JP2743050B2 - 微小トレーサ粒子の可視化方法およびその追跡方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小トレーサ粒子の可
視化方法およびその追跡方法に関し、特に、微小トレー
サ粒子を可視化する方法、および上記微小トレーサ粒子
を高速度に追跡する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、流れ場の可視化方法により
流れを把握する試みは古くからあり、壁面トレース法、
タフト法、直接注入法等がよく知られている。

【０００３】これらの方法のうち、壁面トレース法は物
体表面に油等を塗布し、流れによって現れる筋模様から
流れの状態、方向、速度等を求めるものである。また、
タフト法は多数の糸を物体表面に張り、そのなびき具合
から流れを測定するものである。更に、直接注入法は流
れ内に染料を入れ、その染料の流跡を可視化するもので
ある。

【０００４】従来より知られている上記可視化方法は、
以下に述べるような問題があった。すなわち、壁面トレ
ース法では物体の表面から離れた空間での流れの測定が
困難である。また、タフト法では任意の断面での測定が
困難であるという問題があった。更に、上記直接注入法
では、染料の流跡上での速度は把握できるが、流れ領域
全体を一度に可視化することはできないという問題があ
った。

【０００５】ところで、近年、流れ領域全体を一度に可
視化し、流速、流れ関数等の物理量を算出することや、
流れ領域全体の物理量の時間的変化を算出することに関
する関心は著しく強い。また、流れ領域内の任意の断面
を可視化することや、例えば水だけの速度ではなく、水
中の気泡の速度等の可視化に関しての関心も著しく強く
なっている。

【０００６】このような可視化を可能にする試みとし
て、論文「日本機械学会論文集（Ｂ編）第５５巻、５０
９号（１９８９−１）、１０７〜１１４頁に記載される
ような方法が提案されている。この方法は、流れ場にト
レーサ粒子を混入し、このトレーサ粒子に連続光または
ストロボ光を当てて、その流跡を画像処理するものであ
る。

【０００７】画像処理は、例えばテレビジョンカメラか
ら画像を入力し、そのフレーム情報をフィールド情報に
変換し、連続する４時刻分のフィールド情報をそれぞれ
画像処理して（偶数または奇数フィールドの一方の
み）、個々の粒子の軌跡を追跡する。そして、個々のト
レーサ粒子の軌跡から流れ場を可視化して、各種物理量
を求めるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記論文に記載された
方法では、流体の流速が速い場合、カメラと被写体との
距離を大きくする必要がある。その結果、画像処理時に
粒子の重心算出に誤差が生じるなどの問題があった。

【０００９】また、上記の方法では２枚のフィールド像
からフレームを形成しているが、小さなトレーサ粒子で
はトレーサ粒子像を検出できない問題があった。すなわ
ち、テレビ空間におけるトレーサ粒子像が１ピクセル以
下の場合にはトレーサ粒子像その物を計測することがで
きない問題があった。

【００１０】更に、従来のトレーサ粒子の追跡方法の場
合には、連続した３／６０秒の間、流体が複雑な挙動を
しないことが前提となっていた。しかしながら、例えば
障害物が存在する場合等においては上記流体が複雑な挙
動を行うことがある。

【００１１】上記のように複雑な流れをする流跡を追い
かける場合、流速が遅ければ流跡を追いかけることが可
能であるが、流速が速くなると流れ場の物理量を精度よ
く定量的に求めることができなくなってしまう問題があ
った。本発明は上述の問題点にかんがみ、微小トレーサ
粒子を良好に可視化できるようにするとともに、流速が
非常に速い場合にも流れ場の物理量を精度よく定量的に
求めることができるようにすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の微小トレーサ粒
子の可視化方法は、所定の粒子径を有するトレーサ粒子
を流体中に混入するとともに、シート状に広げたレーザ
光をテレビカメラ信号における同一フレームの第１フィ
ールドに１つと、第２フィールドに２つ以上の複数を上
記流体中に向けて間欠的に照射し、上記レーザ光の照射
によるトレーサ粒子の散乱光または蛍光をフレーム蓄積
方式のテレビカメラで撮像するようにしたトレーサ粒子
の可視化方法において、上記第１フィールドでのレーザ
光の照射時間を長く設定して、画像上にトレーサ粒子の
流跡を形成させるとともに、上記第２フィールドでの照
射時間を上記第１フィールドにおける照射時間よりも短
く設定し、上記第２フィールドにおいては瞬間的な粒子
像が得られるようにしている。

