[发明专利]一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法

说明书

本发明公开了一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，该方法是记录时间序列的粒子IPI聚焦两点像，基于质心法和序列模板匹配法，实现亚像素的粒子定位，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，再基于互相关方法，实现高准确识别率的粒子识别匹配，其效果为基于IPI聚焦像的粒子速度测量提供一种方法，且具有很高的速度测量精度和很高匹配准确率，可用于喷雾、气泡、流场等粒子场速度分布测量。

技术领域

本发明涉及粒子参数测量领域，尤其涉及一种IPI(干涉粒子成像)的粒子聚焦两点像跟踪匹配测速算法，特别涉及粒子两点像定位精度及其匹配准确率的提高。

背景技术

粒子速度是表征粒子特征的一个重要参数，研究粒子的速度测量方法在喷雾场、流场中具有非常重要的意义。常用粒子测速的光学方法有激光多普勒测速技术(LDV)、相位多普勒测速技术(PDA)、粒子图像测速技术(PIV)和粒子跟踪测速技术(PTV)等。LDV和PDA是单点测速技术，不能给出全场的瞬时流速数据。PIV和PTV技术突破了空间单点测量的局限性，实现了全流场瞬态测量，且PTV技术通过对流场中每个粒子的跟踪匹配，可以给出单个粒子的运动速度和轨迹。在PTV中，粒子跟踪匹配，即将同一粒子在连续时间序列的位置匹配，是关键。

在PTV技术中，两帧粒子跟踪匹配算法是常用的一种粒子跟踪匹配方法，其基本思想是根据粒子场运动特征，基于一定的限定，从连续两帧粒子像中跟踪匹配粒子对。基于该思想，已提出了多种粒子跟踪匹配方法，如专利CN103558409A公开一种水流中分布式PTV流场测量系统及其测量方法，利用粒子运动距离最短的方法对连续两帧图像中的粒子进行匹配，计算得到表面流场。Back和Lee提出一种基于匹配概率的两帧粒子跟踪算法，该方法是基于最大速度、小的速度方向变化、运动一致性和匹配一致性四个准则对两帧图像中的粒子进行匹配，通过匹配概率的迭代评估，在第二帧图像中选择与第一帧图像中匹配概率最大的粒子作为匹配粒子，实现粒子场速度测量(Exp.Fluids 1986；22(1):23-32)。

IPI技术的基本原理是基于Mie散射成像技术，粒子散射光在离焦面上形成条纹像，在聚焦面上形成两点像，通过测量干涉条纹图的条纹频率或聚焦两点像之间的间距得到粒子尺寸大小，结合PTV或PIV技术实现粒子速度测量。G.Pan等基于两帧粒子跟踪匹配算法，结合粒子尺寸信息识别匹配粒子IPI条纹图(Proc ILASS 2005,91-96)。相比于IPI圆形条纹图，聚焦两点像由于降低了重叠，特别适应于高密度粒子场测量，然而其定位和识别更加困难，特别是对高密度粒子场。目前还没有提出适用于IPI聚焦两点像跟踪匹配方法。

发明内容

本发明提供一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，该方法是记录时间序列的粒子IPI聚焦两点像，基于序列模板匹配和质心法定位两点像的中心，得到亚像素精度的粒子位置坐标，根据最大位移和速度方向准则搜索候选粒子，再基于互相关方法，实现高准确识别率的粒子识别匹配，详见下文描述：

一种基于相关匹配的粒子聚焦两点像测速方法，所述测速方法包括以下步骤：

1)定位两点像，利用干涉粒子成像系统，记录时间序列的粒子聚焦两点像P(x,y；t_i)，i＝1,2,...，将聚焦两点像与粒子掩模像进行相关运算，其峰值位置即为两点像的位置坐标；

2)亚像素定位，对两点像的坐标，结合质心法，得到亚像素的位置坐标(xⁱ,yⁱ；t_i)；

3)粒子跟踪匹配，设第一帧图像和第二帧图像中的粒子两点像分别为和粒子像的位置坐标分别为(x¹,y¹；t₁)和(x²,y²；t₂)，j为粒子序列数，j＝1表示第一个粒子，j＝2表示第二个粒子，依次类推。将第一帧中任一粒子作为目标粒子，对目标粒子进行跟踪匹配；