[發明專利]紅外海藻粒子圖像測速裝置及其測量方法

在審

• 申請號: 202110009779.3
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112834780A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 胡曉;黃慧玲;張奔;楊國黨;龍澤宇;石小濤
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20;G01P5/22
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

1.一種紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：包括設置在水槽(12)上的紅外激光器(11)，水槽(12)旁設有攝像機支架(9)，攝像機支架(9)上設有至少兩臺攝像機(10)，攝像機(10)與電腦(1)電性連接；所述的水槽(12)為透明水槽。

2.根據權利要求1所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：水槽(12)一端設有進水口，水槽(12)另一端連通水箱(13)，水箱(13)內設有水泵(14)，水泵(14)通過管道與進水口連通；水槽(12)內設有擋水板(3)，擋水板(3)靠近進水口設置，擋水板(3)下游端設有兩塊整流柵(2)，兩塊整流柵(2)之間的區域為試驗測量區域；紅外激光器(11)位于試驗測量區域上方。

3.根據權利要求2所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：攝像機(10)包括垂直拍攝用攝像頭和水平拍攝用攝像頭，垂直拍攝用攝像頭和水平拍攝用攝像頭分別通過兩個伸縮桿(91)固定。

4.根據權利要求1所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：水槽(12)底部設有變坡升降器(6)，變坡升降器(6)用于調節水槽(12)坡度。

5.根據權利要求4所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：包括設置在水槽(12)底部的滑軌(601)，滑軌(601)上設有多個滑塊(602)，滑塊(602)與螺紋升降桿鉸接設置，螺紋升降桿與蝸輪(606)螺紋配合，蝸輪(606)通過蝸桿(607)驅動旋轉；水槽(12)一端與水箱(13)鉸接設置。

6.根據權利要求5所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：螺紋升降桿包括第一螺紋升降桿(603)、第二螺紋升降桿(604)和第三螺紋升降桿(605)，第一螺紋升降桿(603)、第二螺紋升降桿(604)和第三螺紋升降桿(605)的螺紋距依次減小。

7.根據權利要求2所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置，其特征在于：紅外激光器(11)的數量至少包括四個，多個紅外激光器(11)設置在試驗測量區域上方兩側。

8.根據權利要求1-7中任意一項所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置的測量方法，其特征在于包括如下步驟：

S1：在水槽(12)底部貼黑色遮光紙的膠紙，調節多個紅外激光器(11)的位置并固定，使紅外激光器(11)充分照射在試驗測量區域；

S2：向水槽(12)內的水體內撒入中性浮力海藻細胞作為示蹤粒子；

S3：攝像機(10)記錄光學景深中的粒子移動，攝像機(10)將信號傳輸給電腦(1)生成拍攝視頻；

S4：將拍攝的視頻導入VirtualDub轉成圖片，將圖片導入MATLAB的子數據庫PIVlab互相關分析計算得出流場數據，將流場數據導入MATLAB自定義程序Queen2.0計算得出壓力場數據，兩張流場數據可分析得出一張壓力場圖，再將對應的魚體多等分導入界面，通過描點拾取魚體表面的壓力數據；將壓力場數據和圖片導入MATLAB自定義程序Fish get forcesand torques估算得出身體表面力和力矩。

9.根據權利要求8所述的紅外海藻粒子圖像測速裝置的測量方法，其特征在于：步驟S4的方法為：

將拍攝的視頻導入VirtualDub轉成圖片，在MATLAB中運行PIVlab腳本，將篩選后的圖片序列導入PIVlab中，通過魚體掩蔽屏蔽魚體輪廓范圍內的速度矢量計算，對相鄰圖像間詢問區域尺寸逐步減小為128×128、64×64、32×32像素，重疊50％，采用FTT算法進行相關交叉性分析，以得出詢問區域中最可能的粒子位移和已知的時間間隔相除，再經過后處理得出流場圖，即互相關分析；互相關是一種統計模式匹配算法，其試圖從位于詢問區域B的詢問區域A中找到粒子圖像；該算法通過離散的互相關函數來實現：

C(m，n)＝∑_i∑_jA(i，j)B(i-m，j-n)

其中A和B是來自圖像A和圖像B的相應詢問區域；得到的相關矩陣C中強度峰值的位置給出了粒子從A到B的最可能位移；

將速度矢量和渦量數據導入Queen2.0中，對于不可壓縮流動，利用Navier-Stokes方程通過求解由瞬時速度和材料加速度間接計算壓力p：

分析的最后階段對壓力梯度進行積分，以提取積分區域內的壓力場，其大小可達整個視場；兩張流場數據可分析得出一張壓力場圖，再將對應的魚體100等分導入界面，通過最鄰近法，將魚體輪廓上的每個點都映射到流體中最近的壓力點上，并獲得指定的壓力；

將壓力數據導入自定義程序Fish get forces and torques進行基于壓力的力和力矩計算,當壓力效應充分主導剪切效應時，根據

F(t)＝-∫npdA+∫τ·ndA

估算得出魚類所經歷的運動力；n是法線單位向量，指示身體垂直向外的方向；τ是粘性應力張量，F是作用在身體上的力；假設魚體密度是均勻分布的，識別質心位置，計算瞬時力矩臂向量，根據

T(t)＝-∫p(r×n)dA+∫r×(τ·n)dA

估算力矩；T是作用在身體上的力矩，r是力矩臂向量，從旋轉中心，即魚的質心開始測量；t是時間，A是表面積，p是流體中的壓力；其中表面積A可通過觀察水動力學分析計算的流程示意圖中魚體部分表面積的粒子來計算，利用Ramanujan近似估計橢圓的半周長和切片厚度，最后根據瞬時力和力矩的估算值，繪制受力圖和力矩圖。