JP2004020385A - 平面及び空間の時系列流体速度計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体現象は非常に幅の広い空間・時間スケールを含むため、これらの運動を正確に把握するためには、高い空間分解能と時間分解能を有した高精度の流体速度計測装置が必要だが、従来の流体速度計測法では空間分解能と時間分解能はトレードオフの関係にあり、両者を兼ね備えた流体計測装置は存在していなかった。
【解決手段】レーザ光をレーザシート生成光学系によってシート状レーザに変換し被測定流体に照射し、微少時間を隔て前記被測定流体内の粒子による散乱光画像あるいは流体の空間的濃淡画像を前記高速度ビデオカメラにより連続撮影し、時間的に連続する２枚の画像から相互相関法により速度ベクトルを算出し、得られた時系列データにフィルタをかけることで誤差を除去することにより、最終的な時系列速度を得ることを特徴とする平面及び空間の時系列流体速度計測システムによって達成される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体速度計測システムに関し、より詳しくは、高繰返しダブルパルスレーザ或いはパルスレーザを２台組み合わせたダブルパルスレーザシステム或いは連続発振レーザの光源と、前記レーザ光源から発振したレーザ光をシート状に変換する装置（レーザシート生成系）と、ＣＣＤ撮像素子又はＣＭＯＳ撮像素子を搭載した高速度ビデオカメラと、前記高速度ビデオカメラによって被測定流体内に混入した粒子の散乱光画像あるいは流体の空間的濃淡画像を同期撮影し、前記撮影によって得られた連続する２枚の前記散乱光画像あるい前記流体の空間的濃淡画像から時系列速度を得る演算手段を備えた平面及び空間の時系列流体速度計測システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
流体速度計測法には、熱線流速計やレーザドップラー流速計などの空間内の一点もしくは数点における速度を高い時間分解能で計測する方法と、流体内に混入した微小な粒子にレーザ光などの光を照射し、それらの散乱光などの画像を取得し、微小時間異なる粒子画像から粒子あるいは粒子群の移動距離を求め二次元平面内の流体速度を計測する粒子画像流速計（以下、ＰＩＶとよぶ）がある。熱線流速計やレーザドップラー流速計は高い時間分解能で流体速度を計測することが可能であるが、それらは空間内の一点もしくは数点においてのみ可能であり、同時に空間内の流体速度を計測することはできない。これに対して、ＰＩＶは平面内あるいは空間内の流体速度を計測可能であるが、ある瞬間あるいは大きな時間間隔の流体速度しか得ることができず、時間分解能は非常に低い。また、ＰＩＶによる速度場には非常に大きな誤差を含んだベクトル（以下、過誤ベクトルとよぶ）が存在する。過誤ベクトルはレーザシートに垂直方向の速度成分、渦度成分によって粒子がレーザシートから流出したり、レーザシートに流入してきたりすることによって相関が取れなくなることにより発生する。そのため、その発生は避けることができず、非常に大きな誤差を含むことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、従来不可能であった高い時間分解能と空間分解能を兼ね備えた高精度の平面及び空間の時系列流体速度計測システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、レーザの光源と、レーザシート生成光学系と、１台或いは複数台のＣＣＤ撮像素子を搭載した高速度ビデオカメラを有する画像取得システムを備えた平面及び空間の時系列流体速度計測システムであって、前記光源から発振したレーザ光を前記レーザシート生成光学系によってシート状レーザに変換し、前記シート状レーザを被測定流体に照射し、前記光源と前記画像取得システムを同期させ微少時間を隔て、前記被測定流体内の粒子による散乱光画像あるいは流体の空間的濃淡画像を前記高速度ビデオカメラにより連続撮影し、時間的に連続する２枚の画像から相互相関法により速度ベクトルを算出し、取得された各速度ベクトル分布に対して各速度定義点における時系列速度をフーリエ変換し、周波数空間においてカットオフ・フィルタ、又は低域フィルタを施し、逆フーリエ変換することにより、最終的な時系列速度を得ることを特徴とする平面及び空間の時系列流体速度計測システムによって達成される。
