JP2011017601A - 粒子画像流速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 粒子画像流速測定装置において、トレーサ粒子の流れ場への追従性を損なわず、かつ人体の健康への悪影響を回避しながら測定精度を高める。
【解決手段】 物体の周囲の流れ場に含まれるトレーサ粒子に所定波長のレーザー光を照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の画像に基づいて流れ場の流速を測定する。その際に、物体の蛍光性の塗膜３３がレーザー光により励起されて該レーザー光の波長と異なる波長の蛍光を発生するため、レーザー光がトレーサ粒子に反射された反射光の波長だけを通過させるフィルタ３４を用いてＣＣＤカメラ３２Ａで撮像することで、トレーサ粒子の画像のＳ／Ｎ比を高めて物体の反射光の影響を除去し、流速の測定精度を高めることができる。しかもトレーサ粒子に蛍光性を与える必要がないので、トレーサ粒子の重量が増加して流れ場への追従性が低下することも、有害な蛍光物質を含むトレーサ粒子が拡散して人体に悪影響を及ぼすこともない。
【選択図】 図８

Description

本発明は、物体の周囲の流れ場に含まれるトレーサ粒子に所定波長のレーザー光を照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の画像に基づいて流れ場の流速を測定する粒子画像流速測定装置に関する。

トレーサ粒子が含まれる流体の流れ場に２次元状のレーザーシートを微小な時間差を有する２時刻において照射し、各々の時刻におけるレーザーシート内のトレーサ粒子の画像をカメラで撮像し、それらの２時刻の画像に基づいてレーザーシート内のトレーサ粒子の速度を測定するＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）が知られている。

ところで、レーザーシートに照射されたトレーサ粒子を撮像手段で撮像する際に、その背景となる物体に反射された反射光がトレーサ粒子に反射された反射光と共に撮像手段により撮像されてしまうと、物体からの反射光がノイズとなって反射光のＳ／Ｎ比が低下してしまい、流速の測定精度が低下する問題がある。

この問題を解決するために、シリカ（ＳｉＯ₂ ）の固体粒子よりなるトレーサ粒子に蛍光材料を含浸させることでレーザー光を励起光とする蛍光を発生させ、この蛍光の波長だけを通過させるフィルタを介してトレーサ粒子を撮像することで、背景となる物体に反射された反射光を遮断してトレーサ粒子の鮮明な画像を得るものが、下記特許文献１により公知である。

特開平５−２９７０１４号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、トレーサ粒子に蛍光材料を含浸させるので、トレーサ粒子の重量増加により流体の流れに対する追従性が悪くなって測定精度が低下する問題がある。また蛍光材料として挙げられているローダミンやカドミウムは人体に対する毒性があるが、それを含浸したトレーサ粒子が空気中に浮遊して人体に吸い込まれる可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、粒子画像流速測定装置において、トレーサ粒子の流れ場への追従性を損なわず、かつ人体の健康への悪影響を回避しながら測定精度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、物体の周囲の流れ場に含まれるトレーサ粒子に所定波長のレーザー光を照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の画像に基づいて流れ場の流速を測定する粒子画像流速測定装置において、前記物体は入射したレーザー光の波長を変化させて反射する蛍光性の表面を有しており、前記撮像手段は前記所定波長を選択的に通過させるフィルタを介してトレーサ粒子の反射光を撮像することを特徴とする粒子画像流速測定装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記物体の表面は平滑な艶有り表面であることを特徴とする粒子画像流速測定装置が提案される。

尚、実施の形態の第１、第２第１ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂは本発明の撮像手段に対応する。

請求項１の構成によれば、物体の周囲の流れ場に含まれるトレーサ粒子に所定波長のレーザー光を照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の画像に基づいて流れ場の流速を測定する。その際に、物体の蛍光性の表面がレーザー光により励起されて該レーザー光の波長と異なる波長の蛍光を発生するため、レーザー光がトレーサ粒子に反射された反射光の波長だけを通過させるフィルタを用いて撮像することで、トレーサ粒子の画像のＳ／Ｎ比を高めて物体の反射光の影響を除去し、流速の測定精度を高めることができる。しかもトレーサ粒子に蛍光性を与える必要がないので、トレーサ粒子の重量が増加して流れ場への追従性が低下することも、有害な蛍光物質を含むトレーサ粒子が拡散して人体に悪影響を及ぼすこともない。

