基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统

本实用新型涉及流场可视化技术领域，特别在于涉及一种基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统。

背景技术：

湍流、涡旋等这些复杂的非定常流动现象，一直是流体性质研究的难题和重点，由于流体运动中的受力复杂，难以像刚体一样根据受力状态推算出其运动的趋势，但通过前人多年的研究，已经对液态流体的流动有了一定的研究成果，得到了许多针对不可压缩流体的计算方法，但对于运动形态更加不稳定因此难以观测的气体，依然没有系统的理论和计算方式，因此，研究可靠的气态流场的测量方法仍然具有非常重要的意义。

传统的高速气态流场测量常用的测量装置主要包括以下几种：

多普勒激光测速仪：利用光的偏振原理进行测量(光波属于电磁波，是一种横波，光波的振动方向对于传播方向的不对称性称为光的偏振)，优点是测量范围广、精度较高，可实现对大范围运动的气态流场的三维测速，但是仪器巨大、运输困难，并且实现的方法和原理复杂、成本相当昂贵，实际上很难推广使用。

热线、热膜式空气流量计：此仪器是一种输出模拟信号的传感器，利用的是空气流速不同时导致输出电压的变化来测量流速，虽然价格低廉，但是由于需要直接接触流场，对流场进行直接测量，容易干扰流场并产生明显误差，并且求出的流场信息不完整，得到的速度场为标量场，只能测得线性范围的速度场。

纹影仪：通过纹影法，构造纹影光路，根据光通过密度不同的流体会发生折射的原理，测量流场中的位移，由于购买凹面镜等精密光学仪器的成本高昂，纹影法计算位移非常复杂，容易出现误差，虽灵敏度高，肉眼可清晰看到流场的密度变化，但是也极易受到温度、湿度等外界环境因素的干扰，对实验场所有要求。

piv仪：利用的是数字粒子成像的技术，piv仪具有使用方便，精度较高的优点，但piv仪价格并不便宜，且市面上普通的piv仪功能有限，不能获得整个流场的数据。

技术实现要素：

基于以上背景，有必要提供一种成本低、精度较高的基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统。

一种基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统，包括脉冲电源、片光发生器、水雾发生器、环形相机支架和相机；

所述脉冲电源连接所述片光发生器，用于为所述片光发生器提供脉冲电流；

所述水雾发生器用于生成细水雾，以形成待测流场；

所述片光发生器用于发射片状激光，所述片状激光的光路经过所述待测流场；

所述相机与所述环形相机支架滑动连接，所述相机可用于转动拍摄，以接收不同角度的所述片状激光。

在其中一个实施例中，所述片状激光包括红色片状激光和绿色片状激光。

在其中一个实施例中，所述相机包括ccd摄相机。

在其中一个实施例中，所述系统还包括遮光片，所述遮光片设置在所述片光发生器的激光发射口处，用于遮蔽所述片状激光，或开启所述片状激光。

在其中一个实施例中，所述系统还包括同步时间控制器和数据处理系统，所述同步时间控制器分别连接所述片光发生器、所述相机和所述数据处理系统，所述同步时间控制器用于控制所述片状激光的发射时间、所述相机的快门打开时间，使所述发射时间和所述快门打开时间保持同步，所述数据处理系统用于采集所述相机的图像信息。

上述基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统采用环形相机支架可实现相机的旋转拍摄，成本低，精度高，并且可获得多角度的流场信息。

附图说明

图1为第一个实施例中的基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统的结构示意图；

图2为一个实施例中的基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统的立体结构示意图；

图3为第二个实施例中的基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统的结构示意图；

图4为一个实施例中的片光发生器和相机的工作顺序及时间间隔的坐标示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平”的、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1和图2所示，一种基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统，包括脉冲电源100、片光发生器200、水雾发生器300、环形相机支架400和相机500。其中，脉冲电源100连接片光发生器200，用于为片光发生器200提供脉冲电流；水雾发生器300用于生成细水雾，以形成待测流场；片光发生器200用于发射片状激光，片状激光的光路经过待测流场；相机500与环形相机支架400滑动连接，相机500可用于转动拍摄，以接收不同角度的片状激光。

本实施例中，通过改变脉冲电源100输出的脉冲电流来控制片光发生器200反复发出不同频率的片状激光，以实现通过一次拍摄获得更多的流场信息。此外，通过相机500在环形相机支架400上的滑动，实现转动拍摄，从而获取多角度的流场信息。