【０００５】
また、本発明の上記目的は、前記ＣＣＤ撮像素子として、５１２×５１２ピクセル以上で、１ｋＨｚ以上で撮影が可能なＣＣＤ撮像素子を用いることによって、或いはＣＣＤ撮像素子に代えてＣＭＯＳ撮像素子を用いることによって、或いは前記ＣＭＯＳ撮像素子として、撮像素子数が５１２×５１２ピクセル以上で、１ｋＨｚ以上で撮影が可能なＣＭＯＳ撮像素子を用いることによって、或いは前記レーザ光源として、１００Ｈｚ以上のパルスレーザを用いて、１つのフレームの内に等間隔のレーザ光が１つずつ入るように前記光源と前記画像取得システムを同期させて撮影を行うことによって、或いは前記レーザ光源として、ダブルパルス間の時間間隔が可変の１００Ｈｚ以上のダブルパルスレーザを用いて、連続する２つのフレームにおいて前側のフレームの後半部分と後側のフレームの前半部分にそれぞれ１レーザ光がはいるように同期させて撮影を行うことによって、或いは前記ダブルパルスレーザに代えて、１００Ｈｚ以上のパルスレーザを２台組み合わせ、それぞれから交互に連続して発するパルスの間隔が可変のレーザシステムを用いることによって、或いは前記レーザ光源として、連続発振レーザを用いて、レーザを連続発振し、カメラのシャッターを一定の時間間隔で開閉することにより粒子画像を得ることによって、或いは前記速度ベクトルの算出において、前記時系列データに対して直接低域フィルタを施すことによって、最終的な時系列速度を得ることによって、或いは前記速度ベクトル分布に対して、前記時系列データをフーリエ変換し、周波数空間においてカットオフ・フィルタ、又は低域フィルタを施し、逆フーリエ変換することにより、計測誤差などにより欠落した時刻の速度ベクトル情報、あるいは計測時刻間の速度ベクトル情報を補間することにより、最終的な時系列速度を得ることによって、或いは前記高速度ビデオカメラを２台用い、前記２台のカメラを、撮像面、レンズ主平面、シート面の延長線が一点で交わるシャインフラグ条件を満たすようにあおりを加えて配置し、まったく同じ動作をするように同期して撮影することにより、異なった角度から同時に２組の画像ペアを得、それぞれのカメラで撮影した画像ペアから各速度定義点における移動量ベクトルを計算し、斜めから観察したことによる画像の台形歪を補正して２台のカメラの速度定義点を一致させ、２台のカメラの角度差から平面内の３次元速度ベクトルの時系列データを得る、ステレオ投影を利用した平面内の３次元速度計測を行うことによって、或いは前記高速度ビデオカメラの１台或いは複数とレーザシート生成光学系を１軸以上の可動軸上で１軸の移動速度が０．５ｍ／ｓ以上の可動装置上に設置することによって、より効果的に達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る平面及び空間の時系列流体速度計測システムを、図面を参照して説明する。図１は、本発明の平面及び空間の時系列流体速度計測システムの実施例の概略を示したものである。
【０００７】
レーザ光源１から発振したレーザ光は、２乃至７を有するレーザシート生成光学系１１によりシート状に変換され被測定流体に照射される。前記レーザシート生成光学系１１は、円筒面レンズ２，３，６，７、ガルバノメータ・スキャナ４及び軸外方物面鏡５を有している。レーザシートはガルバノメータ・スキャナ４を作動させることにより、スキャンさせることが可能であり、これにより３次元計測も可能となる。シート状に変換されたレーザ光はテストセクション８に照射される。テストセクションに照射されたレーザ光の散乱光の画像を画像取得システム９で短時間隔てて撮影する。撮影された画像データは、システム制御及び画像解析システム１０の画像解析部分に送られ、フーリエ変換、相互相関法、フィルタリングなどの演算処理が行われる。なお、システム制御及び画像解析システム１０はパソコンの利用が可能である。
【０００８】
