[發明專利]基于光場相機的三維流場的溫度場和速度場同步測試方法

有效

• 申請號: 201710562877.3
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107478267B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 施圣賢;李浩天
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中;樊昕

一種基于光場相機的三維流場的溫度場和速度場同步測試方法，對磷光粒子進行溫度和衰減時間的校準，獲得該磷光粒子衰減時間和溫度的精確關系；利用單光場相機獲取待測流場中磷光粒子的時序粒子光場圖像；預處理時序粒子光場圖像，去除背景噪聲；對時序粒子光場圖像進行重構，獲得時序三維粒子圖像；對三維粒子圖像進行互相關計算，獲得三維流場速度場分布；對時序三維粒子圖像進行衰減時間計算，并通過校準后的磷光粒子衰減時間和溫度的精確關系獲得對應的溫度信息，獲得三維流場溫度場分布；對三維流場溫度場和速度場分別進行后處理，對速度場和溫度場結果進行修正。本發明同時測量三維流場的速度和溫度分布，領先于世界先進水平。

技術領域

本發明涉及流場觀測技術領域，特別涉及一種基于單光場相機的三維流場溫度場和速度場的同步測試方法。

背景技術

流場觀測技術一直是國家重點發展的核心技術，可以應用于航空航天、船舶驅動、電力生產和汽車工業等重要核心工業中?，F階段對于二維流場的溫度場和速度場的研究已經較為成熟，但是三維流場的溫度場和速度場的同步測試方法仍是世界性難題。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于光場相機的三維流場的溫度場和速度場同步測試方法。本發明能通過單個光場相機的時序圖像采集而同步獲取待測流場的三維速度分布和三維溫度場分布，相比于現有多視角三維流場測試方法，極大的減少了硬件系統配置、簡化了硬件系統調節步驟，特別適用于受限空間下的三維流場測量；并且該方法開創性的同時測量三維流場的速度和溫度分布，領先于世界先進水平。

本發明所采用的技術方案如下：

一種基于光場相機的三維流場的溫度場和速度場同步測試方法，包含以下步驟：

A1，對溫敏磷光粒子進行溫度和衰減時間的校準，獲得該磷光粒子衰減時間和溫度的精確關系；

A2，利用單光場相機獲取待測流場中磷光粒子的時序粒子光場圖像；

A3，預處理時序粒子光場圖像，去除背景噪聲；

A4，采用CPU和/或GPU并行處理方法，對時序粒子光場圖像進行重構，獲得時序三維粒子圖像；

A5，對第一幀和第三幀的時序三維粒子圖像進行互相關計算，獲得三維流場速度場分布；

A6，對三維流場速度場進行后處理，剔除錯誤速度矢量，同時根據相鄰正確矢量插值替代被剔除的錯誤矢量；

A7，對第一幀和第二幀的時序三維粒子圖像進行衰減時間計算，并通過校準后的磷光粒子衰減時間和溫度的精確關系獲得對應的溫度信息，獲得三維流場溫度場分布；

A8，對三維流場溫度場進行后處理，剔除錯誤溫度信息，同時根據相鄰正確溫度信息插值替代被剔除的錯誤溫度信息。

步驟A1中，在恒溫流場中撒布磷光粒子，用特殊波段激光光源提供面式照明，溫敏磷光粒子會受激光激發，發射另一種波長的磷光，該粒子發射磷光會持續一段時間，并且在這段時間內的光照強度不斷衰減直至消失，這段時間被稱為衰減時間，該衰減時間的長度會隨著溫度的變化而變化，通過在恒溫流場中插入熱電偶測量該流場的溫度，利用高速相機或者PMT光電倍增管精確測量磷光粒子在該溫度下的衰減時間，然后不斷改變流場溫度，調整至恒溫，重復上述過程，最后獲得該磷光粒子衰減時間和溫度的精確關系，用以后續測量的校準。

步驟A2中，在待測流場中撒布溫敏磷光粒子，用特殊波長激光光源提供體式照明，然后利用高分辨或者高速圖像傳感器與微透鏡陣列的精密封裝體形成的單光場相機拍攝磷光粒子的時序光場圖像，該相機能在極短的時間內連續拍攝兩幀圖像，然后間隔較長的時間進行下一組連續兩幀的拍攝，其中由于磷光粒子會持續發光，該發光過程持續時間包含在光場相機一組連續兩幀的時間內，一組連續兩幀圖像用于溫度場的計算，而分別屬于不同兩組中的連續兩幀圖像用于速度場的計算。