一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法与流程

本发明涉及水动力分析领域，具体涉及一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法。

背景技术：

自然界中，海水因为风、引力和地质条件等自然因素会产生各种各样的波动。当有水下或水面航行体经过时，就会在水表面形成具有明显纹理特征的辐聚辐散现象(例如kelvin波和内波映波)。这些由于航行体经过产生的痕迹空间尺度往往很大，所以这些特殊的流场特征可以成为判断是否有水下或水面运动目标经过的重要信号源，因此该领域相关技术对于水下和水面运动目标的探查和追踪具有重大的军事意义和工程实际意义。

现有关于探索流体表面波动形态的实验方法中，光学方法因为其抗干扰性、无接触性和瞬时性备受研究人员青睐。传统的光学方法有染色显性技术、阴影摄影技术、纹影技术等，这些传统的光学方法观测流场产生的实验结果为直观图像，所以不适合对其进行精确的定量计算和分析。新的光学流场测量技术应运而生，其中使用粒子图像测速法(piv)对流场波动进行实验观测是较为主流的方法。piv技术主要依赖于在流体表面布撒跟随流体运动的示踪粒子，通过平行于流体表面的激光片光源照亮被探测流场区域，光线从这些微小的粒子上散射进垂直于流体表面的相机中，经过处理后即得到关于流场的流动信息。该技术目前已经较为成熟且普遍应用于流体力学领域和海洋动力学领域，实验的效果和优势不言而喻。但其缺点也非常明显：piv技术具有一定的局限性，不能对波动振幅进行精确的测量；piv技术对收集流场信息的实验仪器要求非常高，往往需要昂贵的双快门相机，这使实验成本加大；piv技术得到的实验数据较为繁杂，后处理的步骤比较复杂，往往需要很长的时间处理数据才会得到实验最终结果。

目前，流体表面波动形态的检测方法基本为粒子图像测速法(piv)。其原理是在被测量的流场中人为加入示踪粒子，将紫外光调整为片状光源，平行流场方向照亮流场，使跟随流场运动的示踪粒子散射激光至垂直水面方向的相机中，再对相机获得的示踪粒子图像进行处理得出流场速度图像。所以piv技术是通过示踪粒子的运动情况来反映流体表面的波动情况，仅能对流体表面波动的形态进行分析，而对波动的振幅等方面不能做出精确判断；此外piv技术需要较高精度的图像收集装置(相机)和高跟随性的示踪粒子，导致实验成本加大；加之piv实验步骤复杂，实验结束后得到的数据较为繁杂，所以在后处理阶段需要的时间更多，后处理的难度也越大。

有鉴于此，设计出一种新的流场波动形态的检测方法是至关重要的。

技术实现要素：

针对上述提到的现有的检测方法实验成本高、步骤复杂，最后得到的数据繁杂，后处理难度大等问题。本申请的实施例的目的在于提出了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

本申请的实施例提供了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，包括以下步骤：

s1：分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；

s2：根据已知油膜厚度与灰度值计算得到油膜厚度-灰度值关系；以及

s3：根据水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的硅油的荧光图像和油膜厚度-灰度值关系计算出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。

当液面波动使油膜厚度发生变化时，就会使得紫外诱导荧光强度发生变化，通过测量荧光强度，达到观测流体表面辐聚辐散现象的目的。该方法成本低、步骤简单，更能直观反映流体表面的波动特征，同时便于研究人员对波动特征进行定量分析，对水下和水面航行器的搜索检测具有一定的参考价值。

在一些实施例中，步骤s1具体包括：

s11：在透明器皿中配置一定高度的具有荧光颜料的硅油，将透明器皿放置在容器中使透明器皿中的硅油的水平对称线与容器中的水体的表面平齐；

s12：通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄被紫外光照射下硅油产生荧光的图像；

s13：分析图像中与荧光所对应的灰度值；以及

s14：在至少两个不同已知油膜厚度下分别进行步骤s11-s13，得到在不同已知油膜厚度下的所对应的不同灰度值。

通过测量不同油膜厚度下具有荧光颜料的硅油被紫外激发产生荧光的图像及其灰度值，便于建立油膜厚度和灰度值的关系。

在一些实施例中，记录硅油的水平对称线相对于在容器上的高度为基准高度。因为荧光的光强和紫外照射距离有关，在相同的基准高度下测量可以减少照射距离对测量带来的影响和误差。

