[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

(一)技術領域

本發明涉及一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，屬于流動測速技術領域。

(二)背景技術

粒子圖像測速(Particle?Image?Velocimetry，簡稱PIV)是一種現代激光測速技術，主要運用于流場速度測量。通過追蹤示蹤粒子在流場中的運動來得到流場速度場。傳統的PIV技術使用一個厚度在1毫米以下的激光片光源來照亮流場中的粒子，通過單個相機對粒子在很短時間內的位置進行追蹤，來實現二維平面內的二維速度場測量(通常用2D2C來表示)。

最新的三維體視PIV技術，采用厚度為十至幾十毫米厚的激光體光源來照亮流場中的粒子，通過多個相機(至少三個)從不同視角對流場內的示蹤粒子進行三維定位和追蹤，來實現對三維空間內的三維速度場的精確測量(通常用3D3C來表示)。這種新的三維體視PIV技術不僅能測量得到三維空間內的三維速度場，而且能得到三維空間內完整的速度梯度張量。這使得通過實驗方法研究三維流場內的渦結構成為了可能，因此三維體視PIV技術在航空航天、能源、化工和醫療等領域具有非常廣闊的應用前景。

然而，目前的三維體視PIV技術還處于發展成熟階段，在應用方面還有很多具體的問題需要去解決。其中最為突出的問題是實驗平臺相對比較復雜。多個照相機的架設和同步控制使得實驗過程變的非常復雜，對實驗操控要求也非常高，不利于該技術的推廣應用。如果能采用相對簡單或者集成性較高的實驗設備來實現三維體視PIV技術，那將對該技術的應用起到極大的推動作用。本發明正是基于這種考慮，提出了一種單相機三維體視粒子圖像測速系統。

(三)發明內容

本發明的目的是提供一種單相機三維體視粒子圖像測速系統，即建立一個單相機實現三維體視PIV技術的實驗系統，通過單個相機對三維粒子成像，來進行粒子追蹤得到三維空間體內的三維速度場，即測量流場1的速度場。這里測量流場1為流體力學領域內的被研究流動區域；以解決三維體視PIV技術中，多個照相機的架設和同步控制使得實驗過程非常復雜，對實驗操控要求非常高，不利于該技術的推廣應用等問題。

本發明一種單相機三維體視粒子圖像測速系統(簡稱單相機三維體視PIV系統)，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。

1.光學系統

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5(又稱多影鏡)和激光體9；

該激光發生器3為本發明PIV系統的光源，通常為連續性激光或者雙脈沖激光，本光學系統采用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，可選用鐳智威公司生產的SM-SEMI-8W型號。

該體光源調節光學部2為一組透鏡組合，其中包括兩塊焦距為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。體光源調節光學部2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一定厚度的激光體光源9(厚度通常為十至幾十毫米)。

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，可選用日本HOYA公司生產的62毫米Multivision?3F棱鏡。

2.數據采樣系統

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；在數據采樣系統中，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。

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，可選用8通道MicroPulse?725信號同步器，主要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，可按要求選用；本發明選用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。