【００１３】また、本発明の微小トレーサ粒子の追跡方
法は、２ｍｍ以下１μｍ以上の粒子径を有するトレーサ
粒子を流体中に混入するとともに、シート状に広げたレ
ーザ光をテレビカメラ信号における第１フィールドには
１つ、第２フィールドには２つ以上の複数を上記流体中
に向けて間欠的に照射する第１の処理と、上記レーザ光
の照射によるトレーサ粒子の散乱光または蛍光をフレー
ム蓄積方式のテレビカメラで撮像する第２の処理と、上
記テレビカメラの出力のうち、前フレームの第１フィー
ルドの出力と前フレームの第２フィールドの出力とを録
画上の前フレームの第１フィールドの画像情報とすると
ともに、上記前フレームの第２フィールドの出力と後フ
レームの第１フィールドの出力とを録画上の前フレーム
の第２フィールドの再像情報とするような光のフレーム
蓄積を行って録画媒体に録画する第３の処理と、上記第
３の処理によって得られた１枚のフレーム画像とその第
１フィールドの画像を用いて、上記第１フィールドの画
像に存在する全てのトレーサ粒子を始点トレーサ粒子の
候補とするとともに、上記フレーム画像上に上記第１フ
ィールドの画像において始点候補としたトレーサ粒子を
中心として所定の大きさの探索領域をそれぞれ設定する
第４の処理と、上記各探索領域内に存在するトレーサ粒
子の数を検出し、２個以上のトレーサ粒子が存在したら
それを第１の時刻において照射されたレーザ光により撮
像されたトレーサ粒子と判定する第５の処理と、上記第
１の時刻において照射されたレーザ光により撮像された
トレーサ粒子を上記フレーム画像から消去するととも
に、上記第１の時刻において照射されたレーザ光により
撮像されたトレーサ粒子が検出された探索領域に係わる
トレーサ粒子の重心位置をトレーサ粒子の始点位置とし
て登録する第６の処理と、上記登録したトレーサ粒子位
置を始点として、第２の時刻〜第４の時刻におけるトレ
ーサ粒子の位置を上記フレーム画像上で追跡し、同一粒
子の経路を決定する第７の処理と、上記第７の処理によ
って検出された第２の時刻におけるトレーサ粒子位置と
第４の時刻におけるトレーサ粒子位置、およびこれらの
トレーサ粒子位置の時間間隔に基づいて速度ベクトルを
算出する第８の処理とからなっている。

【００１４】

【作用】本発明の微小トレーサ粒子の可視化方法におい
ては、所定の粒子径を有するトレーサ粒子を流体中に混
入するとともに、シート状に広げたレーザ光をテレビカ
メラ信号における同一フレームの第１フィールドに１つ
と、第２フィールドに２つ以上の複数を上記流体中に向
けて間欠的に照射し、上記レーザ光の照射によるトレー
サ粒子の散乱光または蛍光をフレーム蓄積方式のテレビ
カメラで撮像するに際し、上記第１フィールドでのレー
ザ光の照射時間を長く設定するとともに、上記第２フィ
ールドでの照射時間を上記第１フィールドにおける照射
時間よりも短く設定し、第１フィールドの画像上にはト
レーサ粒子の大きさが微小であっても上記トレーサ粒子
の流跡を形成できるようにするとともに、上記第２フィ
ールドにおいては瞬間的なトレーサ粒子像が得られるよ
うにして、時刻１に撮像されたトレーサ粒子を容易に、
かつ確実に撮像できるようにしている。

【００１５】また、本発明の微小トレーサ粒子の追跡方
法においては、第１の時刻において撮像されるトレーサ
粒子像は、２個以上４個以下に撮像されることを利用し
て、上記トレーサ粒子の大きさが微小であっても確実に
始点位置を特定できるようにしている。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の微小トレーサ粒子の可視化方
法およびその追跡方法の一実施例を添付図面を参照して
説明する。図１は、レーザライトシートの間欠照射タイ
ミングＬＬＳの照明コードの一例を示したものである。