レーザ光源システム１と画像取得システム９は同期しており、図２に示すように光源の種類により同期方法を変える。図２の（Ａ）乃至（Ｃ）のいずれの図も右方向が経時変化を示す。カメラフレームではパルスの一つ一つがカメラフレームをあらわしている。カメラシャッターではパルスのＨレベルがシャッターを開いていること、パルスのＬレベルがシャッターを閉じていることを示している。レーザ発振ではパルスのＨレベルがレーザを発振している状態を、パルスのＬレベルがレーザを発振していない状態を示している。図２の（Ａ）は連続発振レーザを用いた場合の同期方法を示している。レーザは発振した状態を維持し、カメラシャッターの開閉により撮影を行う。（Ｂ）は光源としてパルスレーザを用いた場合の同期方法を示している。レーザを発振する前にシャッターを開け、一定の時間をおいてレーザを発振した後にシャッターを閉じることを繰り返す。（Ａ）及び（Ｂ）は、等間隔のレーザ光がカメラの一つのフレーム内に１つずつ入るように同期撮影している。（Ｃ）は光源としてダブルパルスレーザ又はパルスレーザを２台組み合わせた前記ダブルパルスレーザと同等の性能を有するレーザ光源を用いた場合の同期方法を示している。（Ｃ）は連続する２つのフレームにおいて前のフレームの後半部分と後ろのフレームの前半部分にそれぞれ１レーザ光がはいるように同期撮影している。このようなタイミングで撮影をした場合、連続するフレームから得られる粒子画像の時間間隔はパルスとパルスの時間間隔になるため、時間間隔を劇的に短縮することが可能となる。
【０００９】
図３に連続発振レーザ１台又はパルスレーザ１台と画像取得装置１台を用いた場合のシステム構成図を示す。レーザ光源システム１から発振されたレーザはレーザシート生成光学系１１によりシート状に変換され、テストセクション８に照射される。図３に示す実施例においてテストセクション８のパイプはアクリルで製作し内部の視認性を確保している。パイプ内の流体中には、予めトレーサー粒子１２が混入されており、前記トレーサー粒子１２によるレーザの散乱光を画像取得システム９によって撮影し粒子画像を取得する。
【００１０】
図３の実施例において、レーザ光源システム１として、Ａｒ^＋イオンレーザ１台、画像取得システム９としてハイスピードＣＣＤカメラ１台、トレーサー粒子１２として、平均粒径１２μｍのポリエチレン（比重０．９２）を使用して、図４の画像フレームとレーザのタイミングダイアグラムで撮影を行った。本実施例では、図４に示されるようにレーザ光を連続発振し、ハイスピードＣＣＤカメラの内部シャッターでフレーム間隔と露光時間を設定した。
【００１１】
また、混合層は平均流が存在する流れ場であるために、微小検査領域の大きさを小さくしすぎるとレーザ光のダブルパルスの間に粒子が微小検査領域外に移動してしまい粒子パターンの相関が取れなくなる。そのため、高速流の計測を行う際には微小検査領域の大きさを大きくとらなくてはならないが、ＰＩＶの空間分解能を高くするためには微小検査領域の大きさを小さくしなければならないというジレンマがある。これらの問題を解決し高空間分解能の速度ベクトルを得るために、本実施例では以下の▲１▼乃至▲４▼の各ステップによる速度ベクトルの算出法を採用した。
【００１２】
▲１▼大きな検査領域（９６×９６ピクセル）で速度ベクトルを算出する。
【００１３】
▲２▼周期境界条件の下で低域フィルタを施し、過誤ベクトルの除去を行う。
【００１４】
▲３▼小さな微小検査領域（３２×３２ピクセル）で時間的に連続して撮影した画像間の相関関数を計算し、高空間分解能での速度ベクトルを算出する。
【００１５】
▲４▼低域フィルタを施し過誤ベクトルの除去を行う。
【００１６】
図５は典型的な粒子画像であり明るい部分は粒子を示している。図６は連続する２つの粒子画像から得られた平面内の速度ベクトルの一例であり、この図によって平面の流れ場の様子を視覚的に捉えることができる。
【００１７】
図７は前記条件で計測されたある一点の時系列速度データのフーリエ変換から得られた速度のパワー・スペクトルである。高周波数域でスペクトルが上昇し、非物理的な信号が検出されていることが分かる。これは過誤ベクトルの存在を示している。従来の粒子画像計測は２次元平面内において空間分解能に基づいた低域フィルタのみを施して過誤ベクトルの除去を行っていたが、完全に過誤ベクトルを除去することはできなかった。そこで、本実施例では空間的な低域フィルタに加え時間的な低域フィルタを施し、さらに過誤ベクトルの除去を行った。図８に周波数空間においてカットオフ・フィルタを施し、過誤ベクトルを除いた速度のパワー・スペクトルを示す。図９の（Ｂ）は周波数空間においてカットオフ・フィルタを施した後に逆フーリエ変換することで得られる最終的な速度ベクトル分布を示し、図９の（Ａ）はカットオフ・フィルタを施さない場合の最終的な速度ベクトル分布である。