また請求項２の構成によれば、レーザー光は物体の表面の平滑な艶有り表面で乱反射することなく鏡面反射するので、鏡面反射された反射光が撮像されないように撮像手段を配置しておけば、トレーサ粒子からの反射光だけを撮像して流速の測定精度を更に高めることができる。

風洞に設けられた粒子画像流速測定装置の全体平面図。 図１の２部拡大図。 図２の３−３線拡大断面図。 図３の４−４線断面図。 レーザーシートおよびＣＣＤカメラのＺ軸方向の移動の説明図。 第１、第２時刻の画像からピークレシオを算出する過程の説明図。 第１、第２ピークのレシオと誤ベクトルの数との関係を示す図。 一般の塗膜および蛍光性の塗膜の反射光の差異の説明図。 粗面および平滑面の反射光の差異の説明図。

以下、図１〜図９に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、所定の流速の空気の一様流が供給される風洞１１の内部に例えば自動車車体の模型のような物体１２が置かれており、その上流側に設置されたトレーサ粒子供給手段１３から直径が数μｍの微小な油滴（トレーサ粒子）が一様流中に供給される。一様流は物体１２の表面に沿って流れの向きを変え、３次元の速度場を形成する。風洞１１の壁面の少なくとも一部には透明な観測窓１４が設けられており、この観測窓１４を挟んで物体１２に臨む位置に粒子画像流速測定装置１５が配置される。

図２〜図４に示すように、粒子画像流速測定装置１５は風洞１１の軸線と平行に配置された主ガイドレール２１と、主ガイドレール２１と平行に配置された副ガイドレール２２と、主ガイドレール２１に移動自在に支持された主トラバーサ２３と副ガイドレール２２に移動自在に支持された一対の第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂと、主トラバーサ２３および第１副トラバーサ２４Ａを連結する第１連結ロッド２５Ａと、主トラバーサ２３および第２副トラバーサ２４Ｂを連結する第２連結ロッド２５Ｂとを備えており、第１、第２連結ロッド２５Ａ，２５Ｂは同じ長さを有している。

主ガイドレール２１の両端に設けられた駆動スプロケット２６および従動スプロケット２７に無端のタイミングベルト２８が巻き掛けられており、その一方の弦部は主トラバーサ２３の一方の貫通孔２３ａ（図４参照）に相対移動不能に係合し、その他方の弦部は主トラバーサ２３の他方の貫通孔２３ｂ（図４参照）を非係合で通過する。駆動スプロケット２６をモータ２９（図３および図４参照）で駆動すると、従動スプロケット２７との間に巻き掛けたタイミングベルト２８が回転し、主トラバーサ２３は主ガイドレール２１に沿って移動する。主トラバーサ２３が移動すると、それに第１、第２連結ロッド２５Ａ，２５Ｂを介して連結された第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂが副ガイドレール２２に沿って移動する。

主ガイドレール２１の延長線上にレーザヘッド３０が設けられており、レーザヘッド３０は主ガイドレール２１に沿ってレーザービームＬｂを照射する。主トラバーサ２３の上面にミラーおよびシリンドリカルレンズよりなるレーザーシート照射手段３１が設けられており、レーザーシート照射手段３１はレーザービームＬｂをそれに直交する平面を照射するレーザーシートＬｓに変換する。レーザービームＬｂおよび風洞１１の軸線はＺ軸方向に延び、レーザーシートＬｓはＺ軸方向に対して直交するＸ軸およびＹ軸方向に延びている。

第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂの上面にそれぞれ第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂが設けられており、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢはレーザーシートＬｓに対して鏡面対称な位置に配置されて該レーザーシートＬｓ上の一点を指向している。第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂは物体１２の近傍のレーザーシートＬｓの所定領域を撮像するものであり、その撮像領域の全域でピントが合うように第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂにはシャインフルーグアダプタが設けられる。レーザーシート照射手段３１を搭載した主トラバーサ２３と、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを搭載した第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂとは一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動するため、レーザーシートＬｓと第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂとは一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動する。

