寬視場粒子圖像測速方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種寬視場粒子圖像測速方法。該方法包括：將標(biāo)定板放置在測量水體區(qū)域中，利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝標(biāo)定圖片，取出所述標(biāo)定板，打開激光器，利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝粒子圖片；通過匹配相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的標(biāo)定圖片中的標(biāo)定圖像，獲取相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域；根據(jù)相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)計算算法獲取相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻拍攝的相鄰兩張粒子圖片之間的平移量，利用平移量對相鄰兩張粒子圖片進(jìn)行拼接。本發(fā)明專利技術(shù)在保持常規(guī)粒子圖像測速系統(tǒng)測量分辨率高的優(yōu)勢的同時，通過增加相機(jī)數(shù)量，可實現(xiàn)對任意寬度范圍內(nèi)的流場進(jìn)行高分辨率測量。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及粒子圖像測速
，尤其涉及一種寬視場粒子圖像測速方法和裝置。
技術(shù)介紹
自然界及工程應(yīng)用中的絕大多數(shù)水流都是湍流。這種流動的主要特征，是存在多種尺度的紊動結(jié)構(gòu)，這些紊動結(jié)構(gòu)通過相互作用控制著水流中的輸運(yùn)、擴(kuò)散等物理過程。近期研究表明，水流中最大紊動結(jié)構(gòu)的長度可達(dá)十倍水深量級。粒子圖像測速技術(shù)是現(xiàn)階段開展紊動結(jié)構(gòu)研究的主要工具，這種技術(shù)的工作原理為：在水流中釋放粒徑小、散光性好、密度與水接近的示蹤顆粒，當(dāng)融入水體的示蹤顆粒跟隨水流運(yùn)動時，利用激光器發(fā)出的薄片光照亮水體中的測量平面，再通過高速相機(jī)記錄下測量平面內(nèi)示蹤顆粒形成的光斑，最后將連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行相關(guān)分析，即可得到測量平面內(nèi)示蹤顆粒的速度場，并將該速度場作為測量平面內(nèi)水流的速度場。因此，粒子圖像測速技術(shù)的主要優(yōu)勢是全場、無干擾、瞬態(tài)測量。利用粒子圖像測速技術(shù)開展流動測量時，測量范圍和測量分辨率受高速相機(jī)的性能約束，是一對矛盾綜合體。例如，現(xiàn)有的常規(guī)粒子圖像測速系統(tǒng)中的高速相機(jī)的圖像傳感器大小約為2500×2000像素，當(dāng)測量范圍的寬度為100毫米時，測量分辨率為25像素/毫米；當(dāng)測量寬度減小為50毫米時，測量分辨率提高至50像素/毫米。然而，為了對水流中最大尺度的紊動結(jié)構(gòu)進(jìn)行實
驗觀測，要求測量結(jié)果同時具有測量范圍寬和測量分辨率高的特點，這是現(xiàn)有的常規(guī)粒子圖像測速系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的實施例提供了一種寬視場粒子圖像測速方法和裝置，以實現(xiàn)對任意寬度范圍的測量水體區(qū)域進(jìn)行高分辨率地測速。本專利技術(shù)提供了如下方案：根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種寬視場粒子圖像測速裝置，包括：多個激光器、多個高速相機(jī)和同步器，所述激光器產(chǎn)生片光，各片光照向測量水體區(qū)域，所述高速相機(jī)安裝在所述測量水體區(qū)域的側(cè)面，各個高速相機(jī)的視場底邊相互平行，相鄰視場之間相互搭接，各個視場組合后完全覆蓋所述測量水體區(qū)域，所述同步器通過線纜分別連接各高速相機(jī)，并向各高速相機(jī)同步發(fā)送觸發(fā)信號，各高速相機(jī)以相同的頻率和測量分辨率同步拍攝粒子圖片。進(jìn)一步地，各個激光器產(chǎn)生的片光均與所述測量水體區(qū)域重疊，各個片光組合后完全覆蓋所述測量水體區(qū)域，各個激光器產(chǎn)生的相鄰片光之間相互搭接。進(jìn)一步地，所述裝置還包括放置在所述測量水體區(qū)域中的標(biāo)定板，所述標(biāo)定板的表面印有長度刻度，刻度范圍大于所述測量水體區(qū)域的寬度。進(jìn)一步地，所述標(biāo)定板由固定板、滑動板、直線軸承、圓柱軸和鋼板尺組成，所述固定板和滑動板均為矩形板，兩者相互平行，所述滑動板上貫通安裝所述直線軸承，外側(cè)面銑槽安裝鋼板尺，所述鋼板尺的刻度平面與所述滑動板平面齊平，所述圓柱軸與固定板、滑動板垂直，所述圓柱軸的一端垂直安裝在所述固定板上，另一端穿過所述直線軸承，使所述滑動板可沿所述圓柱軸往復(fù)滑動。