在一些实施例中，步骤s3具体包括：

s31：将透明器皿中具有荧光颜料的硅油平铺在水体的表面，使硅油的表面高度与基准高度保持一致；

s32：分别在水体在静止时和被扰动的情况下通过紫外光照射硅油，通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄得到静止时和被扰动时硅油的荧光图像，并计算得到静止时和被扰动时荧光图像的灰度值；

s33：结合油膜厚度-灰度值关系，根据静止时和被扰动时荧光图像的灰度值，计算出相应的油膜厚度；以及

s34：对静止时和被扰动时荧光图像的灰度值进行后处理，得出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。

通过测量水体静止时和被扰动时的油膜厚度变化，进一步得到水体表面辐聚辐散的波动情况。

在一些实施例中，步骤s32和步骤s12的光学相机拍摄的高度保持一致，紫外光照射的高度也保持一致。因此可以减少光学相机拍摄及紫外光照射距离所带来的误差。

在一些实施例中，光学相机为彩色相机时，分别提取彩色相机的rgb通道数据作为灰度值进行分别计算，水体被扰动时的硅油的油膜厚度为根据分别根据rgb通道数据计算得到的水体被扰动时的硅油的油膜厚度的平均值。通过彩色相机同样可以拍摄，与piv技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本方法大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。

在一些实施例中，油膜厚度-灰度值关系包括线性关系常数。根据lambert-beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚。因此根据荧光强度就可以得到流体表面波动情况，使实验需要处理的数据更少，后处理的步骤更简化，相比piv技术需要处理大量繁杂的数据，本发明大大缩短了后处理的时间。

在一些实施例中，具有荧光颜料的硅油中荧光颜料的浓度为0.3g/l。在此浓度下，硅油溶液呈现半透明状且受激发后有明显的荧光现象，视为最优状态。

在一些实施例中，水体包括具有稳定的密度分层的盐水溶液。在此条件下可以模拟海洋中海水的环境，使得测量更加准确。

本发明利用荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，间接检测流体表面辐聚辐散现象，相较于现有的粒子图像测速法(piv)，本发明在溶剂硅油中溶入少计量的荧光颜料即可产生较强的荧光，现象直观明显，使用普通光学相机就可得出被检测水域的波动情况，与piv技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本发明大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。根据lambert-beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚。因此根据荧光强度就可以得到流体表面波动情况，使实验需要处理的数据更少，后处理的步骤更简化，相比piv技术需要处理大量繁杂的数据，本发明大大缩短了后处理的时间。一方面可以分析流场表面波的形态，另一方面可以直接得出波动振幅的相关数据，解决了piv技术在检测波动振幅方面的局限性。在相机上安装滤光片只接收激发荧光波段的可见光，消除实验过程中其他波段可见光可能对实验数据和实验结果的影响，因此受到周围环境的干扰更小，对检测环境的限制更低，使实验结果更准确。本发明适合在较大水域进行辐聚辐散场的检测实验，为探测是否有水下或水面航行体经过提供参考方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法的步骤s1的流程示意图；

图3为本发明的实施例的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法的基准高度测量的示意图；

图4为本发明的实施例的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法的步骤s3的流程示意图；

图5为本发明的实施例的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法所用的装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的申请人通过调研发现，检测海洋溢油领域有用紫外诱导荧光探测水面溢油的研究。这种探测方法用紫外线光照射海面溢油，油中的荧光物质受激发产生荧光现象，通过荧光区域就可以判断溢油的位置和范围，这种探测方法具有成本低，精度高的优点。而根据lambert-beer定律，诱导激发的荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系。结合这两方面的特点，可以设计让荧光油膜平铺在流体表面，用紫外诱导荧光强度的大小来表示荧光油膜的厚度，进而得到流体表面波动数据。紫外诱导荧光探测海洋溢油的研究和lambert-beer定律，让这种探测流体表面辐聚辐散现象的方法成为可能。

本申请的实施例中公开了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1：分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；

s2：根据已知油膜厚度与灰度值计算得到油膜厚度-灰度值关系；以及

s3：根据水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的硅油的荧光图像和油膜厚度-灰度值关系计算出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。

当液面波动使油膜厚度发生变化时，就会使得紫外诱导荧光强度发生变化，通过测量荧光强度，达到观测流体表面辐聚辐散现象的目的。该方法成本低、步骤简单，更能直观反映流体表面的波动特征，同时便于研究人员对波动特征进行定量分析，对水下和水面航行器的搜索检测具有一定的参考价值。

