[发明专利]一种单相机三维体视粒子图像测速系统

权利要求书

1.一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：它包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统三部分；其中光学系统和数据采样系统构成了实验测量平台；

所述的光学系统包括体光源调节光学部(2)、激光发生器(3)、多棱面特效棱镜即多影镜(5)和激光体(9)；该激光发生器(3)为系统的光源，采用半导体连续激光；该体光源调节光学部(2)为一组透镜组合，放置于激光发生器(3)的光路上，用以将激光发生器(3)射出的激光柱光源扩展成有预定厚度的激光体光源(9)；该多棱面特效棱镜(5)是实现单相机立体成像的关键光学部件，放置于数字相机(6)和测量流场(1)之间的光路上；

所述的数据采样系统包括信号同步器(4)、数字相机(6)、微型计算机(7)和平面标靶(8)；各部件的连接方式为：微型计算机(7)和信号同步器(4)采用USB数据线连接；数字相机(6)和微型计算机(7)通过图像采集卡连接；信号同步器(4)和数字相机(6)采用BNC信号线连接；激光发生器(3)和型号同步器(4)采用BNC信号线连接；该数据采样的控制流程为：微型计算机(7)利用图像采集软件将控制信号通过USB数据线传输到信号同步器(4)；同步器在接收到控制信号后，同步实现数字相机(6)的曝光和激光发生器(3)的激光照射；在数字相机(6)完成曝光数据采集后，将粒子成像的数据传输到微型计算机(7)并存储；

该信号同步器(4)为系统控制器件，选用8通道MicroPulse 725信号同步器，负责控制激光发生器(3)和数字相机(6)同步；该数字相机(6)为CCD或者CMOS工业相机，按要求选用；该微型计算机(7)为通用微型计算机，装有高速图像采集卡，直接连接数字相机(6)接受图像数据并保存；两者的控制和图像采集，通过选用现有的PIV系统软件MicroVec3.3.1来实现；该平面标靶(8)为PIV测速用的普通标靶，将其固定在千分仪上以实现体视PIV的体标定；该平面标靶(8)用于体标定时放置于测量流场(1)内，实现平面标靶(8)在测量流场(1)厚度方向上的遍历移动；

所述的数据处理系统，其数据处理的方法步骤为：

(1)对单相机形成的标靶图像进行分割获得各个视角的成图像，对成像图中的标点进行识别，完成三维测量体内空间坐标的标定；

(2)对单相机形成的三维粒子成像图进行分割获得各个视角流场粒子成像图，并对粒子成像进行前处理，识别二维成像平面内的粒子坐标；

(3)根据标定函数和各视角的二维成像平面内的粒子坐标，通过Levenberg-Marquardt算法求解标定函数来得到三维粒子空间坐标，完成流场内粒子空间分布的定位；

(4)将三维粒子空间分布投影到三维灰度矩阵，实现三维矩阵内的空间灰度分布；

(5)利用相邻两个时间步的三维灰度矩阵进行体互相关的分析来了解测量体内粒子的速度，从而得到三维测量体内的速度场；

(6)对速度场进行后处理，剔除体互相关分析失败得到的坏速度矢量，并对流场进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：该光学系统采用的半导体连续激光为8瓦绿光半导体连续激光，波长532纳米，输出直径为5毫米柱光源。

3.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的体光源调节光学部(2)，其透镜组合包括两块焦距为500毫米的凸透镜、两块焦距分别为-75和-100毫米的凹透镜和两块焦距同为60毫米的平凸柱面镜。

4.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的预定厚度的激光体光源(9)，其厚度为十至50毫米。

5.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的数字相机(6)选用BOBCAT系列相机ICL-B0620，分辨率为640x480像素，最高采样频率为260赫兹，并配置尼康45毫米镜头。

6.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：该微型计算机(7)采用惠普Z400工作站，基本配置为：Intel Core2中央处理器，16GB内存，1TB硬盘，NVIDIA 420独立显卡，20寸LCD显示器，WinXP Pro 64位操作系统。