一种流场速度测量方法及装置与流程

1.本发明涉及流体非接触测量领域，具体地，一种流场速度测量方法及装置。


背景技术：

2.流体的流动速度是流场中最基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，随着现代航天航空技术以及空气动力学科的迅速发展，超声速、高超声速流场的流速测量需求变得更加迫切，先进的流场速度测量技术能够为实验空气动力学提供可靠的速度测量结果，对国家先进飞行器及武器装备的快速发展、推动空气动力学科不断进步具有十分重要的意义。
3.现有对流场速度的测量技术主要分为以热线风速仪、皮托管为代表的接触测量技术和以粒子图像测速（particleimaging velocimetry，piv）、激光多普勒测速（laserdopplervelocimetry，ldv）为代表的非接触测量技术。接触式测量技术对流场存在一定干扰，且测点有限；基于粒子示踪的激光测速技术则需要向流场中添加示踪粒子，其在高超声速、剪切流等复杂流动中受到限制较多，甚至无法测量。


技术实现要素：

4.为了解决基于粒子示踪的激光测速技术由于需要向流场中添加示踪粒子而在高超声速、剪切流等复杂流动场中难以测量流场速度的问题，本发明提供了一种流场速度测量方法，所述流场速度测量方法包括以下步骤：步骤1：产生激光，使所述激光射向目标区域，在所述目标区域内产生荧光分子团；步骤2：采集若干次所述荧光分子团的图像，获得第一数据，所述第一数据包括第一时间数据和第一位置数据，所述第一时间数据为采集所述第一数据对应的时间；步骤3：根据所述第一数据计算所述目标区域内流场速度。
5.其中，本方法原理为：通过激光使目标区域内固有的分子团（如氮气分子）由基态进入激发态，处于激发态的分子团具有回到基态并发出荧光的倾向，即获得所述荧光分子团；记录不同时间所述荧光分子团的位置，根据所述荧光分子团不同时间的位置进行计算即可获得目标区域内流场速度，避免了传统非接触测量技术中向流场中额外添加示踪粒子而产生的影响。
6.进一步的，由于激光的能量越强，被激发到激发态的分子就越多，产生的荧光强度就越强，便于后续的测量，而飞秒激光具有极高的瞬时功率，经过聚焦后，其光强能达到10
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w/cm2量级，通过飞秒激光激发获得的荧光分子团具有长荧光寿命，因此，所述激光为飞秒激光；同时，飞秒激光具有激光成丝的特性，通过飞秒激光获得的所述荧光分子团相连形成荧光标记线；因此，所述步骤2具体为：采集若干次所述荧光标记线的图像，获得第二数据，所述第二数据包括第二时间数据和第二位置数据，所述第二时间数据为采集所述第二数据对应的时间；
所述步骤3具体为：根据所述第二数据计算所述目标区域内流场速度。
7.进一步的，由于通过飞秒激光获得的荧光分子团相连形成荧光标记线，因此需要对拍摄获得的图像进行匹配，获得荧光分子团的运动轨迹，所述根据所述第二数据计算所述目标区域内流场速度包括以下步骤：对所述第二数据对应的若干第二位置数据进行位置匹配，获得荧光分子团位置数据；根据所述第二数据对应的第二时间数据和所述荧光分子团位置数据进行计算，获得所述荧光分子团运动轨迹；根据所述荧光分子团运动轨迹和所述第二数据对应的第二时间数据计算所述目标区域内流场速度。
8.进一步的，通过多个相机进行图像采集时，由于相机的位置、角度存在固有差异，通过多个相机获得的图像需要进行拼接或匹配才能够进行后续处理，为了降低系统复杂度，并提高流场速度测量的准确性，所述步骤2中通过单个相机采集若干次所述荧光标记线的图像，获得所述第二数据。
9.进一步的，对于复杂的流场，其气流运动轨迹多为曲线，为了更加准确的计算流场速度，通过单个相机和像增强器相结合采集目标区域的图像，通过所述像增强器进行多次曝光，使相机在一次快门时间内采集到的图像包括多个荧光标记线位置，通过所述多个荧光标记线位置进行匹配，能够获得流场中荧光分子团的真实位移轨迹，提高了流场速度测量的精度，因此，所述步骤2中通过单个相机和像增强器采集次所述荧光标记线的图像，获得第三数据，所述第三数据包括第三时间数据、序列位置数据和序列时间数据，其中，所述第三时间数据为采集所述第三数据对应的时间，所述序列时间数据对应所述像增强器曝光的时刻，所述序列位置数据对应所述像增强器曝光时所述荧光标记线的位置；所述步骤3中根据所述第三数据计算所述目标区域内流场速度。