【００１７】図１から明らかなように、本実施例では第
１のフィールドの後半で１回、第２フィールドの前半で
３回の瞬間的な照明が行われている。レーザライトシー
トＬＬＳの照射時刻Ｔ₁ と照射時間ｄｔ₁ は流れの速度
に応じ１Ｈ（６３．５６μｓ）単位で制御することが可
能である。また、照射回数も適宜選択することが可能で
ある。

【００１８】そして、テレビカメラでは図１に示したよ
うなフレーム積分方式を採用している。すなわち、流れ
場からの光は第１フィールドのフォトセンサに対して
は、第１フィールドの開始から第２フィールドの終了ま
での１／３０秒間が蓄積される。また、第２フィールド
の素子に対しては、第２フィールドの開始から次のフレ
ームの第１フィールドの終了までの１／３０秒間の光の
蓄積が行われる。

【００１９】したがって、上述した照明コードを用いた
場合、時刻Ｔ₁ とＴ₅ で照明されたトレーサ粒子像は、
第１フィールドのフォトセンサにのみ記録される。一
方、時刻Ｔ₂ 、Ｔ₃ 、Ｔ₄ で照明されたトレーサ粒子像
は、フレーム積分の時間が重複しているので、両フィー
ルドのフォトセンサに記憶されることになる。

【００２０】なお、本実施例においては、各トレーサ粒
子の代表位置を粒子像の重心位置として定義するものと
する。また、速度の算出は重心位置の計測精度が高い時
刻Ｔ₂ からＴ₄ までの粒子像の重心位置を用いることと
する。照明コードに基づくレーザライトシートＬＬＳの
照射は、連続するテレビフレームで実行される。このテ
レビカメラの出力はＮＴＳＣ規格のコンポジット信号と
して録画装置に転送・記録される。

【００２１】図２は光学系、画像入力・記録装置および
それらの制御装置からなる可視化システムである。本実
施例の場合、レーザー光源１には４Ｗのアルゴンレーザ
を用いている。レーザ光は音響光学セル（ＡＯＭ）２を
通り、ここでの超音波の平面波とのドップラー効果によ
り散乱したレーザの一次の散乱光が、スリット３を介し
て光ファイバ４へと導かれる。すなわち、音響光学セル
２をオン−オフ制御することにより、短時間内の流れ場
への間欠的なパルス照明を行うことができるようになさ
れている。

【００２２】光ファイバ４の先端から出射したレーザ光
は２枚のシリンドリカルレンズ５により厚さ数ｍｍレー
ザライトシートＬＬＳとして形成される。音響光学セル
２とテレビカメラ６（ＣＣＤカメラ）を外部制御装置７
で制御して、テレビカメラ６の垂直／水平同期（ＶＤ／
ＨＤ）に対するレーザライトシートＬＬＳの照射タイミ
ングが設定される。また、録画再生装置８（例えば、Ｓ
・ＶＨＳ方式の録画再生装置）の動作タイミングも外部
制御装置７から与えられる同期信号Ｓｙｎｃによって制
御される。

【００２３】ところで、トレーサ粒子画像の速度計測に
おいては、実験条件の設定によってはトレーサ粒子の大
きさが画像上で画像の空間分解能と同等か、或いはそれ
以下になる場合が生じる。

【００２４】このような条件下では、レーザライトシー
トＬＬＳの照明コードは時刻Ｔ₁ での照射時間ｄｔ₁ を
少し長く設定し、これにより画像上にトレーサ粒子の流
跡を形成させる。一方、時刻Ｔ₂ 、Ｔ₃ およびＴ₄ では
瞬間的な粒子像が得られるように照射時間ｄｔは短く設
定される。この照明コードでは、上記の照明が１フレー
ムの間隔を置いて繰り返される。つまり、時刻Ｔ₅ から
の照射は第３フレームから第１フレームと同様に行われ
る。

