专利名称：三切面体视粒子图像测速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像测速系统，尤其是指一种三切面体视粒子图像测速系统。
背景技术：
2003年由国际光学工程学会出版的“流体和固体诊断中的光学技术和图象处理”(SPIV，5058卷，131-138页，2003年)论文集发表的“关于体视粒子图象测速系统的误差分析”(Mindi Zhang*，Gongxin Shen，Run jie Wei*，“Error analysis of Stereoscopic Particle Image velocimetry”，Optical technologyand Image processing for Fluids and Solids Diagnostics，SPIE，Vol.5058，p-131-138，.2003)一文中，公布了一种研制的数字式体视粒子图象测速系统(DSPIV)，采用二台跨桢数字相机，相仿人眼体视原理，按照平移或角移体视布局，对由激光脉冲片光照明的包含有示踪粒子的流动切面，拍摄纪录瞬时粒子图像序列，采用互相关计算、体视标定函数(物空间X、Y、Z与左右两数字相机纪录图象上的像平面Xr、Yr、Xl、Yl的映射关系)，计算粒子的位移场，可测得流动中一个切面的瞬时三维(u，v，w)速度向量场(可从几百点到上万点)的时间历程。该文还公布了DSPIV系统中的一种关键组件，组合式平移-角移调节器，将普通数字跨桢相机改装为可用于体视测量中。如果不经改装，左右两台相机都无法对一共同观测区域取得聚焦清楚的图象纪录，无法实现体视PIV的测量。该文最后还分析和估计了各种条件下的测量误差(切面内测速误差eu、ev和垂直于切面方向的测速误差ew)。
显然“数字式体视粒子图象测速系统(DSPIV)”较之“二维粒子图象测速系统(2DPIV)”有所进步，2DPIV只能测得面内的二维速度向量场(u，v)，不能测得第三维的速度分量(w)。但单套DSPIV系统仍局限于一个流动切面的速度(u，v，w)向量场的测量，尚不能实现流动三维空间(容积，X，Y，Z)的三维(u，v，w)速度向量场的测量，所以，上述现有的全流场测量方法(包括PIV，粒子示踪测速系统PTV，以及激光诱导荧光测速系统LIFV)，都只限于测一个切面的速度向量场，无法求得瞬时涡量，剪切应力等的空间向量场。
此外，由于现有的三维空间的(如数字式全息粒子图象测速系统DHPIV，多相机三维空间粒子示踪测速系统3DPTV)观测技术，尽管可以测得三维空间速度向量场u(x，y，z)，但其空间分辨力太低，亦即测点距离较远(网格太粗)，可得涡量，剪切应力误差大。
较之已有双切面的体视粒子图象测速系统，其存在提供速度向量场数据不完整问题，即不能精确求得所有方位(方向的)涡量向量，应力向量场。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三切面体视粒子图像测速系统。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下一种三切面体视粒子图像测速系统，该系统包括三套脉冲激光器组，用于输出有不同光波波长的光束；由三套脉冲激光器组形成三个相邻的片光LS；设置在三套脉冲激光器组光束输出端的、位于流动观测实验区F周围的三套体视跨帧CCD数字相机，用于同时分别采集三个切面的粒子图像，分别对三个片光面记录粒子移动的时间序列的图像，分别可测得三个片光面的瞬时速度场；与体视跨帧CCD数字相机相连的微处理机E，用于将记录的图像数据可直接传输进入内存，该微处理机中集成软件包括整个控制软件系统，且具备有关图像和数据处理功能，完成多种运算、图形显示，图像经由常规SPIV的互相关算法等计算，取得速度场数据，并由专用软件求得有关涡量场，应力场。