10.进一步的，为了保证所述相机在一次快门时间内采集到的像包括多个荧光标记线位置，需要控制所述单个相机的快门时间和所述像增强器的曝光时间，由于所述单个相机和所述像增强器采集所述目标区域的图像为所述快门时间和所述曝光时间的交集，所述单个相机和所述像增强器采集单次所述荧光标记线的图像包括以下步骤：利用所述像增强器对所述目标区域内的所述荧光分子团连续曝光n次，其中，n为正整数；所述相机于时刻开始对所述荧光标记线进行拍摄，于时刻结束对所述荧光标记线的单次拍摄，获得所述第三数据；其中，所述像增强器对所述荧光分子团第一次曝光对应的时刻为，所述像增强器对所述荧光分子团第n次曝光对应的时刻为，则有。
11.进一步的，由于相机采集到的单个图像中包括多个荧光标记线位置数据，为了准确获得复杂流场中气流的真实位移轨迹，根据真实位移轨迹测算目标区域的流场速度，并通过相机采集到的图像描述目标区域在不同时刻的流场速度变化情况，使流场速度测量结果更加准确，所述根据所述第三数据计算所述目标区域内流场速度包括以下步骤：步骤a：遍历所述第三数据，分别获得所述第三数据对应的序列位置数据并进行位
置匹配，分别获得所述第三数据对应的第二荧光分子团位置数据；步骤b：根据所述第三数据对应的序列时间数据和所述第二荧光分子团位置数据获得所述第三数据对应的荧光分子团运动轨迹；步骤c：根据所述第三数据对应的荧光分子团运动轨迹计算所述第三数据对应的荧光分子团速度数据；步骤d：根据所述荧光分子团速度数据和所述第三数据对应的第三时间数据计算所述目标区域内流场速度。
12.为了实现上述目的，本发明提供了一种流场速度测量装置，所述流场速度测量装置包括激光发生器、像增强器、相机、时序控制器和计算机，其中，所述时序控制器用于控制所述相机、所述像增强器和所述激光发生器，所述流场速度测量装置测量流场速度包括以下步骤：激光发生器产生激光，使所述激光射向目标区域，在所述目标区域内产生荧光分子团；相机和像增强器采集若干次所述荧光分子团的图像，并记录采集所述荧光分子团的图像对应的时间；计算机根据所述相机和像增强器采集的图像和记录的时间计算所述目标区域内流场速度。
13.其中，本装置原理为：激光发生器发出激光，使目标区域内固有的分子团由基态进入激发态，进入激发态的分子团发出荧光获得荧光分子团；相机和像增强器采集若干次所述荧光分子团的图像，并记录对应的时间，通过所述荧光分子团的图像和对应的时间计算所述目标区域的流场速度。
14.进一步的，由于飞秒激光具有能够在瞬间发出巨大功率的特点，通过飞秒激光激发获得的荧光分子团具有长荧光寿命，因此，所述激光发生器为飞秒激光发生器。
15.进一步的，为了使相机能够在同一幅图像中记录不同时刻的多条荧光标记线，所述像增强器曝光i次记录所述荧光分子团的位置数据，i为正整数。
16.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1．通过激光激发目标区域中固有的粒子，获得荧光分子团，避免了传统非接触测量技术中向流场中额外添加示踪粒子而产生的影响，应用范围广泛。
17.2．基于单相机进行图像采集，使流场速度测量系统相对简单，且采集到的图像间位置匹配精度高。
18.3．基于相机和像增强器采集目标区域的图像，在相机进行单次拍摄中记录多条荧光标记线，并对所述多条荧光标记线进行匹配，提取荧光分子团的真实位移轨迹，提高了流场速度测量的精度。
19.4．适用于超声速、高超声速、附面层和剪切流等复杂流动场的流场速度测量。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；图1是本发明中流场速度测量光路示意图；
