[發(fā)明專利]一種水流中分布式PTV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310508494.X
• 申請(qǐng)日: 2013-10-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103558409A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳誠(chéng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01P5/20
• 分類號(hào): G01P5/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李曉靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水流中分布式PTV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，具體涉及一種水流中表面流場(chǎng)的分布式圖像測(cè)速系統(tǒng)及其測(cè)量方法，屬于水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

水流結(jié)構(gòu)是水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容，模型試驗(yàn)是開(kāi)展水流研究的重要手段，而流速測(cè)量技術(shù)是獲取水流結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，開(kāi)展模型試驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究對(duì)提高水流泥沙研究水平十分必要和迫切，可為水利工程建設(shè)、防洪、航運(yùn)、水生態(tài)治理與修復(fù)、水污染防治與水環(huán)境改善等提供先進(jìn)的技術(shù)支撐。

目前在水流模型試驗(yàn)研究中，廣泛應(yīng)用的是粒子圖像跟蹤測(cè)速技術(shù)（PTV,?Particle?Tracking?Velocimetry），主要用于河工及港工模型大范圍瞬時(shí)表面流場(chǎng)的測(cè)量。但目前的PTV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)多采用普通模擬攝像頭，需要通過(guò)視頻線與圖像采集卡進(jìn)行多通道圖像采集，當(dāng)測(cè)量范圍較大時(shí)，通常需要布置數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)攝像頭，布線非常復(fù)雜繁瑣。此外，計(jì)算機(jī)需對(duì)多個(gè)攝像頭的圖像進(jìn)行循環(huán)處理，計(jì)算出每個(gè)攝像頭拍攝區(qū)域的流場(chǎng)然后進(jìn)行全場(chǎng)拼接，才能得到全流場(chǎng)。當(dāng)攝像頭數(shù)量較多時(shí)，圖像處理時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，就很難保證測(cè)量的是瞬時(shí)流場(chǎng)，布線復(fù)雜、圖像處理時(shí)間長(zhǎng)等難題急需得到解決，已經(jīng)嚴(yán)重制約了水流研究水平的提高。

目前采用有線測(cè)量方式，布線較復(fù)雜，增加了安裝難度，另外，由于每臺(tái)計(jì)算機(jī)圖像采集卡支持的通道數(shù)有限，當(dāng)攝像頭數(shù)量太多時(shí)，需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)，操作不方便。而且由于線太多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾，影響成像質(zhì)量。

綜上所述，模型試驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是水流研究的關(guān)鍵技術(shù)，為了克服目前PTV流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)難以解決的難題，急需研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線測(cè)量、滿足瞬時(shí)性要求的粒子圖像測(cè)速的裝置或系統(tǒng)，進(jìn)一步提高流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)水平。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的第一目的是提供一種分布式PTV流場(chǎng)瞬時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種分布式PTV流場(chǎng)瞬時(shí)測(cè)量方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種水流中分布式PTV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，包括河工模型、示蹤粒子、一組智能相機(jī)、一組ＰＯＥ交換機(jī)、無(wú)線路由器和流場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)；所述示蹤粒子均勻分布在河工模型的水流中，所述智能相機(jī)安裝在河工模型的水流表面上方，所述智能相機(jī)與ＰＯＥ交換機(jī)連接，所述ＰＯＥ交換機(jī)與無(wú)線路由器相連接，所述無(wú)線路由器與無(wú)線網(wǎng)卡聯(lián)通，流場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)與無(wú)線網(wǎng)卡連接；所述智能相機(jī)內(nèi)部設(shè)有圖像處理模塊。

優(yōu)選地，所述圖像處理模塊包括：圖像采集模塊、與圖像采集模塊相連的閾值分割模塊、與閾值分割模塊相連的區(qū)域標(biāo)記模塊、與區(qū)域標(biāo)記模塊相連的斑點(diǎn)提取模塊，與斑點(diǎn)提取模塊相連的粒子坐標(biāo)模塊。

優(yōu)選地，所述流場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)包括：電腦和計(jì)算分析軟件，所述計(jì)算分析軟件包括粒子匹配模塊、與粒子匹配模塊相連的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊相連的流速提取模塊、與流速提取模塊相連的流場(chǎng)拼接模塊以及與流場(chǎng)拼接模塊相連的流場(chǎng)顯示模塊。

優(yōu)選地，所述每個(gè)POE交換機(jī)分別與若干個(gè)智能相機(jī)連接，無(wú)線路由器分別與每個(gè)POE交換機(jī)相連接。

????優(yōu)選地，所述示蹤粒子呈橢圓形狀，所述示蹤粒子的長(zhǎng)軸寬度是示蹤粒子短軸寬度的2~4倍。

優(yōu)選地，所述示蹤粒子分為白色，所述示蹤粒子采用PP材料與天然石膏調(diào)制而成，示蹤粒子的密度接近水的密度，漂浮于水流表面。

一種分布式PTV流場(chǎng)瞬時(shí)測(cè)量方法，所述測(cè)量步驟如下：

a）在水流中均勻布撒彩色示蹤粒子漂浮在水流表面；

b）用若干個(gè)智能相機(jī)拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像并內(nèi)設(shè)的通過(guò)圖像處理程序，自動(dòng)提取粒子坐標(biāo)，所述圖像處理程序包括如下步驟：通過(guò)圖像采集模塊采集圖像信息，然后進(jìn)行圖像閾值分割，通過(guò)區(qū)域標(biāo)記模塊對(duì)示蹤粒子進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記，然后將進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記的示蹤粒子進(jìn)行粒子坐標(biāo)提??；

c）POE交換機(jī)與若干個(gè)智能相機(jī)相連，并通過(guò)無(wú)線路由器將智能相機(jī)輸出的粒子坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)的流場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)；

d）流場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)采用粒子匹配算法計(jì)算得到表面流場(chǎng)，包括以下步驟：

1)采用粒子運(yùn)動(dòng)距離最短的方法對(duì)連續(xù)兩幀圖像中的粒子進(jìn)行匹配，針對(duì)第1幀圖像中的每個(gè)示蹤粒子，在第二幀圖像中設(shè)定搜索半徑，在搜索范圍內(nèi)與之距離最短的作為匹配粒子；

2)?通過(guò)標(biāo)定，將圖像坐標(biāo)換算為實(shí)際坐標(biāo)，將粒子運(yùn)動(dòng)距離除以時(shí)間得到流速：V=△d/△t；