主トラバーサ２３および第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４ＢはＺ軸方向に所定距離ずつ間欠的に移動し、停止する度にレーザーシートＬｓが短い時間間隔Δｔで２回照射される。実施の形態ではＺ軸方向の１ｍの距離を１０ｃｍ間隔で間欠的に移動する（図５参照）。前記時間間隔Δｔは風洞１１内の一様流の流速が高いほど小さく設定されるもので、その間のトレーサ粒子のＺ軸方向の移動距離が測定に適した大きさになるように調整される。また前記時間間隔Δｔにおけるトレーサ粒子のＺ軸方向の移動距離は、レーザーシートＬｓのＺ軸方向の厚さを超えないように設定される。

風洞１１内を流れる一様流は物体１２の周囲で方向を変えて３次元流となり、そこに含まれるトレーサ粒子も空気の流線に沿って移動する。時刻ｔ１における１回目の照射に同期して第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢがレーザーシートＬｓに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の２方向からの２枚の画像を取得する。同様にして、時刻ｔ１′＝ｔ１＋Δｔにおける２回目の照射に同期して第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢがレーザーシートＬｓに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の２方向からの２枚の画像を取得する。

本実施の形態では、ＰＩＶの種々の手法のうち、２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像の輝度パターンを比較してトレーサ粒子群の移動ベクトルを求める「画像相関法」を採用する。

図６には、例えば第１ＣＣＤカメラ３２Ａで２時刻において取得した二つの画像が示される。第１ＣＣＤカメラ３２Ａの軸線はレーザーシートＬｓの照射面に対して傾斜しているため、その画像のｘ−ｙ平面はレーザーシートＬｓの照射面のＸ−Ｙ座標に対して傾いている。四角い枠は、第１ＣＣＤカメラ３２Ａの画像を碁盤目状に分割した検査領域の一つであり、各々の検査領域においてトレーサ粒子群のｘ−ｙ平面内の移動ベクトルが算出される。即ち、時刻ｔ１に取得した第１画像の所定の検査領域におけるトレーサ粒子群の輝度パターンが、時刻ｔ１′に取得した第２画像の所定の検査領域のどの位置に移動したかを相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を用いて検出し、その移動ベクトルを時間Δｔで除算したものを該検査領域における２成分速度ベクトルとする。以下、その２成分速度ベクトルの算出過程を説明する。

先ず、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの初期値を共に０に設定する。

ｆｐ←０
ｓｐ←０
続いて、次式で定義される相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出する。

ここで、ｆ（ｘ，ｙ）は第１画像の輝度パターンから求めた輝度関数であり、ｇ（ｘ，ｙ）は第２画像の輝度パターンから求めた輝度関数である。よって、ｇ（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）は、ｇ（ｘ，ｙ）の輝度分布をｘ軸方向に−Δｘだけ移動させ、ｙ軸方向に−Δｙだけ移動させたものに相当する。従って、Δｘ，Δｙは時間間隔Δｔにおける輝度パターンの移動量に対応する。

各検査領域は、一辺の長さがｐの正方形のピクセルがｘ軸方向にｎ個、ｙ軸方向にｎ個集合したものであり、Δｘをｐからｎｐまで掃引し、かつΔｙをｐからｎｐまで掃引しながら、相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出する。そして相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）が現第１ピーク値ｆｐを超える度に、相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を新第１ピーク値ｆｐとし、現第１ピーク値ｆｐを新第２ピーク値ｓｐとする。

このようにしてΔｘおよびΔｙの全ての値について相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出したとき、最終的な第１ピーク値ｆｐが得られたΔｘおよびΔｙの値を第１画像から第２画像への輝度パターンの移動量とする。そしてΔｘ，Δｙを第１、第２画像が取得された時間間隔Δｔで除算したものが、その検査領域における２成分速度ベクトルのｘ成分およびｙ成分であるｖｘ，ｖｙとなる。

このとき、第１画像と第２画像との相関度が高い場合には、第１ピーク値ｆｐは突出して大きくなり、第２ピーク値ｓｐは第１ピーク値ｆｐに対して遥かに小さくなるが、第１画像と第２画像との相関度が低い場合には、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの差は小さくなる、このような場合にはΔｘおよびΔｙに基づいて求めた２成分速度ベクトルの信頼性が低くなる。