根據(jù)本專利技術(shù)的另一個方面，提供了一種寬視場粒子圖像測速方法，包括：將標(biāo)定板放置在測量水體區(qū)域中，使所述標(biāo)定板的刻度平面與測量平面重合，刻度范圍大于所述測量水體區(qū)域的寬度；利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝標(biāo)定圖片，取出所述標(biāo)定板，打開激光器，利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝粒子圖片；通過匹配相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的標(biāo)定圖片中的標(biāo)定圖像，獲取相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域；根據(jù)所述相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)計算算法獲取相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻拍攝的相鄰兩張粒子圖片之間的平移量，利用所述平移量對所述相鄰兩張粒子圖片進(jìn)行拼接。進(jìn)一步地，所述的通過匹配相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的標(biāo)定圖片中的標(biāo)定圖像，獲取相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，包括：將各個標(biāo)定板的刻度平面與所述測量水體區(qū)域的測量平面重合，刻度范圍大于測量水體區(qū)域的寬度，丈量方向與所述測量水體區(qū)域的寬度方向平行，任選一張標(biāo)定圖片，根據(jù)標(biāo)定圖片中標(biāo)定板的刻度讀出視場寬度，將圖片寬度方向的像素數(shù)除以視場寬度，得到成像分辨率；再根據(jù)相鄰兩張標(biāo)定圖片中同時出現(xiàn)的標(biāo)定板刻度范圍，讀出視場重疊區(qū)域的物理寬度，將該物理寬度乘以成像分辨率，得到相鄰兩臺高速相機(jī)所拍圖片中的重疊區(qū)域。進(jìn)一步地，所述的根據(jù)所述相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)計算算法獲取相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻拍攝的相鄰兩張粒子圖片之間的平移量，包括：將相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的兩張粒子圖片定義為左側(cè)圖片和右側(cè)圖片，在左側(cè)圖片中的重疊區(qū)域內(nèi)定義匹配窗口，該匹配窗口的寬、高分別為Mp、Np像素，坐標(biāo)(i,j)處的灰度表示為Ip(i,j)；將右側(cè)圖片定
義為搜索區(qū)，寬、高分別為M、N像素，坐標(biāo)(i,j)處的灰度表示為I(i,j)；分別計算出所述匹配窗口與所述搜索區(qū)內(nèi)各個相同大小的窗口之間的相關(guān)系數(shù)R(m,n)，將所有的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行組合得到所述兩張粒子圖片之間的相關(guān)系數(shù)矩陣：R(m,n)=Σi=1MpΣj=1NpIp(i,j)I(i+m,j+n)Σi=1MpΣj=1NpIp2(i,j)Σi=1MpΣj=1NpI2(i+m,j+n)]]>選擇所述相鄰兩臺高速相機(jī)在其它時刻同步拍攝的其它兩張粒子圖片，計算出所述其它兩張粒子圖片之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，重復(fù)執(zhí)行上述處理過程，得到所述相鄰兩臺高速相機(jī)在T個時刻同步拍攝的T對粒子圖片之間的T個相關(guān)系數(shù)矩陣，將所述T個相關(guān)系數(shù)矩陣取平均，得到時間平均相關(guān)系數(shù)矩陣；設(shè)所述時間平均相關(guān)系數(shù)矩陣中最大值的行、列號分別為t和s，匹配窗口的左上角在粒子圖片中的坐標(biāo)為(p,q)，則右側(cè)圖片左上角相對于左側(cè)圖片左上角的平移量Δx、Δy的計算公式為：Δx＝q-tΔy＝s-p將所述平移量Δx、Δy作為所述相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的兩張粒子圖片之間的平移量。進(jìn)一步地，所述的利用所述平移量對所述相鄰兩張粒子圖片進(jìn)行拼接，包括：重復(fù)執(zhí)行上述平移量的計算過程，得到所有相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的兩張粒子圖片之間的平移量；選取最左側(cè)兩臺高速相機(jī)，從所述最左側(cè)兩臺高速相機(jī)在同一時刻同步
拍攝的兩張粒子圖片開始，以左側(cè)圖片的左上角為基準(zhǔn)點，將右側(cè)圖片的左上角按照計算出的平移量進(jìn)行平移，完成所述最左側(cè)兩臺高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的兩張粒子圖片的拼接，得到第一拼接圖片；選取左側(cè)第三臺高速相機(jī)，按照上述圖片的拼接過程，完成所述左側(cè)第三臺高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的粒子圖片與所述第一拼接圖片之間的拼接，得到第二拼接圖片；依次類推，直到完成最右側(cè)高速相機(jī)在同一時刻同步拍攝的粒子圖片與前一個拼接圖片之間的拼接，得到最終的拼接圖片；從所述最終的拼接圖片中提取最大矩形區(qū)域，得到寬視場粒子圖片。