【００２５】図３は、テレビカメラの空間分解能と同程
度のトレーサ粒子を、上記の照明コードで追跡した場合
のフレーム画像（ａ）と、フィールド分離・補間後の二
枚の時間的に連続するフィールド画像（ｂ）および
（ｃ）を模式的に示したものである。本実施例において
は、図１を参照しながら説明したように、フレーム積分
方式でトレーサ粒子を撮像しているので、テレビカメラ
の空間分解能と同程度の大きさトレーサ粒子は、第１フ
ィールドのフォトセンサか、第２フィールドのフォトセ
ンサの何方か一方のフォトセンサのみによって撮像され
る。この場合、トレーサ粒子は、第１フィールドのフォ
トセンサの走査線２、４、６、８に撮像されているとと
もに、第２フィールドのフォトセンサの走査線７に撮像
されている。そして、第１フィールドの画面と第２フィ
ールドの画面とに分離する際に補間されることにより、
走査線２および走査線４のトレーサ粒子が一つのトレー
サ粒子として認識できるように表示される。これらの画
像は次のような特徴を持っている。すなわち、（１）時
刻Ｔ_１で得られたトレーサ粒子の位置は、第１フィール
ドのフォトセンサでのみ検知されるので、第１フィール
ドの画像にのみ存在し、第２フィールドの走査線上に存
在しない。

【００２６】また、（２）時刻Ｔ₂ 〜Ｔ₄ におけるトレ
ーサ粒子の位置は、フレーム積分により第１フィールド
か第２フィールドのいずれかのフォトセンサで検知する
ことができる。また、これらの粒子の位置計測の精度は
可視化空間の画像分解能のみで決定される。

【００２７】次に、トレーサ粒子の追跡方法を模式的に
示している図４、および追跡動作を示す図５のフローチ
ャートを用いて本実施例の微小トレーサ粒子の追跡方法
の一実施例を説明する。なお、ここでは、一枚のフレー
ム画像Ｇと，その第１フィールドの補間画像Ｇ１を用い
て１画素の大きさのトレーサ粒子の追跡を行った例を示
している。また、以下の説明においては、図４（ａ）の
処理画像Ｇで得られるトレーサ粒子をａ、ｂ、ｃ、ｄお
よびｅとし、図４（ｂ）の第１フィールドの処理画像Ｇ
１から得られるトレーサ粒子をｍ、ｎ、ｏとする。ここ
で、図４（ａ）の処理画像Ｇのフレーム画像から、図４
（ｂ）のフィールド画像を分離するときに、２値化操作
とモーメント計算を行っており、図４（ａ）の処理画像
Ｇで得られるトレーサ粒子ａ、ｂを図４（ｂ）のフィー
ルド画像では一つのトレーサ粒子ｍであると判断してい
る。以下にトレーサ粒子追跡のアルゴリズムを示す。

【００２８】図５に示したように、先ずステップＰ１に
おいて、画像Ｇ１に存在する全てのトレーサ粒子（ｍ、
ｎ、ｏ）を始点トレーサ粒子の候補とする。次に、ステ
ップＰ２に進み、画像Ｇ上に画像Ｇ１のトレーサ粒子
（ｍ、ｎ、ｏ）を中心とする半径√２画素の探索領域を
設定する。ただし、トレーサ粒子ｍの設定位置は流跡の
重心位置ｍｇとする。

【００２９】このようにして、処理画像Ｇ上に探索領域
を設定したら、ステップＰ３に進み、各探索領域内にト
レーサ粒子が有るか否かを検出する。そして、この領域
内に１個のトレーサ粒子しか存在しない場合は、時刻Ｔ
_１で露光されたトレーサ粒子ではないと判定する。何故
ならば、第１フィールドではレーザ光の照射時間を長く
設定し、かつ時刻Ｔ _１ においては、第１フィールド用の
テレビカメラでしか撮像していないので、トレーサ粒子
が移動したときに、第１フィールドに対応する走査線に
のみ撮像される結果、時刻Ｔ _１ で露光されたトレーサ粒
子は必ず複数個のトレーサ粒子として撮像されるからで
ある。

【００３０】一方、２個以上４個以下のトレーサ粒子が
存在する場合（あるしきい値以上の画素が２〜４画素存
在すれば）は、時刻Ｔ_１で照射時間ｄｔ間に露光された
トレーサ粒子と判定される。この判定条件は、画素分解
能程度のトレーサ粒子像は最大２画素の幅の流跡を形成
することに基づく。例えば、図４の画像Ｇにはｍｇの位
置から２画素の領域内にａ、ｂの２個のトレーサ粒子が
存在している。しかし、トレーサ粒子（ｎ、ｏ）にはそ
れぞれｃ、ｅの粒子しか存在していないので、画像Ｇに
おける時刻Ｔ_１の照射による粒子がａ、ｂであると判定
される。なお、この場合は半径２画素の探索領域を設定
したので、２個以上４個以下のトレーサ粒子が存在する
場合に、時刻Ｔ _１ で照射時間ｄｔ間に露光されたトレー
サ粒子と判定するが、存在するトレーサ粒子の数は、設
定する探索領域の大きさにより異なる。

