基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统及方法与流程

本申请涉及流体力学，特别是涉及一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统及方法。

背景技术：

1、在流体力学研究、环境监测和工程应用领域，流场的可视化测量对于深入理解流体分布、速度分布等流动特性具有重要意义。目前的流场可视化方法主要分为两类，一类是示踪粒子法，通过在流体中加入微小颗粒、气泡或液滴作为示踪粒子，然后借助光的反射或散射来观察示踪粒子在流动中的扩散和变化以可视化流体流动，代表方法为烟雾法、染料示踪法、激光诱导荧光法、粒子图像测速法等。另一类是光学显示法，利用光线的偏折变化引起的明暗变化来可视化流体的流动，代表方法为纹影法等。

2、烟雾法是将烟雾引入流体中，烟雾颗粒或小液滴会被流体带动，形成可见的烟雾流动轨迹以烟雾的流动来反映流体流动分布。染料示踪法通过将有色染料注入待测流体中，通过光学设备观察染料在流动中扩散和传输形成可见的色彩变化。激光诱导荧光法是通过向流体中注入荧光标记的示踪粒子，利用激光激发示踪粒子并检测其发射的荧光信号实现对流场的可视化。粒子图像测速法通过在流场中注入微小颗粒，分析颗粒在图像中的位移计算出流体在不同位置的速度矢量。纹影法利用光的折射显示出流动的密度梯度来实现流动的可视化。

3、而示踪粒子法由于光源强度、光源发散方式、光学设备的有效拍摄范围的限制不适用于进行大规模的流场可视化测量。纹影法由于抛物面反光镜的加工尺寸限制也不适用于大规模的流场可视化测量。示踪粒子法均基于可见光波段，需要所观察的区域在光学设备或视觉观察的观测范围内才能够清楚地分辨出示踪颗粒，限制了在大规模流场可视化的应用。纹影法则需要待测量的流场区域需要在抛物面反光镜的光路内，因此流场区域的大小不会大于抛物面反光镜的大小，不适用于大规模的流场可视化测量。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现大规模、远距离流场测量的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统及方法。

2、第一方面，本申请提供了一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统。所述系统包括红外摄像模块、红外吸收性气体释放模块、红外辐射模块以及图像处理模块，所述红外摄像模块与所述红外辐射模块之间为待测气体流场，

3、所述红外吸收性气体释放模块用于释放红外吸收性气体至所述待测气体流场中；

4、所述红外辐射模块用于产生强度均一稳定的红外辐射穿过所述待测气体流场的目标区域；所述红外辐射的辐射面积大于设定阈值；

5、所述红外摄像模块用于连续采集得到至少两张所述待测气体流场中目标区域的流场可视化图像；

6、所述图像处理模块用于对采集到的至少两张所述流场可视化图像进行图像处理，确定所述红外辐射的强度变化，并基于所述强度变化得到所述目标区域的气体流场数据。

7、在其中一个实施例中，所述红外吸收性气体释放模块包括第一气罐，所述第一气罐中存储有红外吸收性气体，放置在所述待测气体流场中所述目标区域内。

8、在其中一个实施例中，所述红外吸收性气体释放模块根据所述目标区域的测量范围和预测气流方向，调整所述第一气罐中红外吸收性气体的释放速度和释放方向。

9、在其中一个实施例中，所述红外吸收性气体释放模块包括第二气罐、风机以及混合管道，所述第二气罐中存储有红外吸收性气体，所述混合管道包括第一气体入口、第二气体入口以及混合流动出口，

10、所述第一气体入口连接所述第二气罐的气体释放出口，所述第二气体入口连接所述风机；所述混合流动出口放置于所述待测气体流场的源头。

11、在其中一个实施例中，所述红外吸收性气体释放模块根据所述风机的风量控制所释放红外吸收性气体的流量，保持所述混合管道中所述红外吸收性气体的浓度大于设定阈值。

12、在其中一个实施例中，所述红外吸收性气体包括以下任一种气体：二氧化碳、甲烷、一氧化碳以及二氧化硫。

13、在其中一个实施例中，当所述红外吸收性气体为二氧化碳时，所述红外摄像模块的采集波段为3-5um；当所述红外吸收性气体为甲烷时，所述红外摄像模块的采集波段为6-9um；当所述红外吸收性气体为一氧化碳时，所述红外摄像模块的采集波段为4-5um；当所述红外吸收性气体为二氧化硫时，所述红外摄像模块的采集波段为7-8um。