由上述本專利技術(shù)的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本專利技術(shù)實施例通過設(shè)置多個激光器、多個高速相機(jī)和同步器，使不同激光器發(fā)出的片光形成一個相互搭接的連續(xù)平面，照亮水體中的示蹤粒子，將不同相機(jī)同步拍攝的粒子圖片進(jìn)行拼接，在保持常規(guī)粒子圖像測速系統(tǒng)測量分辨率高的優(yōu)勢的同時，通過增加激光器和相機(jī)的數(shù)量，可實現(xiàn)對任意寬度范圍內(nèi)的流場進(jìn)行高分辨率測量。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術(shù)實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種寬視場粒子圖像測速裝置，其特征在于，包括：多個激光器、多個高速相機(jī)和同步器，所述激光器產(chǎn)生片光，各片光照向測量水體區(qū)域，所述高速相機(jī)安裝在所述測量水體區(qū)域的側(cè)面，各個高速相機(jī)的視場底邊相互平行，相鄰視場之間相互搭接，各個視場組合后完全覆蓋所述測量水體區(qū)域，所述同步器通過線纜分別連接各高速相機(jī)，并向各高速相機(jī)同步發(fā)送觸發(fā)信號，各高速相機(jī)以相同的頻率和測量分辨率同步拍攝粒子圖片。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種寬視場粒子圖像測速裝置，其特征在于，包括：多個激光器、多個高速相機(jī)和同步器，所述激光器產(chǎn)生片光，各片光照向測量水體區(qū)域，所述高速相機(jī)安裝在所述測量水體區(qū)域的側(cè)面，各個高速相機(jī)的視場底邊相互平行，相鄰視場之間相互搭接，各個視場組合后完全覆蓋所述測量水體區(qū)域，所述同步器通過線纜分別連接各高速相機(jī)，并向各高速相機(jī)同步發(fā)送觸發(fā)信號，各高速相機(jī)以相同的頻率和測量分辨率同步拍攝粒子圖片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬視場粒子圖像測速裝置，其特征在于，各個激光器產(chǎn)生的片光均與所述測量水體區(qū)域重疊，各個片光組合后完全覆蓋所述測量水體區(qū)域，各個激光器產(chǎn)生的相鄰片光之間相互搭接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬視場粒子圖像測速裝置，其特征在于，所述裝置還包括放置在所述測量水體區(qū)域中的標(biāo)定板，所述標(biāo)定板的表面印有長度刻度，刻度范圍大于所述測量水體區(qū)域的寬度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬視場粒子圖像測速裝置，其特征在于，所述標(biāo)定板由固定板、滑動板、直線軸承、圓柱軸和鋼板尺組成，所述固定板和滑動板均為矩形板，兩者相互平行，所述滑動板上貫通安裝所述直線軸承，外側(cè)面銑槽安裝鋼板尺，所述鋼板尺的刻度平面與所述滑動板平面齊平，所述圓柱軸與固定板、滑動板垂直，所述圓柱軸的一端垂直安裝在所述固定板上，另一端穿過所述直線軸承，使所述滑動板可沿所述圓柱軸往復(fù)滑動。5.一種寬視場粒子圖像測速方法，其特征在于，包括：將標(biāo)定板放置在測量水體區(qū)域中，使所述標(biāo)定板的刻度平面與測量平面重合，刻度范圍大于所述測量水體區(qū)域的寬度；利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝標(biāo)定圖片，取出所述標(biāo)定板，打
\t開激光器，利用同步器控制各個高速相機(jī)同步拍攝粒子圖片；通過匹配相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的標(biāo)定圖片中的標(biāo)定圖像，獲取相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域；根據(jù)所述相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)計算算法獲取相鄰兩臺高速相機(jī)在同一時刻拍攝的相鄰兩張粒子圖片之間的平移量，利用所述平移量對所述相鄰兩張粒子圖片進(jìn)行拼接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬視場粒子圖像測速方法，其特征在于，所述的通過匹配相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的標(biāo)定圖片中的標(biāo)定圖像，獲取相鄰兩臺高速相機(jī)所拍攝的圖片中的重疊區(qū)域，包括：將各個標(biāo)定板的刻度平面與所述測量水體區(qū)域的測量平面重合，刻度范圍大于測量水體區(qū)域的寬度，丈量方向與所述測量水體區(qū)域的寬度方向平行，任選一張標(biāo)定圖片，根據(jù)標(biāo)定圖片中標(biāo)定板的刻度讀出視場寬度，將圖片寬度方向的像素數(shù)除以視場寬度，得到成像分辨率；再根據(jù)相鄰兩張標(biāo)定圖片中同時出現(xiàn)的標(biāo)定板刻度范圍，讀出視場重疊區(qū)域的物理寬度，將該物理寬度乘以成像分辨率，得到相鄰兩臺高速相機(jī)所拍圖片中...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳啟剛，齊梅蘭，王興奎，
申請(專利權(quán))人：北京交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11