JP5312236B2 - ３次元空間の粒子画像流速測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の周囲を流れる定常流に含まれるトレーサ粒子に微小時間離れた２時刻において２次元のレーザーシートを照射し、照射されたトレーサ粒子を前記レーザーシートに交差する２方向からカメラで撮像し、得られた前記２時刻の画像に基づいて前記レーザーシート内のトレーサ粒子の面内速度２成分および前記レーザーシートに直交する面外速度１成分を測定する３次元空間の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時刻ｔ１と時刻ｔ１＋Δｔとに照射し、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時刻の画像のトレーサ粒子の輝度パターンの差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。

かかる粒子画像流速測定装置として、トレーサ粒子が浮遊する空間に相互に平行かつ波長が異なる二つの２次元のレーザーシートを照射し、レーザーシートに対して直交する方向に配置した２台のカメラで各々のレーザーシート内に存在するトレーサ粒子を撮像し、得られた二つの画像のトレーサ粒子の輝度パターンを比較することで、レーザーシートの面内のＸ方向およびＹ方向の速度成分（面内速度成分）と、レーザーシートに直交するＺ方向の速度成分（面外速度成分）とを含む３速度成分を測定するものが、下記特許文献１により公知である。

同じく粒子画像流速測定装置として、３次元速度場に一つのレーザーシートを照射し、レーザーシートの面に対して異なる二つの方向から２台のカメラでレーザーシート内に存在するトレーサ粒子を２時刻において撮像し、得られた二つの画像のトレーサ粒子の輝度パターンを比較することで、面内速度成分および面外速度成分の３速度成分を測定する、いわゆるステレオＰＩＶが、下記特許文献２により公知である。

特開平１０−１９９１９号公報 特開２００４−２８６７３３号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、波長が異なる二つのレーザーシートを照射する必要があるために構造が複雑になる問題があるが、上記特許文献２に記載されたものは、一つのレーザーシートを照射するだけで速度場の３速度成分を測定できるという利点がある。

しかしながら上記何れのものも、レーザーシートで照射される速度場の一つの平面内の３速度成分を測定することは可能であるが、物体の周囲の３次元空間の速度場の３速度成分を測定することはできなかった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ステレオＰＩＶを用いて物体の周囲の３次元空間の速度場の３速度成分を測定す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微小時間離れた２時刻において２次元のレーザーシートを照射し、照射されたトレーサ粒子を前記レーザーシートに交差する２方向から撮像手段で撮像し、得られた前記２時刻の画像に基づいて前記レーザーシート内のトレーサ粒子の面内速度２成分および前記レーザーシートに直交する面外速度１成分を測定するための３次元空間の粒子画像流速測定装置において、前記流れ場の周囲で所定方向に直線状に延びるレーザービームと平行な方向に配置されるガイド部材に、そのガイド部材に沿って移動自在な移動部材を支持するとともに、その移動部材に、前記レーザービームを前記レーザーシートに変換するレーザーシート照射手段および前記撮像手段を支持し、前記移動部材により前記レーザーシート照射手段および前記撮像手段を、互いに一定の位置関係を保ちつつ前記ガイド部材に沿って移動させて、前記レーザーシートに直交する方向に離間する前記複数の面内における前記３速度成分を取得し、取得した前記複数の面内における前記３速度成分を、流れを定常流として積み重ねることで、３次元空間における前記３速度成分の速度場を測定するようにしたことを特徴とする３次元空間の粒子画像流速測定方法が提案される。

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、前記移動部材外に固定されて該移動部材の移動方向と平行な方向に前記レーザービームを照射するレーザーヘッドを備えることを特徴とする３次元空間の粒子画像流速測定装置が提案される。

尚、実施の形態の主ガイドレール２１および副ガイドレール２２は本発明のガイド部材に対応し、実施の形態の主トラバーサ２３および第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂは本発明の移動部材に対応し、実施の形態の第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂは本発明の撮像手段に対応し、実施の形態の面外速度１成分Ｖｚおよび面内速度２成分Ｖｘ，Ｖｙは本発明の速度成分に対応する。

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微小時間離れた２時刻において２次元のレーザーシートを照射し、照射されたトレーサ粒子をレーザーシートに交差する２方向から撮像手段で撮像し、得られた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面内速度２成分およびレーザーシートに直交する面外速度１成分を測定する際に、レーザーシートの位置を移動させてレーザーシートに直交する方向に離間する複数の面内における３速度成分を取得し、取得した複数の面内における３速度成分を、流れを定常流として積み重ねることで、３次元空間における３速度成分の速度場を測定するので、物体の周囲の３次元空間の速度場の３速度成分を測定することができる。

