると判断し、レーザシート
１７上の粒子の輝度パターンがある時間内に移動する量
を個々の粒子について定量的に解析するものである。こ
の粒子の移動量の解析には相互相関法を用いる。

【００３９】しかし、イメージガイド２６を通してＣＣ
Ｄカメラ２４によって撮像された粒子軌跡画像には、粒
子の輝度パターンだけでなく、イメージガイド２６の光
ファイバ２５の配列（俵積みの構造）の輝度パターンも
存在する。光ファイバ２５の配列輝度パターンが相互相
関法による解析の際に弊害となり、粒子の輝度パターン
に対して誤対応（過誤ベクトル）を招く。

【００４０】そこで、本発明に係る流体の流動計測シス
テム１０においては、粒子軌跡追跡法による流体の流動
測定の最適化を図るために、相互相関計算の妨げとなる
光ファイバ２５の配列除去処理（背景処理）を行う。

【００４１】特願２０００−２０７４７６号公報に係る
流体の流動計測システムおよびその計測方法では、粒子
画像流速計測（ＰＩＶ）法を適用したものであり、この
ＰＩＶ法では、凍結画像が用いられる。通常のＰＩＶ法
では、粒子像径がイメージガイド２６の光ファイバ２５
単繊維一本より小さいと、もはや失われた粒子の情報は
回復できるものではないので、算出される相関係数は俵
積みの輝度パターンに強く影響を受け、速度検出に非常
に大きな弊害となり、誤対応を招く。

【００４２】また、最小の空間分解能を与える光ファイ
バ２５の単繊維一本よりも粒子像径を大きくすると、粒
子群の移動量を見積もるＰＩＶ法では、参照窓画像内に
最低でも粒子は６〜８個あることが望ましいとされるた
め、参照窓画像を比較的大きく取らなくてはならなくな
り、計算量が莫大に増加してアルゴリズムとしては現実
的ではないものとなる（探索する領域が増えるとその４
乗に比例して計算量は増加する）。

【００４３】このため、凍結画像を用いるＰＩＶ法で
は、要求されるパラメータ（粒子像径、数密度）は非常
に制限を受ける。そこで、本発明で用いられる粒子軌跡
追跡法では、照明に用いる半導体レーザの発光時間を比
較的長くとり、粒子の流跡を記録、粒子群ではなく個々
に粒子の移動量を見積もるアルゴリズムを構築し、ソフ
トウェアに実装した。個々の粒子の流跡を記録すること
により、必要以上に粒子像径を大きくとることなく、か
つ最小の空間分解能となる光ファイバ２５の単繊維に対
して十分な粒子像の情報を与えることができる。この粒
子軌跡追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｒｅａｋ ｔｒ
ａｃｋｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）の手法は、レ
ーザの発光時間を容易に制御することができる半導体レ
ーザを用いることによって可能となる。

【００４４】本発明で用いる粒子軌跡追跡法では、この
背景処理も含めて、主に以下の６段階の手順を経て粒子
の移動量の算出が行われる。

【００４５】（１）ノイズの除去（背景処理） イメージガイド２６を通してＣＣＤカメラ２４で撮像さ
れた粒子軌跡画像を処理し、時系列に得られた粒子軌跡
画像を各ピクセル毎に輝度値の加算平均値を求め、各々
の粒子軌跡画像の輝度値から加算平均値を引くことで、
光ファイバ２５のファイバ配列の輝度パターン除去を行
う。

【００４６】光ファイバ配列の輝度パターン除去の画像
処理アルゴリズムを以下に説明する。

【００４７】測定データの粒子軌跡画像をｘとすると
き、粒子軌跡画像ｘは、

【数１】 で表される。

【００４８】すなわち、測定データの粒子軌跡画像ｘに
は、信号（光ファイバ配列の輝度パターン）に雑音（粒
子の輝度パターン）が重なった画像を測定していると考
える。加算平均を取ることによる光ファイバ配列の輝度
パターン除去処理は、ＳＮ比が小さく、信号と雑音の構
成周波数にも大差がない場合や同じ条件で何度も測定を
繰返すことが可能な場合に有効な手法である。

