[發明專利]基于近紅外智能相機的大尺度粒子圖像測速儀

有效

• 申請號: 201210345003.X
• 申請日: 2012-09-18
• 公開（公告）號: CN102914667A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 張振;王鑫;徐立中;陳婷;姚嵐;賈浪;嚴錫君;樊棠懷
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26;H04N5/33
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術領域

本發明涉及一種明渠水流監測儀器，尤其涉及一種基于近紅外智能相機的大尺度粒子圖像測速儀，屬于非接觸式明渠測流技術領域。

背景技術

洪水期間精確的流速、流場、時序信息以及總徑流變化速率的高分辨率估計，是河流水文學、河流地貌學以及河流生態學研究的重要依據。然而，高洪時期的水流往往具有含沙量高，混雜物多，流速快等特點，導致傳統測流儀器無法正常施測。大尺度粒子圖像測速（Large-Scale?Particle?Image?Velocimetry，LSPIV）是一種安全、高效的全場流速測量技術。它采用模式識別的方法匹配、跟蹤無畸變連續視頻圖像中的水面示蹤物，實現流場的定量表示及可視化。作為實驗室環境下的粒子圖像測速（PIV）技術在大尺度現場環境下的擴展，不僅可用于常規條件下天然河道水流紊動特性的研究，其非接觸特性更使之成為極端條件下河流流量測量少數可行的方法之一。

在LSPIV發展與應用的十多年中，各研究團隊在原型系統開發方面開展了積極的研究，構建的實驗樣機驗證了LSPIV在現場應用的可行性。但現有系統多是水文或水利學專家采用電子消費類數碼相機或監控攝像機產品和其他測量設備組合而成，沒有形成產品化的專用儀器。這些基于可見光成像的系統難以滿足復雜水面光學環境下可靠、穩定、連續檢測水面弱小示蹤物的要求，易造成流場估計誤差過大；并且在圖像采集能力、系統處理能力、數據傳輸能力以及集成度和便攜性等方面都存在不足，限制了LSPIV技術的推廣。因此，有必要根據LSPIV在現場環境下的應用特點以及水體和示蹤物的光譜特性開發一套專用儀器。

發明內容

本發明針對現有大尺度粒子圖像測速系統存在的不足，提供了一種基于近紅外智能相機的大尺度粒子圖像測速儀。

本發明通過以下技術方案實現：

基于近紅外智能相機的大尺度粒子圖像測速儀，采用智能相機的系統架構，由處理器模塊、圖像傳感器模塊、光學系統、網絡通信模塊和電源模塊組成。其特征在于：處理器模塊以一片32位定點DSP芯片TMS320DM642為核心，用于圖像數據的處理及傳輸；圖像傳感器模塊采用分辨率為130萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9M001，用于圖像數據的采集；光學系統由雙濾鏡切換器、電動三可變鏡頭、紅外LED補光燈、電機驅動模塊及照明控制模塊構成，用于實現近紅外波段或全光譜波段下光學成像的遠程控制；采用PoE方式供電，可以和數據傳輸共用一根電纜。

所述的處理器模塊在DSP內集成了視頻口VPORT1、外部存儲器接口EMIFA、增強型媒體存取控制器EMAC和I²C總線等功能模塊用于連接各種外設；在DSP的CE0空間通過EMIFA接口外擴四片32M×16bit的SDRAM存儲芯片MT48LC32M16A2，使數據存儲器空間達到256MB；在DSP的CE1空間外擴一片4MB的FLASH存儲芯片AM29LV033C作為程序存儲器；采用一片CPLD芯片EPM570擴展連接外設的數字接口，包括三根譯碼控制線用于擴展FLASH芯片的地址總線，四路PWM信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、對焦、光圈調節和雙濾鏡切換器控制，一組開關信號用于照明控制模塊的驅動。

所述的圖像傳感器模塊中CMOS圖像傳感器通過10-bit并行數字接口和DSP的視頻口VPORT1相連，輸出像素數據D[9:0]；通過SCL和SDA接口和DSP的I²C接口相連，用于內部寄存器的配置，實現圖像大小、位置、曝光時間及亮度增益的調節；CMOS傳感器的像素時鐘信號PIXCLK和行同步信號LINE_VALID分別和DSP的VPORT1接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引腳相連；CPLD向CMOS傳感器提供48MHz的主時鐘CLKIN，通過內嵌的可編程脈沖信號發生器輸出快門觸發信號TRIGGER，并接收來自CMOS傳感器的補光燈觸發信號STROBE。

所述的雙濾鏡切換器安裝于CMOS傳感器前，具有C型標準鏡頭座用于連接光學鏡頭；內嵌8mm（長度）×8mm（寬度）×0.5mm（厚度）的近紅外長通濾光片（波長850-1050nm）和全光譜濾光片（波長400-1050nm）各一片，分別用于光照充足和光照不足的場合。

所述的電動三可變鏡頭具有1/2-inch的C型標準接口，焦距調節范圍為8mm-80mm，對焦調節范圍為1.5m-∞，光圈調節范圍為F1.2-F22。