[發明專利]基于紅外攝像的新型表面流場測速系統和測速方法

有效

• 申請號: 201310743851.0
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103698553B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 許棟;白玉川;徐海玨;吳淑雄
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種表面流場測速系統。特別是涉及一種用于河工模型試驗水流表面流場測速的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統和測速方法。

背景技術

室內物理模型試驗是水利工程問題研究的重要手段，尤其是近年來在河流演變模擬方面，國內外目前有大量研究者利用實驗室內水池進行河流形態的塑造，利用人工塑造的小河模擬自然界中彎曲、分汊以及游蕩型河流的演變，以研究河流形態演變的規律。在所有水工、河工模型實驗中，水流流速的測量是最為重要的測量要素之一。

目前，水流流速的測量方法主要分為兩大類：一是單點流速測量：例如傳統的旋槳流速儀或者目前應用較多的聲學多普勒流速儀（ADV）。然而旋槳流速儀測量精度較低，而聲學多普勒流速儀（ADV）由于存在最小探測深度（一般為5cm）,往往不適用于淺水環境。此外，單點測速由于測量工作量太大，往往不能夠勝任河工模型大范圍流場的實時測量。第二類方法為基于粒子圖像的流場測速法，例如目前廣泛采用粒子跟蹤圖像測速法（PTV）,通過對撒入水流表面的示蹤粒子進行實時圖像采集，并對采集的圖像進行粒子識別、匹配和跟蹤，實現大范圍流場流速的快速測量。該方法具有高效的特點，獲得了大量應用以及深入研究，例如，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”（申請號：200910076713.5）公開了水利量測技術領域中的一種防洪實體模型試驗表面流場實時量測系統及其后處理方法。其技術方案是將示蹤顆粒均勻撒落在水流表面并使其跟隨水流運動,攝像機安裝于表面流場的上方并通過視頻同步器實現外同步,顆粒運動的圖像信號通過視頻線傳輸至計算機圖像采集卡進行分析處理,得到流場流速和流態。發明專利“非接觸式河流表面流場成像量測方法”（申請號：201210346488.4）公開了一種非接觸式河流表面流場成像量測方法，通過在圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實現近紅外成像，增強水流示蹤物與水面背景間的亮度對比，并通過對圖像進行空域高通濾波，抑制水面光學噪聲；然后采用快速傅立葉互相關算法進行運動矢量估計，得到各分析區域的位移矢量，最終實現自然界中河流的表面流場快速測量。

受實驗室條件限制，目前已有的粒子跟蹤圖像測速（PTV）系統的在實際應用中，仍然存在多方面的問題和挑戰。首先，一般大型的水工、河工模型實驗室內模型尺寸范圍非常大，水流表面的光線一般包括來自實驗窗戶的自然光線，以及室內照明系統的光線，光源多樣化并且散亂。在這種情況下，很難做到整體模型水表面的光線均勻，實際的水體表面往往在某些觀察角度呈現出光源倒影重疊、光線不均勻反射等現象。在水深較淺、水流流速較大（沸汝德數較大）的情況下，水面一般還會出現表面波紋，呈現出波光粼粼的效果。在這種情況下，攝像系統所獲取的粒子圖像質量嚴重下降，難以準確地識別出圖像中的示蹤粒子。其次，示蹤粒子的制作、拋撒和回收操作過程存在不方便之處。示蹤粒子一般要求密度略小于水體，以獲得較好的隨水性，目前采用的示蹤粒子一般由特定材料在工廠加工成特定的形狀，例如，實用新型“實體模型表面流場圖像測試的高性能示蹤粒子”（申請號：200720036750.X）采用ABS材料或PP材料與天然石膏混合調制成密度與實驗流體相近,用模具壓制,將ABS材料或PP材料與天然石膏混合,然后采用攪拌機調制均勻,注入模具內壓制而成。特制的示蹤粒子必須進行回收，否則會造成材料的浪費和實驗水庫的環境污染，而一些因回收不完全隨水泄入水庫的粒子難免會造成水庫的長期污染。再次，對于大量的河流演變物理模型實驗，例如彎曲型、分汊型和游蕩型河流演變模擬，測量區域往往存在大量散亂的洲灘分布，如果采用傳統的示蹤粒子測速方法，將有大量的粒子聚集在河道岸灘部分，使得流場測量結果變得混亂，此外，拋散的示蹤粒子將長期滯留在岸灘處或回流區，給粒子的回收帶來了挑戰。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統和測速方法，利用一次性使用的低溫冰顆粒代替傳統的塑料等材質示蹤粒子，能夠大大改善PTV在復雜光線環境、復雜水沙環境中的應用效果，并能夠實現環境友好、方便、快捷的表面流場測量。

本發明所采用的技術方案是：一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統，包括有水流實驗水池，沿所述水流實驗水池的長度方向設置有模型河流，所述模型河流的實驗水流入口位于所述水流實驗水池長度方向的一端，所述模型河流的實驗水流出口位于所述水流實驗水池長度方向的另一端，所述模型河流內設置有用于進行表面流場示蹤的冰顆粒示蹤粒子，所述模型河流的上方設置有圖像采集裝置，所述的圖像采集裝置通過數據連接線連接數據采集與處理計算機。