【００４９】式１を時系列要素を負荷して表示すると、
式２のように表される。

【００５０】

【数２】 をそれぞれ示す。

【００５１】粒子軌跡画像の撮影において、取り込んだ
粒子軌跡画像の枚数をＭ枚とすれば、Ｍ枚の粒子軌跡画
像に対する加算平均ｘ（ｋ）は次のように表せる。

【００５２】

【数３】

【００５３】光ファイバ配列の輝度パターンｓは、同一
の実験条件（送光系・受光系）であれば、連続する粒子
軌跡画像においては同じパターンが出現するため、Ｍ回
の加算によりＭ倍の輝度値となり、これを平均する（Ｍ
で除する）加算平均処理を行うと、もとの輝度値のまま
である。すなわち、加算平均処理により、粒子の存在し
ない光ファイバ配列のみ映った画像を得ることができ、
光ファイバ配列の存在する粒子軌跡画像から各画素毎に
光ファイバ配列の輝度値（輝度パターン）を引けば、光
ファイバ配列の輝度パターンの除去が可能となる。

【００５４】この背景処理によって、取得した画像の背
景輝度は画面全体にわたってほぼ均一になるので、相関
計算処理に対して有効だけでなく、二値化処理において
も有効な手段となる。

【００５５】（２）二値化・膨張化画像処理 粒子軌跡画像から粒子の識別を行うための前処理とし
て、二値化および膨張化画像処理を行う。水（流体）中
に浮遊する粒子の軌跡像は、光ファイバ２５のクラッド
の影響を受け、連続的なものとはならず、断続的な画像
として記録される（図６（ａ）参照）。この断続的粒子
画像を二値化処理しても、クラッドによって情報の失わ
れた部分は回復されない（図６（ｂ）参照）。これらの
分断された粒子の軌跡像を同一の粒子の移動軌跡として
認識させるために、膨張化画像処理が行われる。膨張化
画像処理とは、注目の画素が存在すれば、その周囲のす
べての画素を０から２５５に変換するものである（８連
結の膨張処理）。本アルゴリズムでは、この膨張化処理
を２回繰返すことで分断された断続的粒子画像は、連続
性のある軌跡画像として回復される（図６（ｃ）参
照）。

【００５６】（３）ラベリングおよび粒子画像位置の検
出 １枚の粒子軌跡画像には複数（多数）の粒子画像が存在
するので、それぞれを個々の粒子として認識させるラベ
リングを行う。それぞれの連結した画素には同じ番号
を、異なった連結成分には別の番号をつける。このよう
な個々の領域に番号付けを行うことをラベリングと呼
ぶ。ラベリングによって識別された粒子画像は、元画像
に戻って中心位置が算出される。中心座標は、以下の重
心法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｃｅｎｔｒｏｉ
ｄ）によって求められる。

【００５７】Ｘ_０、Ｙ_０を求める重心、ｉ、ｊを各点の
座標、Ｉをその座標の輝度値とすると、重心Ｘ_０、Ｙ_０
は、

【数４】 で表される。Ｙ_０についても同様である。

【００５８】（４）相関計算による整数移動量の算出 （１）〜（３）の粒子画像前処理によって、粒子軌跡画
像の中心位置が検出されたので、個々の粒子の移動量を
相互相関法により求める。

【００５９】なお、流体の流動計測システム１０のＣＣ
Ｄカメラ２４で撮像された第１時刻における２次元粒子
軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡画像を「参照画
像」と、「参照画像」のうち限定された矩形領域を「参
照窓画像」と、第１時刻とは微小時間異なる第２時刻に
おける２次元粒子軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡
画像を「探索画像」と、「探索画像」のうち限定された
矩形領域を「探索窓画像」とそれぞれ定義する。

【００６０】相互相関法による粒子の移動量推定は、
「探索窓画像」と「参照窓画像」との間で次式で表され
る相関値Ｒをもつことが知られており、この相関値Ｒを
もって個々の粒子の輝度パターンの類似度を求め、比較
検討して２画像間の個々の粒子の移動量を求める手法で
ある。

【００６１】

【数５】

【００６２】

【数６】

【００６３】式５および式６に示すように、相関値Ｒ
は、探索窓画像および参照窓画像の輝度値の二乗平均で
除する（正規化）ことによって、−１から１までの値を
とる。相関値Ｒが１のときに２画像は完全に一致し、相
関値Ｒの値が大きいほど窓画像間の類似度が大きいこと
を意味する。