在具体的实施例中，如图2所示，步骤s1具体包括：

s11：在透明器皿中配置一定高度的具有荧光颜料的硅油，将透明器皿放置在容器中使透明器皿中的硅油的水平对称线与容器中的水体的表面平齐；

s12：通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄被紫外光照射下硅油产生荧光的图像；

s13：分析图像中与荧光所对应的灰度值；以及

s14：在至少两个不同已知油膜厚度下分别进行步骤s11-s13，得到在不同已知油膜厚度下的所对应的不同灰度值。

其中，步骤s11中根据观测水域面积(即实验用水池的面积)推测需要硅油和荧光颜料的计量，将荧光颜料溶于硅油中制成荧光颜料的硅油溶液。在优选的实施例中，具有荧光颜料的硅油中荧光颜料的浓度为0.3g/l左右。此时硅油溶液呈现半透明状且受激发后有明显的荧光现象，视为最优状态。另外荧光染料选择无毒无害且疏水亲油的物质即可，硅油选择无毒无害且表面张力低于水的表面张力的种类即可。通过测量不同油膜厚度下具有荧光颜料的硅油被紫外激发产生荧光的图像及其灰度值，便于建立油膜厚度和灰度值的关系。

在具体的实施例中，记录硅油的水平对称线相对于在容器上的高度为基准高度。因为荧光的光强和紫外照射距离有关，在相同的基准高度下测量可以减少照射距离对测量带来的影响和误差。由于受条件限制，具体技术方案以实验室内流场辐聚辐散测量的检测方法为准。在实验室条件下，透明器皿可以选择烧杯，容器可以选择水缸，步骤s11中的一定高度选择为10cm。因此可以在烧杯里调配具有10cm高的荧光颜料的硅油溶液作为基准高度测量溶液，记录硅油溶液的水平对称线相对应实验水缸上的高度。具体的过程如图3所示，将烧杯放入空水缸中，然后垫高烧杯到接近水缸预估放水的高度，在水缸上标注烧杯中5cm高硅油溶液(10cm高硅油溶液的水平中心对称线)所对应的高度。当然也可以选择其他高度的硅油溶液。

紫外灯使用波段为365nm的紫外线，让其灯光充分笼罩在烧杯上。紫外灯所使用的光源波段不局限于365nm，紫外线光均可。将光学相机的相机口垂直对准烧杯的液面，并在光学相机口上安装524nm的滤光片(只接收绿光)进行滤光，记录此时溶液产生荧光时的图像并提取灰度值g10。使用的相机可以是彩色相机，分析彩色相机图像时可分别提取其rgb通道，进行三组数据的记录r10、g10、b10。在相机上安装滤光片只接收激发荧光波段的可见光，消除实验过程中其他波段可见光可能对实验数据和实验结果的影响，因此受到周围环境的干扰更小，对检测环境的限制更低，使实验结果更准确。重复步骤s11调配其他高度的荧光颜料的硅油溶液，并使其硅油溶液的水平对称线与步骤s11的水平对称线高度保持一致，具体通过调整烧杯的高度，使其他高度的硅油溶液中心水平线与基准高度相同，其他高度相当于至少两个不同已知油膜厚度，重复步骤s12-s13进行灰度值观测g20。使用的相机可以是彩色相机，分析彩色相机图像时可分别提取其rgb通道，进行三组数据的记录r20、g20、b20。后续通过运用后处理软件(matlab、originpro等)建立荧光油膜厚度-灰度线性关系表达式f。

在具体的实施例中，如图4所示，步骤s3具体包括：

s31：将透明器皿中具有荧光颜料的硅油平铺在水体的表面，使硅油的表面高度与基准高度保持一致；

s32：分别在水体在静止时和被扰动的情况下通过紫外光照射硅油，通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄得到静止时和被扰动时硅油的荧光图像，并计算得到静止时和被扰动时荧光图像的灰度值；

s33：结合油膜厚度-灰度值关系，根据静止时和被扰动时荧光图像的灰度值，计算出相应的油膜厚度；以及

s34：对静止时和被扰动时荧光图像的灰度值进行后处理，得出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。

通过测量水体静止时和被扰动时的油膜厚度变化，进一步得到水体表面辐聚辐散的波动情况。

在具体的实施例中，步骤s32和步骤s12的光学相机拍摄的高度保持一致，紫外光照射的高度也保持一致。因此可以减少光学相机拍摄及紫外光照射距离所带来的误差。

在具体的实施例中，光学相机为彩色相机时，分别提取彩色相机的rgb通道数据作为灰度值进行分别计算，水体被扰动时的硅油的油膜厚度为根据分别根据rgb通道数据计算得到的水体被扰动时的硅油的油膜厚度的平均值。通过彩色相机同样可以拍摄，与piv技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本方法大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。