【００１８】
図１０にパルスレーザ光源１３を２台組み合わせたダブルパルスレーザシステムと高速度カメラ１台を用いたシステム構成を示す。パルスレーザ１３をレーザ光源１として２台利用し、レーザ同期システム１４によってレーザ発振を同期させることにより、図２の（Ｃ）に示されたタイミングで撮影を行うことができ、このことにより、撮影の時間間隔を劇的に短縮することが可能となる。
【００１９】
図１１の実施例は、図１０の実施例と同様のダブルパルスレーザシステムをレーザ光源システム１とし、画像取得システム９として２台の高速度カメラを使用し、レーザ光源システム１とレーザシート生成光学系と１１画像取得システム９を１軸可動装置１５上に設置したシステム構成を示している。このシステム構成により、三次元空間内の速度ベクトルを計測することが可能になる。
【００２０】
図１０と図１１の実施例においては、ロブノズル１７による噴流をテストセクション８としている。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る平面及び空間の時系列流体速度計測システムによれば、従来の粒子画像流速計システムでは１５Ｈｚ程度でしか得ることができない平面あるいは空間の流体速度を、１００Ｈｚ〜４ｋＨｚ以上まで高い空間解像度を保ちながら、高精度で計測することができる。また、１００Ｈｚ以上の高い時間分解能で計測することにより、時系列の平面あるいは空間内の速度データに対して、時系列であることの特徴を用いて誤差除去を行い最終的な速度データを得る技術及び画像取得装置とレーザシート光学系を１つの可動装置上に設置し、三次元空間内の速度ベクトルを計測する技術が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】システム全体の概略を示す図である。
【図２】各種レーザ光源における、カメラフレームとレーザのタイミングダイアグラムを示す図である。
【図３】連続発振レーザ１台又はパルスレーザ１台と高速度カメラ１台を用いた場合のシステム構成を示す図である。
【図４】シャッターのタイミングダイアグラムを示す図である。
【図５】撮影された典型的な粒子画像を示す図である。
【図６】連続する２つの粒子画像から得られた平面内の速度ベクトルを示す図である。
【図７】ある一点の時系列速度データのフーリエ変換から得られた速度のパワー・スペクトルを示す図である。
【図８】周波数空間においてカットオフ・フィルタを施し、過誤ベクトルを除いた速度のパワー・スペクトルを示す図である。
【図９】周波数空間においてカットオフ・フィルタを施した後に逆フーリエ変換することで得られる最終的な速度ベクトル分布（Ｂ）とカットオフ・フィルタを施さないで得られる最終的な速度ベクトル分布（Ａ）を示す図である。
【図１０】パルスレーザを２台組み合わせたダブルパルスレーザシステムと高速度カメラ１台を用いた場合のシステム構成を示す図である。
【図１１】パルスレーザを２台組み合わせたダブルパルスレーザシステムと高速度カメラ２台を１軸可動装置上に配置した場合のシステム構成を示す図である。
【符号の説明】
１　　レーザ光源システム
２　　円筒面レンズ（ａ）
３　　円筒面レンズ（ｂ）
４　　ガルバノメータ・スキャナ
５　　軸外方物面鏡
６　　円筒面レンズ（ｃ）
７　　円筒面レンズ（ｄ）
８　　テストセクション
９　　画像取得システム
１０　システム制御及び画像解析システム（パソコン）
１１　レーザシート生成光学系
１２　トレーサ粒子
１３　パルスレーザ光源
１４　レーザ同期システム
１５　１軸可動装置
１６　レーザ同期システム
１７　ロブノズル

Claims (12)

1. レーザの光源と、レーザシート生成光学系と、１台或いは複数台のＣＣＤ撮像素子を搭載した高速度ビデオカメラを有する画像取得システムを備えた平面及び空間の時系列流体速度計測システムであって、前記光源から発振したレーザ光を前記レーザシート生成光学系によってシート状レーザに変換し、前記シート状レーザを被測定流体に照射し、前記光源と前記画像取得システムを同期させ微少時間を隔て、前記被測定流体内の粒子による散乱光画像あるいは流体の空間的濃淡画像を前記高速度ビデオカメラにより連続撮影し、時間的に連続する２枚の画像から相互相関法により速度ベクトルを算出し、取得された各速度ベクトル分布に対して各速度定義点における時系列速度をフーリエ変換し、周波数空間においてカットオフ・フィルタ、又は低域フィルタを施し、逆フーリエ変換することにより、最終的な時系列速度を得ることを特徴とする平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