【００６４】式５および式６において、Ｉ_１およびＩ_２
は参照窓画像と探索窓画像の各画素の輝度を表し、ξ、
ηは探索窓画像と参照窓画像の相対的な位置で表す。相
関値が最大となる位置ξ、ηが画像内での粒子の移動量
ΔＸ’、ΔＹ’に相当する。参照窓画像の大きさｎ×ｍ
および参照窓画像との相対的な位置は、予測される最小
および最大速度から決定される。

【００６５】（５）サブピクセル移動量の算出 （４）の相関計算により、粒子画像の移動量の整数値が
求まるので、相関係数のピークの近傍３点を用いた正規
分布近似（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｅａｋ−ｆｉｔ）によ
り、サブピクセル移動量を見積もる。ｘ、ｙ方向につい
てそれぞれ独立に算出される。

【００６６】（６）較正 以上の手順により、粒子軌跡画像の移動量がピクセル
（ｐｉｘｅｌ）単位で求まるので、較正により実空間で
の移動量に変換される。

【００６７】図７にトレーサー粒子の混入したグリセリ
ン溶液を回転円盤上に設置し、擬似的な流れを撮影した
粒子軌跡画像を、図８にこの粒子軌跡画像６０フレーム
分を粒子軌跡追跡法により画像処理して個々の粒子の移
動量を算出した結果を示す。

【００６８】

【実施例】以下に、粒子軌跡追跡法による画像処理を行
う本発明に係る流体の流動計測システムの性能の評価、
および流動計測システムの実流動場への適用性について
説明する。

【００６９】

【実施例１】（微動台による移動量の検定）平板上に描
かれた粒子画像を微動台（メカニカルステージ）によっ
て移動させ、その移動量を７０ｍｍ×７０ｍｍの較正板
を使って測定し、実際に移動させた真の値と、本発明の
流動計測システムによりＳｔｒｅａｋ法により計測した
測定値とを比較し、誤差を実測してその精度の検定を行
った。

【００７０】較正板は、７０ｍｍ×７０ｍｍの矩形内に
６４点の格子点を有するものを用いた。したがって、計
測範囲は７０ｍｍ×７０ｍｍである。このときの撮像倍
率は、５．０１１ｍｍ／ｐｉｘｅｌであった。

【００７１】粒子は粒子径３、６、８ｐｉｘｅｌｓの３
種類を用いた。粒子像は、流体中にシーディングされた
粒子をレーザシート照明によって撮像し、これをプリン
タによってプリントアウトして平板上に接着させたもの
である。

【００７２】粒子像の撮像は、基準位置（較正における
基準位置）に設置された平板上の粒子像と微動台による
移動後の粒子像とをＣＣＤカメラにより撮像し、これを
一つの画像対とした。画像対から移動量ベクトルの算出
は相互相関法によるものであり、実流動場の計測に用い
られる方法と同等のものである。一組の画像対から算出
されるベクトル数は約１５０個であった。

【００７３】粒子像の描かれた平板の移動は、ｘ方向に
５０μｍづつ１０ｍｍまで行い、２００枚の画像を取得
し、１００組の画像対を得た。移動量算出は、相互相関
法および正規分布近似（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｅａｋ−
ｆｉｔ）により行った。

【００７４】最小の空間分解能となるイメージガイド２
６の光ファイバ単繊維径は、イメージガイド２６の周波
数解析結果からｄ_ｆ＝３．１２ｐｉｘｅｌｓであるの
で、３種類の粒子像径３、６、８ｐｉｘｅｌｓに対し
て、それぞれｄτ／ｄ_ｆ＝０．９６、１．９２、２．５
６倍となる。