そこで本実施の形態では、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの比であるピークレシオｆｐ／ｓｐを算出し、ピークレシオｆｐ／ｓｐが閾値１．２以上の場合、つまり第１ピーク値ｆｐが第２ピーク値ｓｐに対して１．２倍以上であれば、２成分速度ベクトルの信頼性が高いと判断し、逆に第１ピーク値ｆｐが第２ピーク値ｓｐに対して１．２倍未満であれば、２成分速度ベクトルの信頼性が低いと判断し、その２成分速度ベクトルを誤ベクトルとして削除する。

図７の横軸はピークレシオであり、縦軸は誤ベクトルの数である。このグラフから、ピークレシオが１．２以上の領域で誤ベクトルの数が極めて少なく、ピークレシオが１．２未満の領域で誤ベクトルの数が急激に増加することが分かる。

以上、第１ＣＣＤカメラ３２Ａで２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像から各検査領域における２成分速度ベクトルを算出する手法を説明したが、同様にして、第２ＣＣＤカメラ３２Ｂで２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像を比較することで、各検査領域における３成分速度ベクトルを算出することができる。

第１ＣＣＤカメラ３２Ａの画像から得られた検査領域の２成分速度ベクトルと、第２ＣＣＤカメラ３２Ｂの画像から得られた該検査領域の２成分速度ベクトルとは、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの撮像方向が異なっていることにより、つまり実際の３成分速度ベクトルを異なる方向から見た視差により異なったものとなる。

よって前記二つの２成分速度ベクトルと、レーザーシートＬｓに対する第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの相対的な位置関係とから、キャリブレーション（校正）によりレーザーシートＬｓの面内速度（Ｘ軸方向の速度ＶｘおよびＹ軸方向の速度Ｖｙ）と、面外速度（Ｚ軸方向の速度Ｖｚ）とよりなる３成分速度ベクトルを、照射面の各位置に対応して算出することができる。

以上のようにしてレーザーシートＬｓの照射面内における３成分速度ベクトルが算出されると、主トラバーサ２３および第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂを一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動させることで、つまりレーザーシートＬｓおよび第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動させることで、レーザーシートＬｓでＺ軸方向にずれた照射面を照射し、その新たな照射面の各位置における３成分速度ベクトルを算出する。図１には、粒子画像流速測定装置１５の照射面が物体１２の前端（上流端）側の位置にある状態が実線で示され、物体１２の後端（下流端）側の位置にある状態が鎖線で示される。

この操作をＺ軸方向に所定距離ずつ離間する複数の照射面について実行した結果をＺ軸方向に積み重ねることで、物体１２の周囲の３次元空間の全ての３成分速度ベクトルを測定することができ、これより物体１２の周囲に形成される速度場を詳細に測定することができる。

尚、レーザーシートＬｓの位置を軸線Ｚ方向に移動させながら照射面に分布するトレーサ粒子の画像を順次取得するため、各画像が取得された時刻は異なったものとなるが、物体の周囲の流れを定常流として計測するため、前記時刻のずれは問題とはならない。

ところで、仮に第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの位置を固定し、レーザーシート照射手段３１だけをＺ軸方向に移動させた場合、レーザーシート照射手段３１の移動に伴って第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂとの相対的な位置関係が変化するため、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの画像から得られた二つの２成分速度ベクトルから３成分速度ベクトルを算出する際のキャリブレーションがレーザーシートＬｓの位置を移動させる毎に異なってしまい、そのキャリブレーション工数が増加する問題がある。

しかしながら本実施の形態によれば、レーザーシート照射手段３１および第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂが一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動するため、レーザーシートＬｓの位置が移動する度にキャリブレーションを実行する必要をなくしてキャリブレーション工数を軽減することができる。

ところで、図８（Ｂ）に示すように、本実施の形態では物体１２の表面が蛍光性を有する塗膜３３が塗装されており、その塗膜３３はレーザー光照射手段３１から照射された波長５３２ｎｍのレーザー光により励起し、波長５６０ｎｍ〜６４０ｎｍの蛍光となって反射される。第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの前方には、レーザー光の波長５３２ｎｍを選択的に通過させるフィルタ３４，３４が装着される。

