专利名称：一种测量流场速度的方法
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〔P1V)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。
P工V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、同歩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査询区域速度，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査询区域，以査询区 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，同样划分査询区域，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己定，速 度矢量即可求得，计算所有査询区域从而获得整个流场的速度信息。
4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？、两相机快门开启持续吋间71 、两束激光片光脉冲的间
隔时间Af 、激光光路与两个相机光轴的夹角即拍摄角度《和《以及决定激光片光脉冲光强/的 激光器输出功率i5。
(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査询区域根据流场粒子密集程度以及测量分辨率等的要求
调整并设定査询区域划分的大小，对主粒子图像和辅助粒子图像分别划分査询区域。
(6) 获得单个查询区域的一组互相关峰值信息将主粒子图像中的单个查询区域与辅助粒 子图像作两次二维快速傅立叶变换(FFT)，变换结果即为该查询区域对应的一组互相关峰值信息。
(7) 获得粒子像点替换后粒子图像上相应查询区域的另一组互相关峰值信息对几何校正
后两粒子图像作边缘检测，区分出粒子图像上各粒子像点，计算粒子像点位置后，以相同大小
和相同灰度粒子像点替代，以与(6)中所述的相同大小划分查询区域，将替换后主粒子图像上 与(6)中所述对应的查询区域与替换后的辅助粒子图像作两次二维快速傅立叶变换，得到查询
区域对应的另一组互相关峰值信息。
(8) 获得最佳峰值将(6)和(7)中获得的两组互相关峰值作叠加比较，选择最高或者
次高峰值作为最佳峰值。
(9) 根据最佳峰值得到査询区域速度矢量最佳峰值的位置即为该查询区域的相对像素位移量，由相机放大倍率得到实际位移量(即;c方向的位移量w和j;方向的位移量")，结合两束 激光片光脉冲的间隔时间"，根据二维速度计算公式v^^2+"2得到査询区域速度大小(其
中，v为查询区域平均速度)，速度方向由主粒子图像和辅助粒子图像的先后曝光顺序确定。
(10)获得整个流场的速度信息计算主粒子图像上各查询区域的速度矢量，统计分析得 到整个流场的速度信息。
进一步，还可包括(11)输出速度信息图像将获得的整个流场速度信息以图像形式显示 在计算机屏幕上，或由打印机打印输出。
本发明的有益效果本发明利用先后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个普通相机对应激光片光脉冲先后曝光记录流场两次曝光的粒子图像，相 对传统互相关技术而言，对相机的性能和控制要求降低；通过原始粒子图像和替代后粒子图像 的两组互相关峰值信息叠加比较得到最佳峰值的方式计算查询区域速度矢量，解决了对应两次 照明的激光片光脉冲光强波动的问题，克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显 著进步。
图1是本发明一种实施例的流场的情况示意图。
具体实施例方式
以下结合在水槽流场中添加示踪粒子测量水槽水流速度信息的实施例和附图对本发明的技 术方案作进一步详细描述
1. 由于水槽流场的流速较慢、流场内添加的示踪粒子较大且比较稀疏，测量分辨率要求不 高，因而设定用于照明的两束激光片光脉冲的宽度即两相机曝光时间f = 5;m ,两相机快门开启 持续时间7 = 10,、激光片光脉冲间隔时间为& = 100 ^ ，激光光路与两个相机光轴的夹角即
拍摄角度分别为《=90°和《=60° ,激光片光脉冲光强/由激光器输出功率P决定，设定 NlOOmff 。
2. 配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统先后发射两束脉冲宽度为f = 5W>y的激光片光 脉冲照明水槽流场，拍摄角度分别为《=90°和《=60°的两相机对应激光片光脉冲先后曝光， 获得水槽流场的两幅粒子图像，即主相机获得第一束激光片光脉冲对应的流场粒子图像(主粒子图像)，辅助相机获得第二束激光片光脉冲对应的流场粒子图像(辅助粒子图像)，输入计算 机作为待处理粒子图像。
3. 由于流场内示踪粒子较大且比较稀疏，测量分辨率要求较低，因而对粒子图像仅采取背 景噪声和单点噪声降噪处理，以改善图像质量。
4. 两相机的拍摄角度分别为《=卯°和《=60° ，根据两角度的几何对应关系，配合5对控
制点几何线性变换辅助粒子图像，获得与主粒子图像的拍摄区域和放大倍率相同的粒子图像。
5. 由于水槽流场内示踪粒子比较稀疏，测量分辨率要求较低，所以设定查询区域划分大小 为64X64像素，对主粒子图像和辅助粒子图像分别划分査询区域。
6. 选取主粒子图像上的单个查询区域，与辅助粒子图像作两次二维快速傅立叶变换，获得 该查询区域的一组互相关峰值信息。
7. 根据试验具体情况采用改进的微分算子对几何校正后的主粒子图像和辅助粒子图像作 边缘检测，区分两幅粒子图像上各个粒子像点并计算相应位置，用大小为3X3像素且各像素灰 度为255的粒子像点替换相应位置的原粒子像点，得到替换后的主粒子图像和辅助粒子图像， 在替代后的主粒子图像上选取与(6)中所述对应的査询区域，与替换后的辅助粒子图像作两次 二维快速傅立叶变换，得到另一组互相关峰值信息。