2. 前記ＣＣＤ撮像素子として、５１２×５１２ピクセル以上で、１ｋＨｚ以上で撮影が可能なＣＣＤ撮像素子を用いた請求項１に記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
3. 前記画像取得システムとして、ＣＣＤ撮像素子に代えてＣＭＯＳ撮像素子を用いた請求項１に記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
4. 前記ＣＭＯＳ撮像素子として、撮像素子数が５１２×５１２ピクセル以上で、１ｋＨｚ以上で撮影が可能なＣＭＯＳ撮像素子を用いた請求項３に記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
5. 前記レーザ光源として、１００Ｈｚ以上のパルスレーザを用いて、
   １つのフレームの内に等間隔のレーザ光が１つずつ入るように前記光源と前記画像取得システムを同期させて撮影を行う請求項１乃至４のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
6. 前記レーザ光源として、ダブルパルス間の時間間隔が可変の１００Ｈｚ以上のダブルパルスレーザを用いて、連続する２つのフレームにおいて前側のフレームの後半部分と後側のフレームの前半部分にそれぞれ１レーザ光がはいるように同期させて撮影を行う請求項１乃至４のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
7. 前記ダブルパルスレーザに代えて、１００Ｈｚ以上のパルスレーザを２台組み合わせ、それぞれから交互に連続して発するパルスの間隔が可変のレーザシステムを用いた請求項６に記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
8. 前記レーザ光源として、連続発振レーザを用いてレーザを連続発振し、カメラのシャッターを一定の時間間隔で開閉することにより粒子画像を得る請求項１乃至４のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
9. 前記速度ベクトルの算出において、前記時系列データに対して直接低域フィルタを施すことにより、最終的な時系列速度を得る請求項１乃至８のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
10. 前記速度ベクトル分布に対して、前記時系列データをフーリエ変換し、周波数空間においてカットオフ・フィルタ、又は低域フィルタを施し、逆フーリエ変換することにより、計測誤差などにより欠落した時刻の速度ベクトル情報、あるいは計測時刻間の速度ベクトル情報を補間することにより、最終的な時系列速度を得る請求項１乃至８のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
11. 前記高速度ビデオカメラを２台用い、前記２台のカメラを、撮像面、レンズ主平面、シート面の延長線が一点で交わるシャインフラグ条件を満たすようにあおりを加えて配置し、まったく同じ動作をするように同期して撮影することにより、異なった角度から同時に２組の画像ペアを得、それぞれのカメラで撮影した画像ペアから各速度定義点における移動量ベクトルを計算し、斜めから観察したことによる画像の台形歪を補正して２台のカメラの速度定義点を一致させ、２台のカメラの角度差から平面内の３次元速度ベクトルの時系列データを得る、ステレオ投影を利用した平面内の３次元速度計測を行う請求項１乃至１０のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。
12. 前記高速度ビデオカメラの１台或いは複数とレーザシート生成光学系を１軸以上の可動軸上で１軸の移動速度が０．５ｍ／ｓ以上の可動装置上に設置した請求項１乃至１１のいずれかに記載の平面及び空間の時系列流体速度計測システム。

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