14、在其中一个实施例中，所述图像处理模块用于对至少两张所述流场可视化图像进行灰度变化或色彩变化，并基于灰度变化或色彩变化后的至少两张所述流场可视化图像，确定所述待测气体流场中目标区域的气体流动速度和气体流动方向。

15、在其中一个实施例中，所述至少两张流场可视化图像中包括至少一张所述红外吸收性气体释放前的流场可视化图像。

16、第二方面，本申请还提供了一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量方法，应用于上述第一方面的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，所述系统包括红外摄像模块、红外吸收性气体释放模块、红外辐射模块以及图像处理模块，所述方法包括：

17、控制所述红外吸收性气体释放模块释放红外吸收性气体至待测气体流场中；

18、控制所述红外辐射模块产生强度均一稳定的红外辐射穿过所述待测气体流场的目标区域；所述红外辐射的辐射面积大于设定阈值；

19、控制所述红外摄像模块连续采集得到至少两张所述待测气体流场中目标区域的流场可视化图像；

20、控制所述图像处理模块对采集到的至少两张所述流场可视化图像进行图像处理，确定所述红外辐射的强度变化，并基于所述强度变化得到所述目标区域的气体流场数据。

21、上述基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统及方法，通过红外吸收性气体释放模块释放红外吸收性气体至所述待测气体流场中，利用红外辐射模块产生强度均一稳定的红外辐射穿过所述待测气体流场的目标区域；所述红外辐射的辐射面积大于设定阈值；利用背景物体自身发出的红外辐射，作为背景光源，实现了大规模的流场可视化检测，并且利用红外摄像模块连续采集得到至少两张所述待测气体流场中目标区域的流场可视化图像；图像处理模块对采集到的至少两张所述流场可视化图像进行图像处理，确定所述红外辐射的强度变化，并基于所述强度变化得到所述目标区域的气体流场数据，实现了高分辨率的可视化流场测量，提高了流场可视化测量的效率。

技术特征：

1.一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述系统包括红外摄像模块、红外吸收性气体释放模块、红外辐射模块以及图像处理模块，所述红外摄像模块与所述红外辐射模块之间为待测气体流场，

2.根据权利要求1所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述红外吸收性气体释放模块包括第一气罐，所述第一气罐中存储有红外吸收性气体，放置在所述待测气体流场中所述目标区域内。

3.根据权利要求2所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述红外吸收性气体释放模块根据所述目标区域的测量范围和预测气流方向，调整所述第一气罐中红外吸收性气体的释放速度和释放方向。

4.根据权利要求1所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述红外吸收性气体释放模块包括第二气罐、风机以及混合管道，所述第二气罐中存储有红外吸收性气体，所述混合管道包括第一气体入口、第二气体入口以及混合流动出口，

5.根据权利要求4所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述红外吸收性气体释放模块根据所述风机的风量控制所释放红外吸收性气体的流量，保持所述混合管道中所述红外吸收性气体的浓度大于设定阈值。

6.根据权利要求1所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述红外吸收性气体包括以下任一种气体：二氧化碳、甲烷、一氧化碳以及二氧化硫。

7.根据权利要求6所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述图像处理模块用于对至少两张所述流场可视化图像进行灰度变化或色彩变化，并基于灰度变化或色彩变化后的至少两张所述流场可视化图像，确定所述待测气体流场中目标区域的气体流动速度和气体流动方向。

9.根据权利要求1所述的基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，其特征在于，所述至少两张流场可视化图像中包括至少一张所述红外吸收性气体释放前的流场可视化图像。

10.一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量方法，应用于基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统，所述系统包括红外摄像模块、红外吸收性气体释放模块、红外辐射模块以及图像处理模块，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本申请涉及一种基于红外吸收热成像的流场可视化测量系统及方法，所述系统包括红外吸收性气体释放模块释放红外吸收性气体至待测气体流场中；红外辐射模块产生强度均一稳定的红外辐射穿过待测气体流场的目标区域；所述红外辐射的辐射面积大于设定阈值；红外摄像模块连续采集得到至少两张待测气体流场中目标区域的流场可视化图像；图像处理模块对采集到的至少两张流场可视化图像进行图像处理，确定红外辐射的强度变化，并基于强度变化得到目标区域的气体流场数据；本申请采用红外吸收性气体作为流动示踪气体，利用红外辐射穿过待测量区域，通过捕捉流动区域与非流动区域的背景红外辐射强度变化，实现了大规模、远距离、高分辨率的可视化流场测量。

技术研发人员：刘向宏
受保护的技术使用者：刘向宏
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1