[發明專利]識別氣液界面位置的方法

有效

• 申請號: 201910612337.0
• 申請日: 2019-07-09
• 公開（公告）號: CN110231068B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 李存標;陳鈞偉
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01F23/00
• 分類號: G01F23/00;G01F23/22
• 代理公司: 長沙智嶸專利代理事務所(普通合伙) 43211
• 代理人: 劉宏

1.一種識別氣液界面位置的方法，適用于氣液界面兩側均有示蹤粒子存在的情況，其特征在于，

包括以下步驟：

步驟S1：分別在氣體和液體中播撒示蹤粒子，然后設置片光源進行照明；

步驟S2：在氣液界面的兩側各使用高速相機拍攝示蹤粒子圖像，并對位于界面兩側的相機各自進行標定；

步驟S3：識別拍攝界面以上區域的相機所得到的圖像中的初始時刻界面位置；

步驟S4：對拍攝界面以上區域的相機所得到的同時刻的圖像進行預處理；

步驟S5：識別隨后各幀圖像中的氣液界面位置；

步驟S6：對氣液界面位置進行時間-空間平滑操作以得到拍攝界面以上區域的相機所得到的圖像中的氣液界面位置；

步驟S7：根據拍攝界面以上區域的相機所得到的圖像中的氣液界面位置得到拍攝界面以下區域的相機所得到的圖像中的氣液界面位置；

所述步驟S3具體包括以下步驟：

步驟S31：若氣體運動速度遠大于液體運動速度，每個像素的亮度取多張圖片中相應位置亮度的最小者；否則跳過本步驟；

步驟S32：對圖片進行灰度形態學開操作若干次；

步驟S33：設置亮度閾值識別液體中的粒子，得到二值圖像；

步驟S34：對二值圖像進行開操作若干次，再進行閉操作若干次；

步驟S35：根據圖像中的界面高度設置高度數值y0，使界面的高度位置在高度為該數值的直線以下，高度在y0以上的部分設置為0；

步驟S36：記錄二值圖像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列沒有非零值存在，則記錄該列最后一個像素的位置，得到一個序列；

步驟S37：對序列進行中值濾波和高斯濾波處理，得到界面的位置；

步驟S39：設置偏置量，然后根據偏置量向上移動初始界面位置；

所述步驟S5具體包括以下步驟：

步驟S51：對于預處理得到的圖像，設置亮度閾值識別液體中的粒子以得到二值圖像；

步驟S52：對二值圖像進行開操作若干次，再進行閉操作若干次；

步驟S53：將前一幀圖像的界面向上平移15像素作為分界線，分界線以上區域二值圖像數值設置為0；

步驟S54：記錄二值圖像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列沒有非零值存在，則記錄該列最后一個像素的位置和前一幀界面相同位置的較小值，從而得到一個序列；

步驟S55：對序列進行中值濾波和高斯濾波得到界面的位置；

步驟S56：根據偏置量向上移動界面的位置；

所述步驟S6具體包括以下步驟：

步驟S61：相隔數幀計算每兩幀之間界面位置的互相關值；

步驟S62：將多個互相關值相加后尋找峰值位置；

步驟S63：針對所有可計算的時刻重復步驟S61和步驟S62，得到界面速度的時間序列；

步驟S64：基于得到的界面速度的時間序列對界面位置做鎖相平均計算；

步驟S65：對所有時刻的邊界位置做時間-空間平滑操作，得到平滑后的邊界位置時間-空間序列；

當相機采用等時間間距曝光方式時，所述步驟S64具體為：

記t0時刻的界面位置為s(x，t0)，其中s表示界面高度，x表示界面的橫坐標序列，表示矢量，界面位置s(x，t0)即表示在t0時刻x中某點x0所在列的界面高度在s中對應的分量；記步驟S61中計算互相關值的時間間隔為△t，經過平滑后得到t0時刻界面在△t內移動距離為△x(t0)；然后記N為時間-空間平滑半徑，計算s(x-NΔx(t0)，t0-NΔt)，s(x-(N-1)Δx(t0)，t0–(N-1)Δt)，…，s(x,t0)，s(x+(N-1)Δx(t0)，t0+(N-1)Δt)，…s(x+NΔx(t0)，t0+NΔt)在xe上的平均值s1(xe，t0)，其中xe表示將x向兩側延伸后得到的新橫坐標序列；

當相機采用雙幀曝光方式時，所述步驟S64具體為：

雙幀之間時間間隔為Δt，雙幀曝光周期為ΔT，則t0時刻界面在△t內移動距離為△x(t0)，在ΔT內移動距離為△X(t0)＝△x(t0)*ΔT/Δt，對于雙幀曝光的第一幀，計算s(x-NΔX(t0)，t0-NΔT)，s(x-(N-1)ΔX(t0)，t0–(N-1)ΔT)，…，s(x，t0)，s(x+(N-1)ΔX(t0)，t0+(N-1)ΔT)，…，s(x+NΔX(t0)，t0+NΔT)，s(x-NΔX(t0)+△x(t0)，t0–NΔT+Δt)，s(x-(N-1)ΔX(t0)+△x(t0)，t0–(N-1)ΔT+Δt)，…，s(x+△x(t0)，t0+Δt)，s(x+(N-1)ΔX(t0)+△x(t0)，t0+(N-1)ΔT+Δt)，…，s(x+NΔX(t0)+△x(t0)，t0+NΔT+Δt)的平均值，對于雙幀曝光的第二幀，計算s(x-NΔX(t0)，t0-NΔT)，s(x-(N-1)ΔX(t0)，t0–(N-1)ΔT)，…，s(x，t0)，s(x+(N-1)ΔX(t0)，t0+(N-1)ΔT)，…，s(x+NΔX(t0)，t0+NΔT)，s(x-NΔX(t0)+△x(t0)，t0–NΔT-Δt)，s(x-(N-1)ΔX(t0)+△x(t0)，t0–(N-1)ΔT-Δt)，…，s(x+△x(t0)，t0-Δt)，s(x+(N-1)ΔX(t0)+△x(t0)，t0+(N-1)ΔT-Δt)，…，s(x+NΔX(t0)+△x(t0)，t0+NΔT-Δt)的平均值。