図８（Ａ）に示す従来例では、物体１２の表面が通常の塗料で塗装されており、その塗膜３３′にレーザー光が照射されると、その一部が吸収光となって吸収され、他の一部が反射光となって反射され、残りの一部が散乱光となって反射される。従って、反射光の一部および散乱光の一部がトレーサ粒子からの反射光と共に第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂに撮像されてＳ／Ｎ比を低下させる原因となっていた。

図８（Ｂ）に示す本実施の形態では、物体１２の表面が蛍光性の塗膜３３で塗装されており、レーザー光の照射により塗膜３３が励起されて反射光としての蛍光を発する。その際に、照射されたレーザー光の波長である５３２ｎｍに対して、反射光の波長は５６０ｎｍ〜６４０ｎｍに変化するため、発生した蛍光の分だけ反射光および散乱光の強度は低くなる。

しかして、レーザーシート照射手段３１から照射された波長５３２ｎｍのレーザー光は、その一部が吸収光となって吸収され、他の一部が波長５３２ｎｍの反射光となって反射され、残りの一部が波長５３２ｎｍの散乱光となって反射され、他の残りの一部は波長５６０ｎｍ〜６４０ｎｍに変化した反射光（蛍光）となる。波長５６０ｎｍ〜６４０ｎｍに変化した反射光（蛍光）は、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの前方のフィルタ３４，３４を通過するときに大部分がフィルタリングされ、波長が５３２ｎｍのままの反射光の一部および散乱光の一部だけが第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂに撮像される。

本実施の形態では、反射光および散乱光の強度はレーザー光の一部が蛍光に変化した分だけ弱くなっているため、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂに撮像される物体１２からのノイズは従来に比べて小さくなり、トレーサ粒子の画像のＳ／Ｎ比を高めてトレーサ粒子の鮮明な画像を得ることができ、レーザーシートＬｓの内部の３次元速度ベクトルを精度良く検出することが可能になる。

また図９（Ａ）に示す従来例のように、物体１２の塗膜３３′の表面が艶無し（粗面）の状態であると、レーザー光は殆ど鏡面反射せずに大部分が散乱するため、散乱光の一部が必ず第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂに撮像されてトレーサ粒子の画像のＳ／Ｎ比が低くなる問題がある。

それに対して、図９（Ｂ）に示す本実施の形態では、物体１２の塗膜３２の表面が艶有り（平滑面）の状態であるため、レーザー光は大部分が鏡面反射して殆ど散乱せず、鏡面反射したレーザー光が第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂに撮像されないように、該第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの位置を前記反射光が直接撮像されない位置に調整することで、トレーサ粒子の画像のＳ／Ｎ比を更に高めることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、物体１２を塗装する塗膜３３に蛍光性を与えたので、有害な蛍光物質を含むトレーサ粒子が拡散して人体に悪影響を及ぼすことがなく、しかもトレーサ粒子自体に蛍光性を与える必要がないので、トレーサ粒子の重量が増加して流れ場への追従性が低下することもない。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを用いたステレオＰＩＶを採用しているが，本発明は１台のＣＣＤカメラを用いたＰＩＶに対しても適用することができる。

また実施の形態では物体１２の表面を塗装する塗膜３３に蛍光性を与えているが、蛍光性を有するフィルムやテープで物体の表面を被覆しても良い。

１２ 物体
３２Ａ 第１ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３２Ｂ 第３ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３４ フィルタ

Claims (2)

1. 物体（１２）の周囲の流れ場に含まれるトレーサ粒子に所定波長のレーザー光を照射して反射光を撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）で撮像し、得られたトレーサ粒子の画像に基づいて流れ場の流速を測定する粒子画像流速測定装置において、
   前記物体（１２）は入射したレーザー光の波長を変化させて反射する蛍光性の表面を有しており、前記撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）は前記所定波長を選択的に通過させるフィルタ（３４）を介してトレーサ粒子の反射光を撮像することを特徴とする粒子画像流速測定装置。
2. 前記物体（１２）の表面は平滑な艶有り表面であることを特徴とする、請求項１に記載の粒子画像流速測定装置。

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