[发明专利]一种测量流场速度的方法

说明书

技术领域

本发明属于速度光学测量技术领域，涉及的是测量流场速度的方法，特别是一种使用配备双相机的粒子图像速度场仪(PIV)成像系统拍摄流场粒子图像，利用粒子图像互相关技术实现流场速度测量的方法。

背景技术

粒子图像速度场仪PIV(Particle Image Velocimetry)是近二十多年来发展起来的一种崭新的流速测量仪器，具有对全流场速度的实时测量和对流场干扰小的优点。随着计算机技术和图像处理技术的进步，PIV技术得到了飞速发展，成为了流场速度测量的主要工具。

PIV系统分为获得流场粒子图像的硬件部分和从粒子图像中提取速度信息的软件处理部分。硬件部分包括激光器、光学透镜组、照相机、图像采集卡、同步器和计算机处理系统等设备，激光器产生的激光脉冲经光学透镜组形成片光脉冲，照明流场，相机经同步器与激光脉冲同步，拍摄流场粒子图像，由图像采集卡采集并传送至计算机处理系统。速度提取的软件处理部分是PIV技术的核心部分，按查询方法不同主要分为自相关和互相关两种处理技术。自相关技术是具有一定时间间隔的两束激光片光脉冲照明流场，通过相机在同一张图像上记录流场两次曝光的粒子图像，划分查询区域后，对单个查询区域采用自相关运算，根据自相关峰值位置、相机放大倍率和曝光时间间隔获得查询区域速度，综合各查询区域速度得到整个流场速度信息。由于自相关峰值是左右对称的，因而获得的速度信息存在180度的方向模糊，也就是所谓的自相关技术的方向二义性问题，一般需要采用各种复杂的图像偏移技术加以解决。互相关技术是利用CCD相机的特点，将流场两次曝光粒子图像记录在两张不同的图像上，对两张图像以相同大小分别划分查询区域，以查询区域为单位作互相关运算，根据互相关峰值位置、相机放大倍率和曝光时间间隔获取速度大小，速度方向由两次曝光顺序决定，解决了方向二义性问题。互相关技术要求相机在短时间内连续拍摄两张粒子图像，提高了对相机性能及控制的要求；用于两次曝光的激光脉冲的光强变化会模糊互相关峰值，导致错误速度矢量的产生，因而对激光稳定性的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的测量流场速度的方法，该方法利用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统先后发射两束相同光强相同脉宽的激光片光脉冲照明流场，处于不同拍摄角度的两相机对应激光脉冲先后曝光，获得流场的两幅粒子图像，经数字图像处理技术预处理后，校正不同角度下拍摄的粒子图像至相同角度，对粒子图像按一定大小划分查询区域，以查询区域为单位对两粒子图像作互相关运算，获得单个查询区域的一组互相关峰值信息，对校正处理后两粒子图像上各粒子像点以相同大小和相同灰度粒子像点替代，同样划分查询区域，进行互相关运算得到对应上述查询区域的另一组互相关峰值信息，叠加比较两组峰值信息得到一个最佳峰值，峰值位置即为该查询区域的相对位移量，相机放大倍率和两次曝光时间间隔已定，速度矢量即可求得，计算所有查询区域从而获得整个流场的速度信息。

进一步，本发明可通过以下技术方案实现的，具体包括：

(1)合理选择设定配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数：根据待测流场的流速快慢、流场内粒子大小和密集程度以及测量分辨率等具体情况，设定用于照明流场的两束激光片光脉冲的宽度即两相机曝光时间t、两相机快门开启持续时间T、两束激光片光脉冲的间隔时间Δt、激光光路与两个相机光轴的夹角即拍摄角度θ₁和θ₂以及决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P。

(2)使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统拍摄流场的两幅粒子图像：使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统先后发射两束具有相同光强相同脉宽的激光片光脉冲照明流场，主相机伴随第一次激光片光脉冲进行一次曝光，获得主粒子图像，辅助相机伴随第二次激光片光脉冲进行一次曝光，获得辅助粒子图像，输入计算机。

(3)采用数字图像处理技术对粒子图像作预处理：针对不同流场特性和测量要求，采用图像几何校正、平滑和去噪、二值化、元素分割以及膨胀和腐蚀等数字图像处理方法中的一种或多种方法对粒子图像作预处理，改善图像质量。

(4)辅助粒子图像的几何校正：由于两个相机拍摄角度不同，拍摄区域大小和图像放大倍率也就不相同，需要经过相应的几何变换运算将辅助粒子图像变换成与主粒子图像的拍摄区域和放大倍率相同的图像。

(5)对两幅粒子图像合理划分查询区域：根据流场粒子密集程度以及测量分辨率等的要求调整并设定查询区域划分的大小，对主粒子图像和辅助粒子图像分别划分查询区域。