所述的三切面体视粒子图像测速系统，为了保证激光器组发出的脉冲光束与体视跨帧CCD数字相机记录同步，既保证记录三个切面粒子图像的瞬时性，又保证三个切面测量的速度场的同时性，在该三套脉冲激光器组的控制端连接一同步延时器D，该三套脉冲激光器组均由同步延时器进行同步控制，其延时精度在0.5ns(纳秒)左右。
因为采用不同的脉冲激光器组，其发出的光波长不同，进一步，在每台体视跨帧CCD数字相机之前设置一单通光滤波透镜，用于保证分别取得三个切面的粒子图像的瞬时互不干扰。
上述的单通光滤波透镜的可通光波波长范围为λ＝±2nm。
上述的三套脉冲激光器组包括一套为常规PIV采用的YAG脉冲激光器组，其波长为λ0＝532nm，而另二套均为Dyelaser脉冲燃料激光器组，其波长分别为λ1≅580nm,λ2≅482nm.]]>每一套脉冲激光器组包括两台脉冲激光器；每套体视跨帧CCD数字相机也包括两台体视跨帧CCD数字相机。
该体视跨帧CCD数字相机的像素1k×2k，频率30Hz，型号ES-2093。
使用本发明的有益效果在于本系统具有的功能是目前可以试验的能取得最完整的流场定量测量的结果。本发明中提供可求瞬时涡量，应力等空间向量场所需的空间速度向量场的测量数据u(x±Δx，y±Δy，z±Δz)。本发明由于采用三片光技术，片光的厚度可以薄(100μ量级)，又可根据流动需要调整厚度，大大提高速度场的空间分辨力，由此可以取得相当精确的涡量，应力向量场的完整数据。特别对于湍流流动，提供一种既可观测流动结构，又可取得整个一个空间切面的速度、涡量、应力向量场等，及其空间演化的定量测量结果。三切面体视粒子图像测速技术作为当代最新、最先进的流体测量技术，它体现了流动显示技术的整体性与瞬时性，能一次测出被测流场中成千上万个点的速度值，为研究流场的精细结构提供了有效手段。
图1为本发明三切面体视粒子图像测速系统；图1a为图1中脉冲激光器的光脉冲形成片光的光路放大示意图；图2为本发明涡量、应力向量场测量时序图；图3为本发明三个紧密相邻的切面的三个分量速度向量场的立体安排构成示意图；图4为本发明每一个空间点的空间瞬时速度分布场示意图；
图5为本发明相关函数场测量时序图。
具体实施例方式
下面通过具体实施方式
，加以附图对本发明进行详细描述。
非定常复杂流动(如湍流等)的重要流场特性参数及其定量数据，对了解非定常复杂流动及其工程应用有重要意义。
所谓三切面体视粒子图像测速系统(Triple planes SPIV system)是一种非定常速度向量场、涡量向量场、应力向量场测量系统。
如图1所示，为本发明三切面体视粒子图像测速系统；由三套体视粒子图像测速系统(简称SPIV)为基本构成，由三套脉冲激光器组(每套脉冲激光器组由两个脉冲激光器组成)形成三个近邻的片光，如图1a所示片光1、片光0、片光2，在流动观测实验区F的周围设置三套体视跨帧CCD数字相机组C0、C1、C2，每套体视跨帧CCD数字相机由两个跨帧CCD数字相机组成(其中，图1中虚线表示相机的拍摄光轴线)，分别对三个片光面记录粒子移动的时间序列的图像对，经由常规SPIV的互相关算法等计算，分别可测得三个片光面的瞬时速度场。
其中三套脉冲激光器组，输出光束有不同光波波长，第一脉冲激光器组A，为常规PIV采用的YAG脉冲激光器组，波长为λ0＝532nm，第二脉冲激光器组B和第三脉冲激光器组C均为Dyelaser脉冲燃料激光器组，波长分别为λ1≅580nm,λ2≅482nm.]]>同时三套脉冲激光器组的光脉冲对(两个时间间隔可由延时器精密控制的激光脉冲)均由同步延时器D(延时精度0.5ns纳秒)同步控制，三套脉冲激光器组的光脉冲形成片光如图所示(LS)，并同步发光，保证三个切面测量的速度场的同时性。
三套体视数字跨帧相机组C0-1、C0-2、C1-1、C1-2、C2-1、C2-2(1k×2k像素，30Hz，ES-2093)，同时分别采集三个切面的粒子图像。因采用不同的激光光波长，并由相应的单通光滤波透镜(F0，F1，F2，可通光波波长范围为λ＝±2nm)，保证分别取得三个切面的粒子图像的瞬时互不干扰。