【００３１】次に、ステップＰ５において、画像Ｇから
粒子ａ、ｂを消去するとともに、画像Ｇ１のｍｇの位置
をトレーサ粒子の始点位置として登録する。そして、始
点位置の登録が終了したら、ステップＰ６に進み、画像
Ｇ上でｍｇを始点として時刻Ｔ₂ 〜Ｔ₄ の粒子を追跡
し、同一粒子の経路を決定する。

【００３２】次に、ステップＰ７において速度ベクトル
を算出する。この速度ベクトルの算出は、時刻Ｔ₂ とＴ
₄ のトレーサ粒子位置と、それらの時間間隔ｄＴ（＝Ｔ
₄ −Ｔ₂ ）とにより算出する。

【００３３】図６は、トレーサ粒子追跡の一例のアルゴ
リズムを説明するためのフローチャートである。また、
図７はトレーサ粒子追跡のアルゴリズムを模式的に示す
説明図である。図６に示すように、先ず、ステップＰ１
においてトレーサ粒子を始点とする処理を行う。この場
合、例えば、図４（ｂ）のｍｇを始点トレーサ粒子とす
る。これにより、例えば図７においてＡ１の符号を付し
たトレーサ粒子が始点トレーサ粒子とされる。

【００３４】次に、ステップＰ２に進み、Ａ１のトレー
サ粒子を中心として、流れ場、流速および粒子の大きさ
等に基づいた所定の大きさの領域Ｌｅｎｇｔｈ１内に有
るトレーサ粒子を、時刻２のトレーサ粒子として探索す
る。この探索により、例えば図４のｃのトレーサ粒子が
探索される。このようにして時刻２のトレーサ粒子を探
索したら、次に、ステップＰ３において時刻３における
トレーサ粒子の位置を推定する。これにより、例えば図
７の位置Ｓ１が時刻３のトレーサ粒子の移動位置として
推定される。なお、トレーサ粒子が探索できなかった場
合には、Ｌｅｎｇｔｈ１の大きさを変更して探索を再度
行うようにするが、Ｌｅｎｇｔｈ１は流体の主流速度で
決定し、Ｌｅｎｇｔｈ２、３を乱流場の乱れ量で決定す
ることにより、トレーサ粒子を略確実に探索することが
できる。

【００３５】そして、この時刻３の推定位置Ｓ１を中心
としてＬｅｎｇｔｈ２の範囲内に、時刻３のトレーサ粒
子に該当するトレーサ粒子が有るか否かの判定を行う
（ステップＰ４）。この判定により、該当するトレーサ
粒子が有った場合はステップＰ５に進み、所定の条件を
満足しているか否かの判定を行う。また、該当するトレ
ーサ粒子がなかった場合はステップＰ９に進み、別のト
レーサ粒子を始点とする処理を行ってからステップＰ１
に戻る。

【００３６】ステップＰ５における条件判定は、例え
ば、図７のＡ３で示したトレーサ粒子が該当するトレー
サ粒子であった場合、Ａ２とＳ１を結ぶ線と、Ａ２とＡ
３とを結ぶ線によって形成される角度θが２０°よりも
小さいか否かを判定することにより行う。そして、上記
角度θが２０°よりも大きい場合は、ステップＰ９を経
てステップＰ１に戻る。

【００３７】ステップＰ５の判定の結果、Ａ３が時刻３
のトレーサ粒子としての条件を満足していた場合はステ
ップＰ６に進み、時刻４のトレーサ粒子位置を推定す
る。この推定により、例えば図７のＳ２が時刻４のトレ
ーサ粒子位置として推定される。このようにして時刻４
のトレーサ粒子位置を推定したら、Ｓ２の位置を中心と
するＬｅｎｇｔｈ３内に時刻４のトレーサ粒子として該
当するトレーサ粒子が有るか否かを判定する。

【００３８】ステップＰ７において、図７のＡ４のトレ
ーサ粒子が時刻４のトレーサ粒子として該当すると判定
した場合には、ステップＰ８に進み、Ａ４のトレーサ粒
子が所定の条件を満たしているか否かの判定を行う。ま
た、所定の条件を満たしていないと判断した場合は、ス
テップＰ９を経由してステップＰ１に戻る。

