[發明專利]實體模型表面流場實時量測系統及其后處理方法

有效

• 申請號: 200910076713.5
• 申請日: 2009-01-15
• 公開（公告）號: CN101464471A
• 公開（公告）日: 2009-06-24
• 發明（設計）人: 胡德超;鐘德鈺;張紅武;卜海磊;張昊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 童曉琳

技術領域

本發明屬于水利量測技術領域，尤其涉及實體模型表面流場實時量測系統及其后處理方法。

背景技術

現有的河工、港工和水工模型試驗中，對水流運動速度的量測方法大致有兩類：

第一類方法為單點流速量測方法。如：浮標示蹤人工計時法，這一方法費時費力且精度不高；旋槳流速儀量測法，相對于前者其量測精度有所提高，但其測量的最小流速為2.0cm/s，且當泥沙含量較高時其量測精度降低甚至難以使用；類似的儀器量測法還有超聲流速儀量測法、電磁流速儀量測法等。這些儀器的共同特征是都只適于單點水流流速的量測，無法用于河工模型試驗中大面積水域平面流場的量測。

第二類方法是平面流場量測方法，相對于第一類方法，它們可以被用來進行大面積水域流場的量測。該類方法通常建立在新興發展起來的圖像處理技術之上，如應用顆粒示蹤與圖像處理技術的量測方法(發明專利號：ZL?94119429.9)，它使用攝像機采集流場信息、錄像機記錄回放等工序獲取平面流場數據，但這一過程通常需要花費半天以上的時間，遠遠達不到實時量測的要求。隨著數字圖象處理相關理論及硬件的發展，基于PTV(Particle?TrackingVelocimetry，粒子跟蹤測速技術)原理(發明專利號：ZL?00130291.4)和PIV(Particle?Image?Velocimetry，粒子成像測速技術)原理的方法也逐漸被應用于模型試驗的平面流場的量測之中，并使得量測效果大為改進。PIV技術較之PTV技術而言，無須采集多幀圖像即可滿足計算要求即大幅縮減了圖像采集的時間延遲，能適應非恒定性更為顯著的水流運動的流場量測。現有的基于PIV技術的方法計算速度一般還較慢，處理768×576規模的數字圖象通常需要幾十秒；另外，現有大多數基于PIV、PTV技術的方法都需要手工處理錯誤的流速矢，這使得它們的自動化程度不高且嚴重影響最終流場的生成效率。尤其在防洪實體模型試驗中，通常需要在很短時間內對洪水傳播及險工處流場發展進行量測和反饋，供防汛指揮部門參考。這就對量測方法的計算效率和自動化程度提出了很高的要求，此時現有大多數量測方法都還難以勝任。

發明內容

本發明的目的在于提供一種實體模型表面流場實時量測系統及其后處理方法，解決目前實體模型大面積水域的表面流場量測過程中同類量測方法計算速度慢且錯誤的流速矢需要手工進行處理的缺陷。

本發明的技術方案是，一種實體模型表面流場實時量測系統，包括圖像采集模塊、圖像管理模塊、流場計算及其后處理模塊和數據提取模塊，其特征是，

所述圖像采集模塊負責圖像的采集和儲存；

所述圖像管理模塊負責圖像的旋轉、平移和拼接；

所述流場計算及其后處理模塊負責流場計算及錯誤流速矢檢測與插補；

所述數據提取模塊根據試驗目的在所得的流場中提取平面或斷面的流速分布。

一種實體模型表面流場后處理方法，其特征是所述方法包括下列步驟：

步驟1：在水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運動的示蹤顆粒；

步驟2：在視頻同步器的協助下，用CCD攝像機輪流按照預先設定的幀頻和數量采集平面流場信息；

步驟3：將這些信息通過視頻線傳輸至計算機內的圖像采集卡，經其處理后以768×576的象素規格保存在計算機硬盤上；

步驟4：圖像采集完畢，系統依次對每個CCD攝像機采集的圖像序列進行匹配計算，得到初步流場；

步驟5：運用流場后處理算法對初步流場進行錯誤流速矢的剔除及流場空洞的插補；

步驟6：將各CCD攝像機所代表的流場進行平移、旋轉和拼接操作形成整體流場，最后將結果數據存于硬盤上并顯示在電腦屏幕上對用戶進行反饋。

所述步驟4中，初步流場使用小波變換多尺度匹配法來獲取，包括如下步驟：

步驟41：對圖像進行n層小波變換，每次變換時原圖被分解為4幅較小圖像，象素數量為原圖的1/4；對于第j層變換：m＝0為圖像的低頻分量，包含圖像的主要信息；m＝1和m＝2分別為圖像邊緣水平和垂直分量；m＝3為圖像對角分量，其中1≤j≤n；其中1≤n≤3；

步驟42：在圖像上布設規則排列的診斷窗口，并使它們的中心在平面上成矩陣式排列，每個診斷窗口中心對應著一個潛在的流速矢；

步驟43：利用圖像的低頻分量進行診斷窗口的匹配計算，并采用直接相關法進行匹配搜索；在第j層上對各診斷窗口進行匹配計算后，依次在第j-1、j-2、...層中在上一層匹配計算所確定的候選目標附近進行更精細的匹配直至原圖，最終得到各診斷窗口的精確匹配定位，進而得到初步流場。