【００７５】図９、図１０および図１１にそれぞれ、Ｓ
ｔｒｅａｋ法（粒子軌跡追跡法）による計測結果の偏り
誤差（Ｂｉａｓ ｅｒｒｏｒ）、ばらつき誤差（ＲＭＳ
ｅｒｒｏｒ）および確率密度分布（ＰＤＦ）を示す。
各図において、ｄτ／ｄｆ＝０．９６の曲線をａ、ｄτ
／ｄｆ＝１．９２の曲線をｂ、ｄτ／ｄｆ＝２．５６の
曲線をｃとし、図中の横軸は真の移動量（Ａｃｔｕａｌ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）［ｐｉｘ．］を示す。図
１１に示されたＰＤＦは、真の移動量がそれぞれ０．５
ｐｉｘｅｌｓ、２．５ｐｉｘｅｌｓ、４．５ｐｉｘｅｌ
ｓにおけるものである。

【００７６】図９は、平板をｘ方向に移動させたときの
ｘ方向移動量の計測値の偏り誤差を示しており、真値の
移動ピクセル数からどけだけはずれて測定したかをプロ
ットしたもので、偏り誤差は計測範囲内の全ベクトルの
平均値と真値との差を示している。

【００７７】また、図１０は計測範囲内の計測値のルー
ト二乗平均をとったものであり、図１１は、真の移動量
が、左の山から０．５ピクセル、２．５ピクセル、４．
５ピクセルの時、Ｓｔｒｅａｋ法（粒子追跡法：ＰＴ
Ｖ）による測定値が、全体の誤差数を１０（％）とした
時、何個（％）、真値よりずれたところで実際計測され
たか、示している。この山の幅が狭ければ狭いほど、誤
差は少ないことを表している。例えば、真中の山の２．
５ピクセル移動の時、２ピクセルと計測したのは、１０
０個のうち約９個ということを意味する。

【００７８】図９ないし図１１に示されたように、粒子
軌跡追跡法では、粒子径による計測値の相違はあまり現
れず、偏り誤差βは約β＝±０．２ｐｉｘｅｌｓの範囲
に収まった。

【００７９】実験で用いた光ファイバ２５には光を通さ
ない（透過率が比較的低い）クラッドがあるために、粒
子像の欠落が原因となり、振動効果が見られる。図９に
示された偏り誤差には、粒子像径に依る値の変化は見ら
れず、これは粒子軌跡によって光ファイバ径に対して十
分な情報が与えることができることによる。

【００８０】図１０に示されたＳｔｒｅａｋ法によるば
らつき誤差も粒子像径に依らずほぼ同一の値を示してい
るが、比較的大きな値となった。これは、確率密度分布
を見ても分かるように、ヒストグラムの形状が正規分布
とはならず、真値付近で水平に近い分布となることが原
因している。これは粒子軌跡像の相関をとっているため
であり、すなわち、粒子軌跡の輝度値は比較的なだらか
であり、その画像の相関係数分布もまたなだらかなもの
となるためである。粒子軌跡追跡法では、その粒子を通
常の粒子画像に比べ大きくとっていることが、ばらつき
誤差ε_ｋを大きくする（０．３〜０．５ｐｉｘｅｌ
ｓ）。しかし、粒子像径によってＰＤＦが大きく割れて
しまうような誤差の発生の仕方はしないことが示され、
また、偏り誤差の精度は有効であることが確認された。

【００８１】

【実施例２】（実流動場での計測）図１に示すような実
験容器１５内に水（流体）の流動場１４を設けて本発明
の流動計測システム１０により軸対称噴流の計測を行
い、実流動場計測における流体の流動計測システムの性
能を検討した。

【００８２】流体の流動計測システムの検討は、ドップ
ラ式レーザ流速計（ＬＤＶ）による計測と比較して行っ
た。

【００８３】容器１５は、例えば縦２５０ｍｍ、横２５
０ｍｍ、高さ２５０ｍｍの立方体容器であり、中央に矩
形噴流出口（ノズル）１６を持たせた。作動流体には水
道水を用い、これにトレーサー粒子として３〜３０μｍ
の球形ポリエチレン粒子を混入した。図１に示すよう
に、実験設備では作動流体を、下部の貯溜タンク５０に
一旦ためた後、ポンプ５１により上部のリザーバタンク
５２へ供給した。リザーバタンク５２に供給された作動
流体は一部を仕切量５２ａを介してオーバーフローさせ
ることにより、水頭圧（ヘッド）が一定に保たれる。作
動流体はリザーバタンク５２から流動調節バルブ５３、
整流用のハニカムおよびメッシュ（図示せず）を経て整
流化し、軸対称ノズル１６から設備容器１５内に噴出さ
せて水（流体）の流動場を構成した。リザーバタンク５
２内でオーバーフローした水は戻り管５４を経て貯溜タ
ンク５０内に戻される。

