[發明專利]一種單相機三維體視粒子圖像測速系統

有效

• 申請號: 201110289451.8
• 申請日: 2011-09-27
• 公開（公告）號: CN102435770A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 高琪;王晉軍;王洪平
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01P5/22
• 分類號: G01P5/22
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：它包括光學系統、數據采樣系統和數據處理系統三部分；其中光學系統和數據采樣系統構成了實驗測量平臺；

所述的光學系統包括體光源調節光學部(2)、激光發生器(3)、多棱面特效棱鏡即多影鏡(5)和激光體(9)；該激光發生器(3)為系統的光源，采用半導體連續激光；該體光源調節光學部(2)為一組透鏡組合，放置于激光發生器(3)的光路上，用以將激光發生器(3)射出的激光柱光源擴展成有預定厚度的激光體光源(9)；該多棱面特效棱鏡(5)是實現單相機立體成像的關鍵光學部件，放置于數字相機(6)和測量流場(1)之間的光路上；

所述的數據采樣系統包括信號同步器(4)、數字相機(6)、微型計算機(7)和平面標靶(8)；各部件的連接方式為：微型計算機(7)和信號同步器(4)采用USB數據線連接；數字相機(6)和微型計算機(7)通過圖像采集卡連接；信號同步器(4)和數字相機(6)采用BNC信號線連接；激光發生器(3)和型號同步器(4)采用BNC信號線連接；該數據采樣的控制流程為：微型計算機(7)利用圖像采集軟件將控制信號通過USB數據線傳輸到信號同步器(4)；同步器在接收到控制信號后，同步實現數字相機(6)的曝光和激光發生器(3)的激光照射；在數字相機(6)完成曝光數據采集后，將粒子成像的數據傳輸到微型計算機(7)并存儲；

該信號同步器(4)為系統控制器件，選用8通道MicroPulse?725信號同步器，負責控制激光發生器(3)和數字相機(6)同步；該數字相機(6)為CCD或者CMOS工業相機，按要求選用；該微型計算機(7)為通用微型計算機，裝有高速圖像采集卡，直接連接數字相機(6)接受圖像數據并保存；兩者的控制和圖像采集，通過選用現有的PIV系統軟件MicroVec3.3.1來實現；該平面標靶(8)為PIV測速用的普通標靶，將其固定在千分儀上以實現體視PIV的體標定；該平面標靶(8)用于體標定時放置于測量流場(1)內，實現平面標靶(8)在測量流場(1)厚度方向上的遍歷移動；

所述的數據處理系統，其數據處理的方法步驟為：

(1)對單相機形成的標靶圖像進行分割獲得各個視角的成圖像，對成像圖中的標點進行識別，完成三維測量體內空間坐標的標定；

(2)對單相機形成的三維粒子成像圖進行分割獲得各個視角流場粒子成像圖，并對粒子成像進行前處理，識別二維成像平面內的粒子坐標；

(3)根據標定函數和各視角的二維成像平面內的粒子坐標，通過Levenberg-Marquardt算法求解標定函數來得到三維粒子空間坐標，完成流場內粒子空間分布的定位；

(4)將三維粒子空間分布投影到三維灰度矩陣，實現三維矩陣內的空間灰度分布；

(5)利用相鄰兩個時間步的三維灰度矩陣進行體互相關的分析來了解測量體內粒子的速度，從而得到三維測量體內的速度場；

(6)對速度場進行后處理，剔除體互相關分析失敗得到的壞速度矢量，并對流場進行顯示。

2.根據權利要求1所述的一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：該光學系統采用的半導體連續激光為8瓦綠光半導體連續激光，波長532納米，輸出直徑為5毫米柱光源。

3.根據權利要求1所述的一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：所述的體光源調節光學部(2)，其透鏡組合包括兩塊焦距為500毫米的凸透鏡、兩塊焦距分別為-75和-100毫米的凹透鏡和兩塊焦距同為60毫米的平凸柱面鏡。

4.根據權利要求1所述的一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：所述的預定厚度的激光體光源(9)，其厚度為十至50毫米。

5.根據權利要求1所述的一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：所述的數字相機(6)選用BOBCAT系列相機ICL-B0620，分辨率為640x480像素，最高采樣頻率為260赫茲，并配置尼康45毫米鏡頭。

6.根據權利要求1所述的一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，其特征在于：該微型計算機(7)采用惠普Z400工作站，基本配置為：Intel?Core2中央處理器，16GB內存，1TB硬盤，NVIDIA?420獨立顯卡，20寸LCD顯示器，WinXP?Pro?64位操作系統。