在具体的实施例中，油膜厚度-灰度值关系包括线性关系常数。根据lambert-beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚。因此根据荧光强度就可以得到流体表面波动情况，使实验需要处理的数据更少，后处理的步骤更简化，相比piv技术需要处理大量繁杂的数据，本发明大大缩短了后处理的时间。

在具体的实施例中，水体包括具有稳定的密度分层的盐水溶液。在此条件下可以模拟海洋中海水的环境，使得测量更加准确。在实验室条件下设置水体静止时和被扰动时的情况下拍摄荧光图像，因此将扰动源先放置于水下，因为后放置水下扰动源会对实验水体产生扰动，打破实验水体的密度分层。根据实验需要，配置相应盐度的盐水溶液。再在盐水溶液的基础上缓慢输入纯水，控制实验水体表面水平线在基准高度稍下的位置，静置一定时间，使实验水体出现稳定的密度分层。静置时间一般设置为12h，随水体的大小而调整。同样使用波段为365nm的紫外灯，其光线完全照射在所测范围流体表面的荧光油膜上。将光学相机的相机口垂直对准需要检测的水平流场，光学相机拍摄的高度保持一致，并在光学相机口上安装524nm的滤光片(只接收绿光)进行滤光，记录此时溶液产生荧光时的图像并提取灰度值g1。使用的相机可以是彩色相机，分析彩色相机图像时可分别提取其rgb通道，进行三组数据的记录r1、g1、b1。

根据实验需要，调整扰动源参数，开启扰动源，使水体表面产生波动。此时用光学相机记录扰动产生过程中水面的荧光图像，并提取相应灰度值gx。使用的相机可以是彩色相机，分析彩色相机图像时可分别提取其rgb通道，进行三组数据的记录rx、gx、bx。结合所得出的油膜厚度与灰度值的关系f，使用的相机可以是彩色相机，分析彩色相机图像时可分别提取其rgb通道，进行三组数据的记录f1、f2、f3。分析观测图像，得出检测流场辐聚辐散现象的相关数据。根据荧光油膜厚度-灰度线性关系f(f1、f2、f3)，利用图像中的灰度值计算出相应的油膜厚度h(对于彩色图像则得出了三组推算高度h1、h2、h3)，进而推算出流体表面辐聚辐散的波动情况。最后通过对记录的灰度图像进行后处理，识别观测实验水体表面波动变化。后处理的所使用的工具可以是图像后处理软件或者编写的算法，此步骤仅对图像的灰度数据进行操作，重点在于得出实验水体表面波动形态变化的特征。因此不再赘述。

在实验室条件下，本发明的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法可以采用以下几个模块组成的装置进行测量。如图5所示，图5中不展示全部设备的具体放置位置，该装置包括实验水体制备模块、图像采集与后处理模块、诱导光源模块、荧光油膜制备模块和实验扰动源模块。实验水体制备模块包括实验观测水槽1和密度分层实验水体2，图像采集与后处理模块包括光学相机3、滤光片4和图像采集卡与后处理计算机5，诱导光源模块包括365nm的紫外线灯6，荧光油膜制备模块包括荧光颜料的硅油溶液7，实验扰动源模块包括水下扰动源8，主要由模型与拖曳驱动装置组成，在本实施例中以拖曳实验为例，用于检测水下拖曳扰动对实验水体表面辐聚辐散的影响。其他的扰动模块以具体情况为主。

本发明利用荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，间接检测流体表面辐聚辐散现象，相较于现有的粒子图像测速法(piv)，本发明在溶剂硅油中溶入少计量的荧光颜料即可产生较强的荧光，现象直观明显，使用普通光学相机就可得出被检测水域的波动情况，与piv技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本发明大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。根据lambert-beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚。因此根据荧光强度就可以得到流体表面波动情况，使实验需要处理的数据更少，后处理的步骤更简化，相比piv技术需要处理大量繁杂的数据，本发明大大缩短了后处理的时间。一方面可以分析流场表面波的形态，另一方面可以直接得出波动振幅的相关数据，解决了piv技术在检测波动振幅方面的局限性。在相机上安装滤光片只接收激发荧光波段的可见光，消除实验过程中其他波段可见光可能对实验数据和实验结果的影响，因此受到周围环境的干扰更小，对检测环境的限制更低，使实验结果更准确。本发明适合在较大水域进行辐聚辐散场的检测实验，为探测是否有水下或水面航行体经过提供参考方案。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。