【００８４】一方、容器１５内のノズル１６は面積比が
約１０：１に縮流され、安定した速度分布が得られ、ほ
ぼ定常になる状態において流体（水）の流動計測実験を
行った。水（流体）の流動場の座標系はノズル１６出口
の中心を原点とし、噴流方向（高さ方向）をＺ、半径方
向をｒ、周方向をθ、それぞれの方向の速度成分をｗ、
ｕ、ｖとした。

【００８５】ノズル１６からの作動流体の出口速度をｗ
＝１６５ｍｍ／秒とし、このときの出口直径（Ｄ＝７ｍ
ｍ）に対するレイノズル数はＲｅ＝１１５５であった。
容器１５をオーバーフローする水も、受けタンク５６で
一旦受けた後、戻り水配管５７を経て貯溜タンク５０に
戻され、水（流体）の循環系５８を構成した。

【００８６】走査光学系１３と画像伝送手段２２は、図
４に示すような走査光学系１３と画像伝送手段２２とが
一体化した図４に示すような可視化用プローブ４０を用
いた。図４に示すように、可視化用プローブ４０を容器
１５の上方から水（流体）の流動場１４に挿入し、レー
ザ光は上方から鉛直に投入され、対向するプローブ４０
からファイバースコープ４４により粒子軌跡画像を撮影
した。レーザシート１７と対向するプローブ４０の受光
面との距離は約３０ｍｍである。計測範囲は較正板の格
子点が存在する範囲である、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ
の矩形範囲であり、レーザシート１７の厚さは２ｍｍで
ある。

【００８７】撮影対象領域は、ノズル１６の直径Ｄに対
して、水の噴流のポテンシャルコアが消滅し、発達領域
といわれ、周囲流体との運動量交換が噴流軸中心にまで
および、比較的なだらかな速度分布の得られるＺ＝６Ｄ
の領域に設定した。

【００８８】撮像された粒子軌跡画像は画像処理手段３
５で粒子軌跡追跡法（Ｓｔｒｅａｋ法）により画像処理
を行った。

【００８９】一方、ＬＤＶ（ドップラ式レーザ流速計）
による計測もＺ＝６Ｄにおける噴流軸に垂直な断面にお
いて別個に行った。これらの計測は、流動場が定常であ
ると仮定し流量を同一条件に調整して行った。

【００９０】図１２にＬＤＶで測定された噴流出口条件
（レイノルズ数：Ｒｅ＝１１５５）を示す。図１２に
は、平均速度（ＬＤＶ（ｍｅａｎ））と変動速度（ＬＤ
Ｖ（ｒｍｓ））の曲線ｄ，ｅを示す。また、図１３に粒
子軌跡追跡法によるノズル口から高さ方向Ｚ＝６Ｄ付近
の速度ベクトルマップを示す。

【００９１】粒子軌跡画像では、前述の粒子軌跡追跡法
（Ｓｔｒｅａｋ法）によって速度を算出した。図１４お
よび図１５に、それぞれＺ＝６Ｄにおける軸方向平均速
度分布ｆと、その変動速度分布ｇを示す。横軸は半径方
向、縦軸は軸方向である。本システムによる計測とＬＤ
Ｖ計測は、得られた速度分布である軸方向平均速度分布
ｈとその変動速度分布ｉよりこの領域を抽出し、統計処
理を行って２つの計測法による結果の比較を行った。こ
の流体の流動計測システムにおけるファイバースコープ
による軌跡画像は、個々の粒子に対応して算出されるこ
と、また、比較的低数密度のシーディングであるため、
一組の画像対から得られる速度データが少ない。このよ
うな統計量の少なさを補うため、時間方向に多量の画像
を撮る必要があり、本実験では１６０００枚の画像から
統計量を算出した。図１４および図１５に示す軸方向平
均および変動速度分布ｆ，ｇは各点で統計量約１０００
であった。ＬＤＶによる計測では、統計量３０００から
平均・変動速度データを算出した。