【００３９】ステップＰ８の判定条件は、図７のＡ３と
Ｓ２とを結ぶ線と、Ａ３とＡ４とを結ぶ線とにより形成
される角度θが、２０°よりも大きいか否かを判断して
行う。そして、角度θが２０°よりも大きいと判定した
場合には、ステップＰ９を経由してステップＰ１に戻
る。また、角度θが２０°よりも小さいと判定した場合
には、図５のステップＰ７に進み、速度ベクトルを算出
する。この速度ベクトルの算出は、上述したように時刻
２と時刻４のトレーサ粒子位置、およびパルス間隔Ｔ₂
およびＴ₄ に基づいて行われる。

【００４０】本実施例においては、このようにしてトレ
ーサ粒子の追跡を行うことにより、微細なトレーサ粒子
を用い、しかも光源の出力に制限があるような場合で
も、トレーサ粒子がテレビカメラ６の空間分解能の範囲
で感知できれば、良好に可視化することができるととも
に、追跡することができる。

【００４１】次に、本発明の実用性および有用性を確認
するため、バックステップ背後の剥離を伴う流れ場で速
度計測を行った。次いで、本システムによる計測結果を
レーザドップラ流速計の計測結果と比較することによ
り、本システムの精度評価を行った。

【００４２】計測対象とする流れ場は図８に示すバック
ステップをもつチャンネル内の乱流である。ステップ高
さｈは０．０５ｍで、ステップ上流には一辺が０．１ｍ
（２ｈ）の正方形断面をもつ長さ１．５ｍの矩形管が取
り付けられている。

【００４３】また、下流には０．１ｍ×０．１５ｍの長
方形断面を持ち、長さが２．０ｍの矩形管が取り付けら
れている。ステップ拡大率は１．５である。流れは、ス
テップ上流の０．５ｍ（１０ｈ）の位置に取り付けられ
た５ｍｍメッシュの整流網により整流され、整流網のす
ぐ下流の管壁に設置された直径２．０ｍｍのトリッピン
グワイヤーによりステップ流入部への速度分布の形状が
決定されている。

【００４４】トレーサ粒子には平均粒径５０μｍ、比重
１．０２のナイロン１２を用いた。測定断面は管路中央
のｘ−ｙ断面（ｚ／ｈ＝０）とし、この断面を管路上部
から厚さ２ｍｍのＬＬＳで照射し測定断面と直角方向か
らテレビカメラ６で画像を入力した。ステップ上流３ｈ
からステップ下流側９ｈの区間を３ｈ×３ｈの領域に４
分割し、それぞれの領域を１台づつのテレビカメラ（合
計４台の）で撮影した。画像の空間分解能は０．３１ｍ
ｍ／画素である。設定した測定領域には主流域、せん断
域あるいは再循環域などが混在し、広い流速範囲が存在
している。本実験では表１に示すような３水準の照明コ
ードを用い、それぞれのコードで３００フレーム分の画
像データを採取し処理を行った。

【００４５】

【表１】

【００４６】コード１によるレーザー光照射で撮像して
トレーサ追跡を行った結果を図９に示し、コード２によ
るレーザー光照射で撮像してトレーサ追跡を行った結果
を図１０に示す。また、トレーサ追跡を行った結果を同
一空間に時間基準を合わせて合成し、格子点補間を行っ
た結果を図１１に示す。これらの結果から明らかなよう
に、本発明の微小トレーサ粒子の可視化方法およびその
追跡方法は、高い信頼性を持っていることが分かる。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば画素分解能程度の大きさの微小トレーサ粒子を
良好に可視化することができる。また、可視化した微小
トレーサ粒子を良好に追跡することができるので、上記
微小トレーサ粒子が高速で移動する場合でも確実に追跡
することができ、複雑な高速流れ場の計測に対しても良
好に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザライトシートの間
欠照射タイミング図である。