图2是本发明中拍摄时序示意图；其中，1-目标区域，2-飞秒激光发生器，3-飞秒激光，4-聚焦透镜，5-荧光标记线，6-时序控制器，7-像增强器，8-相机，9-位移轨迹，10-计算机，11-像增强器曝光时间序列，12-相机快门时间序列。
具体实施方式
21.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
23.实施例一请参考图1，本发明实施例一提供了一种流场速度测量方法，所述流场速度测量方法包括以下步骤：步骤1：产生激光，使所述激光射向目标区域，在所述目标区域内产生荧光分子团；步骤2：采集若干次所述荧光分子团的图像，获得第一数据，所述第一数据包括第一时间数据和第一位置数据，所述第一时间数据为采集所述第一数据对应的时间；步骤3：根据所述第一数据计算所述目标区域内流场速度。
24.其中，所述激光在目标区域产生的荧光分子团为所述目标区域内固有的分子受所述激光激发后形成的，具体的，所述固有分子可以为氮气分子或一氧化氮分子等流场中普遍存在的分子，对于不同的固有分子，其受激光激发并发出荧光与其自身的能级结构有关，因此，所述激光波长和所述固有分子的选择根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
25.其中，所述步骤2中采集所述荧光分子团的图像的次数根据实际测量时所述荧光分子团的荧光寿命和采集速度确定，本实施例在此不做具体限定。
26.其中，在本实施例中，所述激光为飞秒激光，所述荧光分子团相连形成荧光标记线；所述步骤2具体为：采集若干次所述荧光标记线的图像，获得第二数据，所述第二数据包括第二时间数据和第二位置数据，所述第二时间数据为采集所述第二数据对应的时间；所述步骤3具体为：根据所述第二数据计算所述目标区域内流场速度。
27.其中，在本实施例中，所述根据所述第二数据计算所述目标区域内流场速度包括以下步骤：对所述第二数据对应的第二位置数据进行位置匹配，获得荧光分子团位置数据；根据所述第二数据对应的第二时间数据和所述荧光分子团位置数据进行计算，获得所述荧光分子团运动轨迹；根据所述荧光分子团运动轨迹和所述第二数据对应的第二时间数据计算所述目标区域内流场速度。
28.其中，对所述第二数据对应的第二位置数据进行位置匹配即将所述荧光标记线还原为相连的荧光分子团，分别获得所述荧光分子团的位置，并根据不同时间的荧光分子团位置数据获得所述荧光分子团运动轨迹，最后根据所述荧光分子团运动轨迹和对应的时间进行计算即可获得所述目标区域内流场速度。
29.具体的，对所述第二位置数据进行位置匹配可以通过dis光流法、pca光流法或fb光流法根据光强、形状、流动连续性等特征确定不同图像间荧光分子团的对应关系，所述位置匹配的具体算法根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
30.其中，在本实施例中，所述步骤2中通过单个相机采集若干次所述荧光标记线的图像，获得所述第二数据。
31.其中，所述相机可以为ccd相机、高光谱相机或cmos相机等，所述相机种类根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
32.实施例二请参考图1-2，本发明实施例二提供了一种流场速度测量方法，在实施例一的基础上，所述步骤2通过单个相机和像增强器采集若干次所述荧光标记线的图像，获得第三数据，所述第三数据包括第三时间数据、序列位置数据和序列时间数据，其中，所述第三时间数据为采集所述第三数据对应的时间，所述序列时间数据对应所述像增强器曝光的时刻，所述序列位置数据对应所述像增强器曝光时所述荧光标记线的位置；所述步骤3根据所述第三数据计算所述目标区域内流场速度。
33.其中，所述相机可以为ccd相机、高光谱相机或cmos相机等，所述相机种类根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
34.其中，所述像增强器可以为真空管式像增强器或固体结构式像增强器，所述像增强器的种类根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