【００９２】図１５に示される軸方向変動速度分布ｇ，
ｉを比較すると、Ｓｔｒｅａｋ法はＬＤＶと傾向が一致
し、その大きさにはバイアスが見られた。このバイアス
量に関しては、噴流中心（ｒ＝０）において、ＬＤＶに
対しては、送り台（微動台）による実験で示されたもの
よりも大きい量が算出された。図１４に示された軸方向
平均速度分布ｆ，ｋについては信頼しうる計測値を有す
ることが確認された。

【００９３】変動速度分布を参照すると、Ｓｔｒｅａｋ
法はＬＤＶと傾向が一致するものの、ＬＤＶの変動速度
分布ｉに比べＳｔｒｅａｋ法の変動速度分布ｇは大きな
値を示した。レーザの照射時間から換算し、Ｓｔｒｅａ
ｋ法はｒ＝−２．２ｍｍにおいて、ＬＤＶに対して０．
６３ｐｉｘｅｌｓとなり、送り台検定結果による精密度
に収まっており、比較的せん断の影響を受けにくいこと
が確かめられた。噴流軸付近では、変動が大きくなって
おり、速度勾配の小さい領域での微小な変動までは捉え
られなかったものと考えられる。また、ｒ＝３．３ｍｍ
およびｒ＝−３．３ｍｍ付近において変動が周囲に比べ
大きな値を示しているが、平均流速が低速であり、相対
的に変動が大きく計測されていると考えられる。

【００９４】図１６および図１７に、Ｓｔｒｅａｋ法と
ＬＤＶによる噴流軸中心（ｒ＝０ｍｍ）およびせん断層
（ｒ＝２ｍｍ）における測定値の軸方向速度確率密度分
布（ＰＤＦ）ｊ，ｋおよびｌ，ｍをそれぞれ示す。噴流
軸中心では、両計測法とも正常に計測が行われているこ
とが分かる。また、せん断層（ｒ＝２ｍｍ）においても
ほぼ計測は正常に行われていることが分かる。

【００９５】粒子軌跡追跡法による画像処理を行う本発
明の流動計測システムの性能と実流動場への適用性が確
認され、この流動計測システムにより流体の流動分布
（流速および流れ方向）の測定を、精度よく正確に行う
ことができる。これにより、原子炉圧力容器内のような
外界と環境を異にする厳しい閉空間内の流動場の流体
（冷却材）の流動状態を正確に測定することができる。

【００９６】例えば、原子炉圧力容器のダウンカマ部や
炉心シュラウド内の流体（冷却材）の流動状態（冷却材
の流速や流れ方向、炉心流量、よどみ状態）の計測を行
うことができる。原子炉圧力容器内や蒸気発生器内、火
力発電プラントの熱交換器内等の熱流動状態、すなわ
ち、流れが一様でない熱流動（流動分布）の測定を正確
に精度よく行うことができるので、構成部品の熱疲労や
腐食の進捗状況を正確に管理することができる。

【００９７】具体的には、蒸気発生器や熱交換器等の内
部の伝熱管を支える支持板と熱交換器等の内壁等との間
隙に形成される流体のよどみ状態を計測することによっ
て、構成部品の熱疲労や腐食の進捗状況を管理すること
ができるので、より安全に、効率的に操業することがで
きる。また、局部的な流体の流動状態が明らかにされる
ので熱交換器などの最適化の設計が可能となる。例え
ば、図５に示された流動計測システムによれば、複雑な
間隙においても容易に計測することができる。

【００９８】また、例えば、図５に示された流動計測シ
ステムにおいて、レーザシート形成用走査光学系１３か
らシート状のレーザ光を２方向に直交するように照射し
て直行する２方向のレーザシートを形成し、直交する２
つのレーザシート上の粒子の流跡をそれぞれの画像伝送
手段を介してＣＣＤカメラ２４で撮像することにより、
粒子の動きを３次元的に測定でき、ひいては、流体の流
動状態を３次元的に測定できる。例えば、原子炉圧力容
器のダウンカマ部の冷却材流量を正確に測定するには、
ダウンカマ部に本体ケーシング４５（図５参照）を半径
方向および周方向の少なくとも一方に移動自在に設置
し、本体ケーシング４５を半径方向または周方向、すな
わち、Ｘ方向またはＹ方向に移動させつつ個々の粒子の
移動量を立体的に正確に測定し、流体の流動状態を測定
するようにすればよい。

