[發明專利]一種基于改進PIV的水平油水兩相流流速測量方法

在審

• 申請號: 202010134755.6
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN111369620A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 韓連福;王海霞;付長鳳;劉超;劉興斌;宋鴻梅
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G06T7/70
• 分類號: G06T7/70;G06T7/00
• 代理公司: 大慶禹奧專利事務所 23208
• 代理人: 朱士文;楊曉梅

1.一種基于改進PIV的水平油水兩相流流速測量方法，其特征在于：所述測量方法包括以下步驟：

步驟一：對連續兩幀圖像進行處理，將圖像信息提取轉換為數字信息，確定PIV位移測量過程中查詢窗口M；

所述的圖像信息提取轉換是將兩幀圖像的有用信息進行裁剪，并進行灰度處理，轉換后的兩幀灰度圖像函數分別用f(x,y)和g(x,y)表示，x,y分別表示圖像中水平方向和垂直方向上的像素點位置坐標；

查詢窗口M的設置可提高位移的分辨率和計算精度，M表示為

式中m₁～m₈均為后續互相關時查詢窗口大小，m₁,m₂,m₃,m₄,m₅,m₆,m₇,m₈的查詢窗口大小分別為128×128、128×128、64×64、64×64、32×32、32×32、16×16、16×16；

步驟二：固定查詢窗口大小，計算兩幀圖像中查詢窗口內中心處粒子的互相關系數提取最大的互相關系數以及對應的位移整像素值(p,q)；

所述兩幀圖像查詢窗口內中心處的相關系數的計算公式為：

式中矩陣P,Q分別為第一幀圖像查詢窗口中心與第二幀圖像查詢窗口中心在水平方向和垂直方向的位移差；

根據互相關性質可知，值越大，兩幀圖像查詢窗口中心越相關；因此，最大的互相關系數對應的位移差即為查詢窗口中心的位移；查詢窗口中心位移整像素大小的計算公式為：

式中p,q分別為查詢窗口中心移動的水平方向和垂直方向的位移整像素值；

步驟三：根據步驟二中提取最大互相關系數及對應的位移整像素值建立互相關函數R(u,v)，利用最大互相關系數周圍與其相鄰四個互相關系數及對應的位移整像素值確定粒子的位移亞像素值(u₀,v₀)；

所述互相關函數R(u,v)的建立方式如下：

因采集的油水兩相流粒子圖像屬于高斯分布，故計算的互相關函數R(u,v)亦滿足高斯分布，互相關函數R(u,v)的計算公式為

式中A為相關峰峰值，σ_u²,σ_v²分別為相關峰在水平方向和垂直方向上的方差，u,v分別為查詢窗口中心移動的水平方向和垂直方向的位移矢量，u₀,v₀分別為查詢窗口中心移動的水平方向和垂直方向的精確位移矢量；

根據步驟二確定最大互相關系數為R(p,q)，對應的粒子在水平方向和垂直方向上位移整像素值分別為p,q，以及周圍與其相鄰四個相關系數R(p-1,q),R(p+1,q),R(p,q-1),R(p,q+1)，將其帶入互相關函數R(u,v)表達式中：

對上述方程組進行處理，消去參數A,σ_u²,σ_v²以獲取精確的位移亞像素值：

步驟四：改變查詢窗口大小，利用Kriging模型對空白位移矢量處進行插值以擴大位移矢量分布；

改變查詢窗口大小時，查詢窗口內部分粒子的位移矢量是空白的；該粒子位置坐標為(x_c,y_c)，且該處的位移矢量用表示，圖像中已知位移矢量的粒子位置坐標為(x_n,y_n)(n＝1,2,…,h)，且此處的位移矢量用Z_n(n＝1,2,…,h)表示，h為已知位移矢量的粒子個數，n為已知位移矢量的粒子序號；

Kriging模型的計算方法為：

式中λ_n是指已知位移矢量Z_n對應的權重系數；

根據Kriging模型的無偏最優性，采用拉格朗日算法估算λ_i：

式中F為一拉格朗日量，k,l均為已知位移矢量的粒子序號，λ_k,λ_l分別是指已知位移矢量Z_k和Z_l對應的權重系數，μ為拉格朗日乘子，γ_kl為位置坐標為(x_k,y_k)(k＝1,2,…,h)和(x_l,y_l)(l＝1,2,…,h)的粒子間的半方差函數，γ_kc為位置坐標為(x_k,y_k)(k＝1,2,…,h)和(x_c,y_c)的粒子間的半方差函數，γ_cc為位置坐標為(x_c,y_c)粒子與其自身間的半方差函數；因圖像分布滿足高斯分布，半方差函數γ_kl的計算公式為

式中C₀為粒子與其自身的的半方差，C為隨著粒子位置間距離增大基本達到恒定的半方差值，α為具有相關性的位移矢量對應的位置距離范圍；

對F求偏導得到各個粒子對應的權重系數：

步驟五：重復步驟二～四，直至查詢窗口循環結束為止，計算所有位移矢量對應的像素點的速度矢量分布V，最終求得的平均值即為油水兩相流在此時的平均流速

所述各粒子的移動速度計算公式為：

式中矩陣V為圖像中粒子的移動速度矢量分布，其中分別為圖像中粒子(x_wβ,y_wβ)處在水平方向和垂直方向的移動速度，i,j分別為圖像中粒子在水平方向和垂直方向的序號，Δx_ij,Δy_ij分別為圖像中粒子(x_ij,y_ij)處在水平方向和垂直方向的移動距離，Δt為兩幀圖像采集的時間差，β,w分別為圖像中粒子在水平方向和垂直方向的個數；

最后求得圖像中油水兩相流的平均流速