8. 将(6)和(7)中获得的两组互相关峰值叠加比较，根据峰值具体信息选择最高或者次 高峰值作为最佳峰值。
9. 由最佳峰值位置得到查询区域相对像素位移，根据相机放大倍率计算查询区域实际位移 量，结合激光片光脉冲间隔时间Af二100w"根据二维速度计算公式v-^5Z得到查询区域
速度大小(其中，v为查询区域平均速度，w为x方向的位移量，"为j方向的位移量)，速度
方向由主粒子图像和辅助粒子图像的先后曝光顺序确定。
10. 计算主粒子图像上各查询区域速度矢量，加以综合分析得到整个流场的速度信息。
11. 将获得的整个流场速度信息以图像形式显示在计算机屏幕上，或由打印机打印输出。 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本
领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到 其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员 根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种测量流场速度的方法，其特征在于使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统拍摄流场粒子图像，并利用粒子图像互相关技术来测量流场速度。
2. 根据权利要求1所述的测量流场速度的方法，其特征在于利用配备双 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片光脉冲先后曝光，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，以査询区域为单位对两 粒子图像做互相关运算，获得单个査询区域的一组互相关峰值信息，对几何校正 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査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，峰值位置即为该査询区域的相对位移 量，相机放大倍率和两次曝光时间间隔己定，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。
3. 根据权利要求1所述的测量流场速度的方法，其特征在于包括(1) 根据待测流场的流速快慢、流场内粒子的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L两相机快门开启持续时间r、两束激光片光脉冲间隔时间M、激光光路与 两个相机光轴的夹角即拍摄角度《和《，以及决定激光片光脉冲光强/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) 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) 由于两个相机拍摄角度不同，因此拍摄区域和图像放大倍率也不相同， 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) 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査询区域 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；(6) 将主粒子图像中的单个查询区域与辅助粒子图像作两次二维快速傅立 叶变换(FFT),变换结果即为该査询区域对应的一组互相关峰值信息；(7) 对几何校正后两粒子图像作边缘检测，区分出粒子图像上各粒子像点 并计算相应位置，以相同大小和相同灰度粒子像点替代，以与(6)中所述相同 的大小划分查询区域，将替换后主粒子图像上与(6)中所述相对应的查询区域 与替换后辅助粒子图像作两次二维快速傅立叶变换，得到查询区域对应的另一组 互相关峰值信息；(8) 将(6)和(7)中获得的两组互相关峰值作叠加比较，根据峰值具体 信息选择最高或者次高峰值作为最佳峰值；(9) 由最佳峰值位置得到查询区域相对像素位移，根据相机放大倍率计算 查询区域实际位移量，结合激光片光脉冲间隔时间A"根据二维速度计算公式v = a/w2+"2得到查询区域速度大小(其中，v为查询区域平均速度，^为；方向的位移量，n为^方向的位移量)，速度方向由主粒子图像和辅助粒子图像的 先后曝光顺序确定；(10) 计算主粒子图像上各查询区域速度矢量，加以综合分析得到整个流场 的速度信息。
4.根据权利要求3所述的测量流场速度的方法，其特征在于还包括将获得的整个流场速度信息以图像形式显示在计算机屏幕上，或由打印机打印输 出。
全文摘要
双相机互相关测量流场速度的方法，属于速度光学测量技术领域，本方法利用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统获得两幅流场先后两次曝光分别在两个不同拍摄角度的相机上形成的粒子图像，经数字图像处理技术预处理和几何校正后，计算以划分的查询区域为单位的一组互相关峰值，以特定粒子像点替代校正后粒子图像上各粒子像点，划分查询区域并计算另一组互相关峰值，根据两组峰值叠加比较得到的最佳峰值获得查询区域相对位移，速度方向由曝光顺序决定，综合所有查询区域速度矢量得到整个流场速度信息，本方法对相机的性能和控制要求降低，不存在对激光光强稳定性的要求，克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显著进步。
文档编号G01C11/00GK101295023SQ200710040309
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月29日 优先权日2007年4月29日
发明者吴志军, 李治龙, 李理光, 田志松, 黄成杰 申请人:同济大学