【図２】流れの可視化を行うために用いる光学系の一例
を示す構成図である。

【図３】微小トレーサ粒子を可視化した画像例を示す図
である。

【図４】トレーサー追跡アルゴリズムを説明するための
トレーサ粒子位置を示す図である。

【図５】トレーサ追跡アルゴリズムの一例を示すフロー
チャートである。

【図６】トレーサ追跡アルゴリズムの一例を示すフロー
チャートである。

【図７】トレーサ追跡アルゴリズムを模式的に示した図
である。

【図８】可視化を実際に行うために用いた実験装置の一
例を示す図である。

【図９】コード１のレーザー光を照射することにより得
られたトレーサ追跡結果を示す図である。

【図１０】コード２のレーザー光を照射することにより
得られたトレーサ追跡結果を示す図である。

【図１１】図９および図１０のようなトレーサ追跡結果
を同一空間に時間基準を合わせて合成し、格子点補間を
行った結果を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ 音響光学セル ３ スリット ４ 光ファイバ ５ シリンドリカルレンズ ６ テレビカメラ ７ 外部制御装置 ｄｔ レーザー光の照射時間 Ｔ₁ 第１の時間 Ｔ₂ 第２の時間 Ｔ₃ 第３の時間 Ｔ₄ 第４の時間

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の粒子径を有するトレーサ粒子を流
   体中に混入するとともに、シート状に広げたレーザ光を
   テレビカメラ信号における同一フレームの第１フィール
   ドに１つと、第２フィールドに２つ以上の複数を上記流
   体中に向けて間欠的に照射し、上記レーザ光の照射によ
   るトレーサ粒子の散乱光または蛍光をフレーム蓄積方式
   のテレビカメラで撮像するようにしたトレーサ粒子の可
   視化方法において、 上記第１フィールドでのレーザ光の照射時間を長く設定
   して、画像上にトレーサ粒子の流跡を形成させるととも
   に、 上記第２フィールドでの照射時間を上記第１フィールド
   における照射時間よりも短く設定し、上記第２フィール
   ドにおいては瞬間的な粒子像が得られるようにしたこと
   を特徴とするトレーサ粒子の可視化方法。
2. 【請求項２】 ２ｍｍ以下１μｍ以上の粒子径を有する
   トレーサ粒子を流体中に混入するとともに、シート状に
   広げたレーザ光をテレビカメラ信号における第１フィー
   ルドには１つ、第２フィールドには２つ以上の複数を上
   記流体中に向けて間欠的に照射する第１の処理と、 上記レーザ光の照射によるトレーサ粒子の散乱光または
   蛍光をフレーム蓄積方式のテレビカメラで撮像する第２
   の処理と、 上記テレビカメラの出力のうち、前フレームの第１フィ
   ールドの出力と前フレームの第２フィールドの出力とを
   録画上の前フレームの第１フィールドの画像情報とする
   とともに、上記前フレームの第２フィールドの出力と後
   フレームの第１フィールドの出力とを録画上の前フレー
   ムの第２フィールドの画像情報とするような光のフレー
   ム蓄積を行って録画媒体に録画する第３の処理と、 上記第３の処理によって得られた１枚のフレーム画像と
   その第１フィールドの画像を用いて、上記第１フィール
   ドの画像に存在する全てのトレーサ粒子を始点トレーサ
   粒子の候補とするとともに、上記フレーム画像上に上記
   第１フィールドの画像において始点候補としたトレーサ
   粒子を中心として所定の大きさの探索領域をそれぞれ設
   定する第４の処理と、 上記各探索領域内に存在するトレーサ粒子の数を検出
   し、２個以上のトレーサ 粒子が存在したらそれを第１の
   時刻において照射されたレーザ光により撮像されたトレ
   ーサ粒子と判定する第５の処理と、 上記第１の時刻において照射されたレーザ光により撮像
   されたトレーサ粒子を上記フレーム画像から消去すると
   ともに、上記第１の時刻において照射されたレーザ光に
   より撮像されたトレーサ粒子が検出された探索領域に係
   わるトレーサ粒子の重心位置をトレーサ粒子の始点位置
   として登録する第６の処理と、 上記登録したトレーサ粒子位置を始点として、第２の時
   刻〜第４の時刻におけるトレーサ粒子の位置を上記フレ
   ーム画像上で追跡し、同一粒子の経路を決定する第７の
   処理と、 上記第７の処理によって検出された第２の時刻における
   トレーサ粒子位置と第４の時刻におけるトレーサ粒子位
   置、およぴこれらのトレーサ粒子位置の時間間隔に基づ
   いて速度ベクトルを算出する第８の処理とからなること
   を特徴とする微小トレーサ粒子の追跡方法。