[發明專利]一種測量流場速度的方法

無效

• 申請號: 200710040309.3
• 申請日: 2007-04-29
• 公開（公告）號: CN101295023A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發明（設計）人: 吳志軍;黃成杰;田志松;李治龍;李理光
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01T5/00
• 分類號: G01T5/00;G01T5/02;G01C11/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于速度光學測量技術領域，涉及的是測量流場速度的方法，特別是一種使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀(PIV)成像系統拍攝流場粒子圖像，利用粒子圖像互相關技術實現流場速度測量的方法。

背景技術

粒子圖像速度場儀PIV(Particle?Image?Velocimetry)是近二十多年來發展起來的一種嶄新的流速測量儀器，具有對全流場速度的實時測量和對流場干擾小的優點。隨著計算機技術和圖像處理技術的進步，PIV技術得到了飛速發展，成為了流場速度測量的主要工具。

PIV系統分為獲得流場粒子圖像的硬件部分和從粒子圖像中提取速度信息的軟件處理部分。硬件部分包括激光器、光學透鏡組、照相機、圖像采集卡、同步器和計算機處理系統等設備，激光器產生的激光脈沖經光學透鏡組形成片光脈沖，照明流場，相機經同步器與激光脈沖同步，拍攝流場粒子圖像，由圖像采集卡采集并傳送至計算機處理系統。速度提取的軟件處理部分是PIV技術的核心部分，按查詢方法不同主要分為自相關和互相關兩種處理技術。自相關技術是具有一定時間間隔的兩束激光片光脈沖照明流場，通過相機在同一張圖像上記錄流場兩次曝光的粒子圖像，劃分查詢區域后，對單個查詢區域采用自相關運算，根據自相關峰值位置、相機放大倍率和曝光時間間隔獲得查詢區域速度，綜合各查詢區域速度得到整個流場速度信息。由于自相關峰值是左右對稱的，因而獲得的速度信息存在180度的方向模糊，也就是所謂的自相關技術的方向二義性問題，一般需要采用各種復雜的圖像偏移技術加以解決。互相關技術是利用CCD相機的特點，將流場兩次曝光粒子圖像記錄在兩張不同的圖像上，對兩張圖像以相同大小分別劃分查詢區域，以查詢區域為單位作互相關運算，根據互相關峰值位置、相機放大倍率和曝光時間間隔獲取速度大小，速度方向由兩次曝光順序決定，解決了方向二義性問題。互相關技術要求相機在短時間內連續拍攝兩張粒子圖像，提高了對相機性能及控制的要求；用于兩次曝光的激光脈沖的光強變化會模糊互相關峰值，導致錯誤速度矢量的產生，因而對激光穩定性的要求較高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新的測量流場速度的方法，該方法利用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統先后發射兩束相同光強相同脈寬的激光片光脈沖照明流場，處于不同拍攝角度的兩相機對應激光脈沖先后曝光，獲得流場的兩幅粒子圖像，經數字圖像處理技術預處理后，校正不同角度下拍攝的粒子圖像至相同角度，對粒子圖像按一定大小劃分查詢區域，以查詢區域為單位對兩粒子圖像作互相關運算，獲得單個查詢區域的一組互相關峰值信息，對校正處理后兩粒子圖像上各粒子像點以相同大小和相同灰度粒子像點替代，同樣劃分查詢區域，進行互相關運算得到對應上述查詢區域的另一組互相關峰值信息，疊加比較兩組峰值信息得到一個最佳峰值，峰值位置即為該查詢區域的相對位移量，相機放大倍率和兩次曝光時間間隔已定，速度矢量即可求得，計算所有查詢區域從而獲得整個流場的速度信息。

進一步，本發明可通過以下技術方案實現的，具體包括：

(1)合理選擇設定配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數：根據待測流場的流速快慢、流場內粒子大小和密集程度以及測量分辨率等具體情況，設定用于照明流場的兩束激光片光脈沖的寬度即兩相機曝光時間t、兩相機快門開啟持續時間T、兩束激光片光脈沖的間隔時間Δt、激光光路與兩個相機光軸的夾角即拍攝角度θ₁和θ₂以及決定激光片光脈沖光強I的激光器輸出功率P。

(2)使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統拍攝流場的兩幅粒子圖像：使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統先后發射兩束具有相同光強相同脈寬的激光片光脈沖照明流場，主相機伴隨第一次激光片光脈沖進行一次曝光，獲得主粒子圖像，輔助相機伴隨第二次激光片光脈沖進行一次曝光，獲得輔助粒子圖像，輸入計算機。

(3)采用數字圖像處理技術對粒子圖像作預處理：針對不同流場特性和測量要求，采用圖像幾何校正、平滑和去噪、二值化、元素分割以及膨脹和腐蝕等數字圖像處理方法中的一種或多種方法對粒子圖像作預處理，改善圖像質量。

(4)輔助粒子圖像的幾何校正：由于兩個相機拍攝角度不同，拍攝區域大小和圖像放大倍率也就不相同，需要經過相應的幾何變換運算將輔助粒子圖像變換成與主粒子圖像的拍攝區域和放大倍率相同的圖像。

(5)對兩幅粒子圖像合理劃分查詢區域：根據流場粒子密集程度以及測量分辨率等的要求調整并設定查詢區域劃分的大小，對主粒子圖像和輔助粒子圖像分別劃分查詢區域。