具体地，环形相机支架400上标有角度刻度，可通过激光照射到环形相机支架400的读数计算获得相机500所在的刻度，以辅助相机500根据片状激光位置在环形相机支架400旋转平面内绕圆心进行角度调整。

在一个实施例中，如图1和图2所示，环形相机支架400包括环形轨道，相机500可沿环形轨道滑动，并通过固定螺栓固定在环形轨道上。例如，相机500可以在环形轨道上移动拍摄，并在相机500高度调整完成后进行固定，防止下落。

在一个实施例中，片状激光包括红色片状激光和绿色片状激光。

本实施例中，片光发生器200发射的红色片状激光和绿色片状激光由脉冲电源100控制，通过改变脉冲电源100的脉冲电流方向可以控制片光发生器200反复发出不同色光，例如红色片状激光和绿色片状激光。可以理解地，通过脉冲控制红色片状激光和绿色片状激光的双色光频闪，可以实现在一次拍摄中得到更多的流场信息。

在一个实施例中，相机500包括ccd摄相机。

本实施例中，相机500拍摄是通过在某一周期内对感知到的图像进行曝光。以100帧的相机为例，在每拍摄一幅图像所需的1/100s内可以在不同的时间段内射入1/1000s红色光，然后关闭红光，马上开启1/1000s绿色光，而计算机能够识别拍摄的1/100s内图像r通道和g通道内的像素值(其中r通道为红光通道，g通道为绿光通道)，若将同一帧图像内的r通道、g通道的图像提取，再进行均衡化处理，就能得到两幅流场在两个相距1/1000s的瞬时拍摄到的图像。

在一个实施例中，基于双色脉冲激光扫描的气流可视化分析系统还包括遮光片。该遮光片设置在片光发生器200的激光发射口处，用于遮蔽片状激光，或开启片状激光。

本实施例中，可将片光发生器200的开启和关闭的方案，更换为片光发生器200的双色光同时持续开启，添加微型遮光板以隔断片光发生器200发出的双色激光光路，但仍保持双色片状激光的平行和间距较小，而利用微型电机控制小型遮光片周期阻断双色片状激光出光口的方案，能够改善片光发生器200反复开关所造成的工作不稳定问题。具体地，该遮光片可以通过旋转以改变激光照射平面和水平面夹角的大小，以照射不同角度的流场切面。

在一个实施例中，如图3所示，基于双色脉冲激光扫描的气流可视化分析系统还包括同步时间控制器600和数据处理系统700。其中，同步时间控制器600分别连接片光发生器200、相机500和数据处理系统700；该同步时间控制器600用于控制片状激光的发射时间、相机的快门打开时间，使发射时间和快门打开时间保持同步；数据处理系统700用于采集相机的图像信息。

本实施例中，同步时间控制器600的功能是控制片光发生器200发射片状激光、相机500快门打开的时间，使其保持同步。片光发生器200、相机500的工作顺序及时间间隔如图4所示。图中，1s表示相机的预热时间，1/100s表示相机每拍摄一幅图像的时间，+5v表示片光发生器200发射红色片状激光，-5v表示片光发生器200发射绿色片状激光。其中，片光发生器200发射红色片状激光和发射绿色片状激光的持续时间均为1/1000s。首先，同步时间控制器600给片光发生器200激发信号使其产生片状激光，但片光发生器200内部开关没有打开。然后给相机500触发信号，该信号的作用是打开相机，使相机在一定的时间延迟后开始曝光。接着会向片光发生器200发出信号来控制片光发生器200打开开关。开关的打开会伴随一束片状激光的发出，照射到待测流场，这时已经开启的相机500就会采集到片状激光照射瞬间的图像。相机500采集到高质量的图像后将图像信息发送至数据处理系统700进行后处理，从而得到待测流场的速度场图像。

具体地，数据处理系统700包括计算机。

本实施例中，计算机选取顺序的两帧清晰的图像，将其划分合适的网格，再对所有同一位置的网格内的像素值矩阵进行像素矩阵的互相关计算，估算网格内的位移，再根据相机500的焦距、位置、拍摄的时间间隔等已知信息进行计算，求得待测流场的速度场。可以理解地，计算机通过提取同一张图片中不同光通道的图像信息，再对两组图像的计算，实现了在相机500性能不变的情况下，得到精度更高的速度场数据。

上述系统通过改变脉冲电源100输出的脉冲电流来控制片光发生器200反复发出不同频率的片状激光，以实现通过一次拍摄获得更多的流场信息。此外，通过相机500在环形相机支架400上的滑动，实现转动拍摄，从而获取多角度的流场信息。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。