35.其中，请参考图2，在本实施例中，所述单个相机和所述像增强器采集单次所述荧光标记线的图像包括以下步骤：利用所述像增强器对所述目标区域内的所述荧光分子团连续曝光n次，其中，n为正整数；所述相机于时刻开始对所述荧光标记线进行拍摄，于时刻结束对所述荧光标记线的单次拍摄，获得所述第三数据；其中，所述像增强器对所述荧光分子团第一次曝光对应的时刻为，所述像增强器对所述荧光分子团第n次曝光对应的时刻为，则有。
36.其中，所述像增强器对所述目标区域的所述荧光分子团连续曝光次数根据实际使用时流场情况和系统硬件条件确定，在满足上述像增强器曝光时间和相机快门时间的时序关系的前提下，能够获得清晰的荧光标记线为佳，其具体曝光次数本实施例在此不做具体限定。
37.其中，在本实施例中，所述根据所述第三数据计算所述目标区域内流场速度包括以下步骤：步骤a：遍历所述第三数据，分别获得所述第三数据对应的序列位置数据并进行位置匹配，分别获得所述第三数据对应的第二荧光分子团位置数据；
步骤b：根据所述第三数据对应的序列时间数据和所述第二荧光分子团位置数据获得所述第三数据对应的荧光分子团运动轨迹；步骤c：根据所述第三数据对应的荧光分子团运动轨迹计算所述第三数据对应的荧光分子团速度数据；步骤d：根据所述荧光分子团速度数据和所述第三数据对应的第三时间数据计算所述目标区域内流场速度。
38.具体的，所述位置匹配可以通过dis光流法、pca光流法或fb光流法根据光强、形状、流动连续性等特征确定不同图像间荧光分子团的对应关系，所述位置匹配的具体算法根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
39.实施例三请参考图1-2，本发明实施例三提供了一种流场速度测量装置，所述流场速度测量装置包括激光发生器、像增强器、相机、时序控制器和计算机，其中，所述时序控制器用于控制所述相机、所述像增强器和所述激光发生器，所述流场速度测量装置测量流场速度包括以下步骤：激光发生器产生激光，使所述激光射向目标区域，在所述目标区域内产生荧光分子团；相机和像增强器采集若干次所述荧光分子团的图像，并记录采集所述荧光分子团的图像对应的时间；计算机根据所述相机和像增强器采集的图像和记录的时间计算所述目标区域内流场速度。
40.其中，在本实施例中，所述激光发生器为飞秒激光发生器；所述像增强器曝光i次记录所述荧光分子团的位置数据，i为正整数。
41.具体的，请参考图1，所述流场速度测量装置测量流场速度的具体步骤包括：确定目标区域1，将飞秒激光发生器2输出的飞秒激光3经过聚焦透镜4会聚后在所述目标区域1聚焦成一线状细光丝，激发气体分子产生荧光标记线；利用时序控制器6控制像增强器7和相机8，使像增强器7对上述目标区域1进行连续曝光，所述相机8对所述目标区域进行拍摄，使所述像增强器7和所述相机8满足如图2所示的时序关系，获得记录在相机的同一幅图像中的荧光标记线5，并传输至计算机10；根据所述相机采集所述荧光标记线的图像对所述荧光标记线进行位置匹配，获得荧光分子团的位移轨迹9；计算机10根据所述位移轨迹9和所述相机8采集所述荧光分子团图像对应的时间计算所述目标区域内流场速度。
42.其中，所述像增强器的帧频根据流场速度确定，对于100mm
×
100mm的目标区域，为使单张图像中的若干荧光标记线相互能够区分，在单张图像中记录5条荧光标记线，即每条荧光标记线间间隔约为s=20mm，当流场速度较低（约200m/s）时，所述像增强器的曝光时间间隔为t=s
÷
v=10-4
s，其曝光帧频为104fps；当流场速度较高（约v=1000m/s）时，所述像增强器的曝光时间间隔为t=s
÷
v=2
×
10-5
s，其曝光帧频为5
×
104fps。
43.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
44.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。