【００９９】図１に示す流動計測システム１０におい
て、図４および図５に示すように走査光学系と画像伝送
系とを一体化することにより実用機として応用すること
ができ、さらに広範囲に適用することができる。例え
ば、原子炉内のインターナルポンプまわりのよどみ状態
等を計測することによりインターナルポンプの流動較正
の高精度化を図ることができるとともに、流体のよどみ
等による構成部品の熱疲労や腐食の進捗状況を正確に管
理することができる。また、ＡＢＷＲの改良に伴う炉内
構造物の大型化、シュラウドレス化等に伴う流動試験測
定に適用可能であり、さらなる情報の高精度化により設
計の合理化、またプラントの効率向上に寄与することも
可能である。

【０１００】また、この流動計測システムは、船舶、航
空機あるいは自動車等において、水流あるいは気流と接
触する構造部位や機材まわりにおける流体の流動場の計
測に適用することができる。この場合、外界に開放され
た形態で流動場が形成されていてもよい。

【０１０１】例えば、船舶の底部や壁面における水流の
流動状態（流速や流れ方向、流量、よどみ状態）を計測
することができる。流れが一様でない流動状態の測定を
も正確に精度よく行うことができる。これにより船舶の
底部や壁面等における流れのよどみ箇所等に発生する貝
類等の付着汚染や機材の疲労等の進捗状況を正確に管理
することができる。また、船体の形状、構造、部材等に
伴う流動試験測定により、船舶設計の最適化、合理化を
図ることも可能である。

【０１０２】航空機あるいは自動車においても、流動試
験測定により高速化、走行安全性等の最適化設計などに
寄与することができる。

【０１０３】

【発明の効果】本発明に係る流体の流動計測システムお
よびその計測方法によれば、流体中に分布する個々の粒
子の動きを、レーザシートで可視化し、可視化されたレ
ーザシート上の粒子軌跡画像を画像撮像手段で撮像し、
撮像された２時刻（微小時間間隔）の粒子軌跡画像を画
像処理手段で比較・解析し、画像処理することで、複雑
な流動場における個々の粒子の流速や流れ方向を測定し
て流体の流速や流れ方向等の流動状態を精度よく正確に
測定することができる。

【０１０４】本発明によれば、複雑な流動場における流
体の流動状態の測定を画像処理手段で粒子軌跡画像を処
理することにより行うことができるので、遠隔地から流
体の流動状態を測定でき、環境的に厳しい閉空間内の流
体の流動状態を正確に精度よく測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体の流動計測システムの一実施
形態を示す概念図。

【図２】本発明に係る流体の流動計測システムに組み込
まれるレーザシート用走査光学系の原理を示す図。

【図３】本発明に係る流体の流動計測システムに組み込
まれる画像伝送手段の原理を示す図。

【図４】本発明に係る流体の流動計測システムを実用的
な計測システムに適用した概念図。

【図５】本発明に係る流体の流動計測システムを実用的
な計測システムに適用した概念図。

【図６】本発明に係る流体の流動計測システムで撮像さ
れた粒子軌跡画像の二値化処理および膨張化処理の結果
を示す図。

【図７】本発明に係る流体の流動計測システムで撮像さ
れた粒子軌跡画像を示す図。

【図８】図７に示された粒子軌跡画像を画像処理した計
算結果を示す図。

【図９】本発明に係る流体の流動計測システムによる計
測結果の偏り誤差を示す図。

【図１０】本発明に係る流体の流動計測システムによる
計測結果のばらつき誤差を示す図。

【図１１】本発明に係る流体の流動計測システムによる
計測結果の確率密度分布を示す図。

【図１２】軸対称噴流の計測実験における噴流出口条件
を示す図。

【図１３】本発明の流動計測システムにおいて、粒子軌
跡追跡法で画像処理した計算結果を示す図。

【図１４】本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計
測で得られたＺ＝６Ｄにおける軸方向平均速度分布を示
す図。

【図１５】本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計
測で得られたＺ＝６Ｄにおける軸方向変動速度分布を示
す図。