同步延时器D保证激光光脉冲与跨帧CCD相机记录同步，既保证记录三个切面粒子图像的瞬时性，又保证其同一瞬时(同步)性。其瞬时性误差在6-8ns内，其同步性误差在10ns内，见图2瞬时涡量、应力场测量时序图。
整个系统由微机控制E，微机为多CPU(至少6个CPU)、内存大于12GB，并由64位总线与数字相机连接，记录的图像数据可直接传输进入内存。
系统的集成软件不仅包括整个控制软件系统，且具备有关图像和数据处理功能，完成多种运算、图形显示等。图像经由常规SPIV的互相关算法等计算，取得速度场数据，并由专用软件求得有关涡量向量场，应力向量场等。
测速原理基于体视粒子图像测速的测速原理，如图3所示，为三个紧密相邻的切面的三个分量(u，v.w)速度向量场的立体安排构成，判读位置pij(xijk，yijk，zijk)，i＝1-N，j＝1-M，k＝1-3；判读元大小ΔxΔy—判读窗大小(16×16，32×32，64×64象元)；Δz—片光厚度，Δz＝δ；ΔxΔyΔz立方体—判读元大小(16×16×δ，32×32×δ，64×64×δ象元)；由此，以上系统可同时测量三个紧密相邻的切面的三个分量(u，v.w)速度向量场。时刻t的三切面速度场为u＝u(u，v，w，tl)u‾=u‾(x,y,zijk,t)u‾=u‾(x,y,zijk+Δzijk,t)u‾=u‾(x,y,zijk-Δzijk,t)]]>或对每一个空间点(x，y，z，t)可得下列26个邻区速度向量(空间瞬时速度向量分布场)如图4所示u(x，y，z)，u(x，y，z+Δz)，u(x，y，z-Δz)u‾(x+Δx,y,z),u‾(x-Δx,y,z)u‾(x,y+Δy,z),u‾(x,y-Δy,z)u‾(x+Δx,y+Δy,z),u‾(x+Δx,y-Δy,z)u‾(x-Δx,y+Δy,z),u‾(x-Δx,y-Δy,z)]]>u‾(x+Δx,y,z+Δz),u‾(x-Δx,y,z+Δz)u‾(x,y+Δy,z+Δz),u‾(x,y-Δy,z+Δz)u‾(x+Δx,y+Δy,z+Δz),u‾(x+Δx,y-Δy,z+Δz)u‾(x-Δx,y+Δy,z+Δz),u‾(x-Δx,y-Δy,z+Δz)]]>
u‾(x+Δx,y,z-Δz),u‾(x-Δx,y,z-Δz)u‾(x,y+Δy,z-Δz),u‾(x,y-Δy,z-Δz)u‾(x+Δx,y+Δy,z-Δz),u‾(x+Δx,y-Δy,z-Δz)u‾(x-Δx,y+Δy,z-Δz),u‾(x-Δx,y-Δy,z-Δz)]]>(1+26)个点，可用不同差分格式(最少取6个，18个，多可取27个，图4)由此可得下列速度梯度场(t＝t时刻)∂u‾i∂x‾j=∂u∂x,∂u∂y,∂u∂z∂v∂x,∂v∂y,∂v∂z∂w∂x,∂w∂y,∂w∂z]]>并由此可得下列涡量向量场，正应力向量场，剪切应力向量场ωi(x,t)sij(x,t)ωx=(∂w∂y-∂v∂z),ωy=(∂u∂z-∂w∂x),ωz=(∂v∂x-∂u∂y)sxx=∂u∂x,syy=∂v∂y,szz=∂w∂zsxy=12(∂u∂y+∂v∂x),syz=12(∂v∂z+∂w∂y),sxy=12(∂w∂x+∂u∂z)]]>由此亦可得下列加速度向量场du‾dt=∂u‾∂t+∂u‾∂x+∂u‾∂y+∂u‾∂z]]>此外，本三切面体视粒子图象测速系统(3P-SPIV)，采用相关函数场测量时序控制(不同于涡量、应力向量场测量时序图，图2所示)，如图5所示，可取得下列关键相关物理量向量场拟熵向量场Q(x，t)ωii，拟熵积向量场QP(x，t)ωisijωj和能量耗散率向量场ε＝2vsijsij。
权利要求