また、３次元空間における３速度成分の速度場を測定すべくレーザーシートの位置を移動させる際に、流れ場の周囲で所定方向に直線状に延びるレーザービームと平行な方向に配置されるガイド部材に、そのガイド部材に沿って移動自在な移動部材を支持するとともに、その移動部材に、レーザービームをレーザーシートに変換するレーザーシート照射手段および撮像手段を支持し、該移動部材によりレーザーシート照射手段および撮像手段をガイド部材に沿って移動させるので、レーザーヘッドを移動部材に搭載することなくレーザーシートの位置を移動させることが可能になり、移動部材およびその駆動源の小型化に寄与することができる。

しかも、レーザーシート照射手段および撮像手段を互いに一定の位置関係を保ちつつガイド部材に沿って移動させるので、移動の都度異なるキャリブレーションを実行する必要がなくなってキャリブレーション工数を軽減することができる。

また請求項２の構成によれば、移動部材の移動方向と平行な方向にレーザービームを照射するレーザーヘッドを移動部材外に固定しているので、レーザーヘッドを移動部材の外部に配置できる。

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。

以下、図１〜図７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が互いに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。

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、実施の形態では主トラバーサ２３にレーザーシート照射手段３１を支持し、第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂにそれぞれ第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを支持しているが、共通のトラバーサにレーザーシート照射手段３１および第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを支持しても良い。

またトラバーサの駆動手段は駆動スプロケット２６、従動スプロケット２７およびタイミングベルト２８に限定されず、ラック・アンド・ピニオン機構やポールねじ機構等、任意のものを採用することができる。

またレーザーヘッド３０から出たレーザービームを、光軸を微調整するためのミラー等の光学系を介して方向を変換した後、ガイド部材２１，２２と平行に照射しても良い。

１２ 物体
２１ 主ガイドレール（ガイド部材）
２２ 副ガイドレール（ガイド部材）
２３ 主トラバーサ（移動部材）
２４Ａ 第１副トラバーサ（移動部材）
２４Ｂ 第２副トラバーサ（移動部材）
３０ レーザーヘッド
３１ レーザーシート照射手段
３２Ａ 第１ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３２Ｂ 第２ＣＣＤカメラ（撮像手段）
Ｌｂ レーザービーム
Ｌｓ レーザーシート
Ｖｘ，Ｖｙ 面内速度２成分（速度成分）
Ｖｚ 面外速度１成分（速度成分）

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微小時間離れた２時刻において２次元のレーザーシート（Ｌｓ）を照射し、照射されたトレーサ粒子を前記レーザーシート（Ｌｓ）に交差する２方向から撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）で撮像し、得られた前記２時刻の画像に基づいて前記レーザーシート（Ｌｓ）内のトレーサ粒子の面内速度２成分（Ｖｘ，Ｖｙ）および前記レーザーシート（Ｌｓ）に直交する面外速度１成分（Ｖｚ）を測定するための３次元空間の粒子画像流速測定装置において、
   前記流れ場の周囲で所定方向に直線状に延びるレーザービーム（Ｌｂ）と平行な方向に配置されるガイド部材（２１，２２）に、そのガイド部材（２１，２２）に沿って移動自在な移動部材（２３，２４Ａ，２４Ｂ）を支持するとともに、その移動部材（２３，２４Ａ，２４Ｂ）に、前記レーザービーム（Ｌｂ）を前記レーザーシート（Ｌｓ）に変換するレーザーシート照射手段（３１）および前記撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）を支持し、
   前記移動部材（２３，２４Ａ，２４Ｂ）により前記レーザーシート照射手段（３１）および前記撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）を、互いに一定の位置関係を保ちつつ前記ガイド部材（２１，２２）に沿って移動させて、前記レーザーシート（Ｌｓ）に直交する方向に離間する前記複数の面内における前記３速度成分（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を取得し、
   取得した前記複数の面内における前記３速度成分（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を、流れを定常流として積み重ねることで、３次元空間における前記３速度成分（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）の速度場を測定するようにしたことを特徴とする３次元空間の粒子画像流速測定装置。
2. 前記移動部材（２３，２４Ａ，２４Ｂ）外に固定されて該移動部材（２３，２４Ａ，２４Ｂ）の移動方向と平行な方向に前記レーザービーム（Ｌｂ）を照射するレーザーヘッド（３０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元空間の粒子画像流速測定装置。

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