【図１６】本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計
測で得られたｒ＝０ｍｍにおける軸方向速度確率密度分
布を示す図。

【図１７】本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計
測で得られたｒ＝２ｍｍにおける軸方向速度確率密度分
布を示す図。

【符号の説明】

１０ 流体の流動計測システム １１ レーザ発振装置（光源） １２ 送光用ファイバ １３ 走査光学系 １４ 流体の流動場 １５ 容器 １６ ノズル １７ レーザシート １８ レンズ群（レンズ光学系） １９ａ、１９ｂ コリメートレンズ ２０ 長焦点レンズ ２１ シリンドリカルレンズ ２２ 画像伝送手段 ２４ ＣＣＤカメラ（撮像手段） ２５ 光ファイバ ２６ イメージガイド ２７ 対物レンズ ２９ 画像撮像手段 ３０ タイミングコントロール手段 ３１ タイミングスケジューラ ３２ シンクロナイザ ３５ 画像処理手段 ３６ フレームグラバボード ３７ ＰＣＩバス ３８ コンピュータ ４０ 可視化用プローブ ４１ 透過用窓ガラス ４３ ４５°直角プリズム ４４ ファイバースコープ（画像伝送手段） ４５ 本体ケーシング ５０ 貯溜タンク ５１ ポンプ ５２ リザーバタンク ５３ バルブ ５８ 流体の循環系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 手塚 英昭 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社原子力研究所内 (72)発明者 菱田 公一 神奈川県横浜市港北区日吉三丁目14番１号 慶應義塾大学理工学部内 (72)発明者 前田 昌信 神奈川県横浜市港北区日吉三丁目14番１号 慶應義塾大学理工学部内 Ｆターム(参考） 2F034 AA01 AB01 AB02 AB05 DA01 DA07 DA15 DB01 DB07 DB14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発振させるレーザ発振装置
   と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシート状に
   投入させるレーザシート形成用走査光学系と、この走査
   光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を撮
   像する画像撮像手段と、前記レーザ発振装置と画像撮像
   手段をタイミングをとって同期化駆動させるタイミング
   コントロール手段と、前記画像撮像手段で撮像された２
   時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを比較・解析し、個
   々の粒子の移動方向および移動量を計測する画像処理手
   段を備え、この画像処理手段による個々の粒子の移動量
   から流体の流動・流速分布を計測するように構成したこ
   とを特徴とする流体の流動計測システム。
2. 【請求項２】 前記画像撮像手段は、走査光学系からの
   レーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画像
   伝送手段と、光伝送された２次元粒子軌跡画像を撮像す
   る撮像手段とを備えた請求項１に記載の流体の流動計測
   システム。
3. 【請求項３】 前記画像伝送手段は、多数本の光ファイ
   バを束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可撓性
   のイメージガイドで構成され、前記撮像手段は、ＣＣＤ
   カメラで構成されており、前記イメージガイドは、対物
   レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像を光
   ファイバで各画素に分解してＣＣＤカメラ側の他端面ま
   で同一画像を伝送するように構成された請求項２に記載
   の流体の流動計測システム。
4. 【請求項４】 前記走査光学系と画像撮像手段は、一体
   的に組み合わせて構成され、流体の流動場で１次元ある
   いは２次元移動可能に構成された請求項１に記載の流体
   の流動計測システム。
5. 【請求項５】 前記走査光学系は、直交するレーザシー
   トを流体の流動場内に形成し、この直交するレーザシー
   ト上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画像伝送手段を
   それぞれ設けた請求項１に記載の流体の流動計測システ
   ム。
6. 【請求項６】 レーザ発振装置から発振されるレーザ光
   を流体の流動場にシート状に照射してレーザシートを形
   成し、このレーザシート上の粒子軌跡画像を画像撮像手
   段で撮像し、撮像された２時刻の粒子軌跡画像の輝度パ
   ターンを比較・解析する一方、撮像された時系列の粒子
   軌跡画像を加算平均処理して光ファイバ配列画像の輝度
   パターンを求め、この光ファイバ配列画像の輝度パター
   ンを前記粒子軌跡画像の輝度パターンから除去すること
   により個々の粒子の移動方向および移動量を求め、前記
   流体流動場における流体の流動を計測することを特徴と
   する流体の流動計測方法。