1.一种三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，该系统包括三套脉冲激光器组，用于输出有不同光波波长的光束；由三套脉冲激光器组形成三个相邻的片光(LS)；设置在三套脉冲激光器组光束输出端的、位于流动观测实验区(F)周围的三套体视跨帧CCD数字相机，用于同时分别采集三个切面的粒子图像，分别对三个片光面记录粒子移动的时间序列的图像，分别可测得三个片光面的瞬时速度向量场；与体视跨帧CCD数字相机相连的微处理机(E)，用于将记录的图像数据可直接传输进入内存，该微处理机中集成软件包括整个控制软件系统，且具备有关图像和数据处理功能，完成多种运算、图形显示，图像经由常规SPIV的互相关算法等计算，取得速度场数据，并由专用软件求得有关涡量向量场，应力向量场。
2.根据权利要求1所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，为了保证激光器组发出的光束脉冲与体视跨帧CCD数字相机记录同步，既保证记录三个切面粒子图像的瞬时性，又保证三个切面测量的速度场的同时性，在该三套激光器组的控制端连接一同步延时器(D)，该三套脉冲激光器组均由同步延时器进行同步控制，其延时精度在0.5纳秒左右。
3.根据权利要求1所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，因为采用不同的脉冲激光器组，其发出的光波长不同，进一步，在每台体视跨帧CCD数字相机之前设置一单通光滤波透镜，用于保证分别取得三个切面的粒子图像的瞬时互不干扰。
4.根据权利要求3所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，该单通光滤波透镜的可通光波波长范围为λ＝±2nm。
5.根据权利要求1所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，该三套激光器组包括一套为常规PIV采用的YAG脉冲激光器，其波长为λ0＝532nm，而另二套均为脉冲燃料激光器组，其波长分别为λ1≅580nm,]]>λ2≅482nm.]]>
6.根据权利要求1或4所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，每一套脉冲激光器组包括两台脉冲激光器，两个激光脉冲器的延时由同步延时器(D)控制，激光脉冲重复频率为30HZ；每套体视跨帧CCD数字相机也包括两台体视跨帧CCD数字相机。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，该体视跨帧CCD数字相机的像素1k×2k，频率30Hz，型号ES-2093。
8.根据权利要求6所述的三切面体视粒子图像测速系统，其特征在于，该体视跨帧CCD数字相机的像素1k×2k，频率30Hz，型号ES-2093。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的三切面体视粒子图像测速系统，每套脉冲激光器组均包括两台脉冲激光器，其两个激光脉冲间的延时由同步延时器(D)控制，改变时间延迟可适应测量不同速度，脉冲激光器的重复频率为30HZ。
全文摘要
一种三切面体视粒子图像测速系统，该系统包括三套脉冲激光器组，用于输出有不同光波波长的光束；由三套脉冲激光器组形成三个相邻的片光LS；设置在三套脉冲激光器组光束输出端的三套体视跨帧CCD数字相机，用于同时分别采集三个切面的粒子图像，分别对三个片光切面记录粒子移动的时间序列的图像，分别可测得三个片光面的瞬时速度向量场；与体视跨帧CCD数字相机相连的微处理机，用于将记录的图像数据可直接传输进入内存，该微处理机中集成软件包括整个控制软件系统，且具备有关图像和数据处理功能，完成多种运算、图形显示，图像经由常规SPIV的互相关算法等计算，取得速度向量场数据，并由专用软件求得有关涡量向量场，应力向量场。
文档编号G01P5/20GK1912630SQ200510090069
公开日2007年2月14日 申请日期2005年8月11日 优先权日2005年8月11日
发明者申功炘 申请人:北京航空航天大学