專利名稱：三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖像測速系統(tǒng)，尤其是指一種三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)。
背景技術：
2003年由國際光學工程學會出版的“流體和固體診斷中的光學技術和圖象處理”(SPIV，5058卷，131-138頁，2003年)論文集發(fā)表的“關于體視粒子圖象測速系統(tǒng)的誤差分析”(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，公布了一種研制的數(shù)字式體視粒子圖象測速系統(tǒng)(DSPIV)，采用二臺跨楨數(shù)字相機，相仿人眼體視原理，按照平移或角移體視布局，對由激光脈沖片光照明的包含有示蹤粒子的流動切面，拍攝紀錄瞬時粒子圖像序列，采用互相關計算、體視標定函數(shù)(物空間X、Y、Z與左右兩數(shù)字相機紀錄圖象上的像平面Xr、Yr、Xl、Yl的映射關系)，計算粒子的位移場，可測得流動中一個切面的瞬時三維(u，v，w)速度向量場(可從幾百點到上萬點)的時間歷程。該文還公布了DSPIV系統(tǒng)中的一種關鍵組件，組合式平移-角移調節(jié)器，將普通數(shù)字跨楨相機改裝為可用于體視測量中。如果不經改裝，左右兩臺相機都無法對一共同觀測區(qū)域取得聚焦清楚的圖象紀錄，無法實現(xiàn)體視PIV的測量。該文最后還分析和估計了各種條件下的測量誤差(切面內測速誤差eu、ev和垂直于切面方向的測速誤差ew)。
顯然“數(shù)字式體視粒子圖象測速系統(tǒng)(DSPIV)”較之“二維粒子圖象測速系統(tǒng)(2DPIV)”有所進步，2DPIV只能測得面內的二維速度向量場(u，v)，不能測得第三維的速度分量(w)。但單套DSPIV系統(tǒng)仍局限于一個流動切面的速度(u，v，w)向量場的測量，尚不能實現(xiàn)流動三維空間(容積，X，Y，Z)的三維(u，v，w)速度向量場的測量，所以，上述現(xiàn)有的全流場測量方法(包括PIV，粒子示蹤測速系統(tǒng)PTV，以及激光誘導熒光測速系統(tǒng)LIFV)，都只限于測一個切面的速度向量場，無法求得瞬時渦量，剪切應力等的空間向量場。
此外，由于現(xiàn)有的三維空間的(如數(shù)字式全息粒子圖象測速系統(tǒng)DHPIV，多相機三維空間粒子示蹤測速系統(tǒng)3DPTV)觀測技術，盡管可以測得三維空間速度向量場u(x，y，z)，但其空間分辨力太低，亦即測點距離較遠(網(wǎng)格太粗)，可得渦量，剪切應力誤差大。
較之已有雙切面的體視粒子圖象測速系統(tǒng)，其存在提供速度向量場數(shù)據(jù)不完整問題，即不能精確求得所有方位(方向的)渦量向量，應力向量場。

發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下一種三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三套脈沖激光器組，用于輸出有不同光波波長的光束；由三套脈沖激光器組形成三個相鄰的片光LS；設置在三套脈沖激光器組光束輸出端的、位于流動觀測實驗區(qū)F周圍的三套體視跨幀CCD數(shù)字相機，用于同時分別采集三個切面的粒子圖像，分別對三個片光面記錄粒子移動的時間序列的圖像，分別可測得三個片光面的瞬時速度場；與體視跨幀CCD數(shù)字相機相連的微處理機E，用于將記錄的圖像數(shù)據(jù)可直接傳輸進入內存，該微處理機中集成軟件包括整個控制軟件系統(tǒng)，且具備有關圖像和數(shù)據(jù)處理功能，完成多種運算、圖形顯示，圖像經由常規(guī)SPIV的互相關算法等計算，取得速度場數(shù)據(jù)，并由專用軟件求得有關渦量場，應力場。
所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，為了保證激光器組發(fā)出的脈沖光束與體視跨幀CCD數(shù)字相機記錄同步，既保證記錄三個切面粒子圖像的瞬時性，又保證三個切面測量的速度場的同時性，在該三套脈沖激光器組的控制端連接一同步延時器D，該三套脈沖激光器組均由同步延時器進行同步控制，其延時精度在0.5ns(納秒)左右。
因為采用不同的脈沖激光器組，其發(fā)出的光波長不同，進一步，在每臺體視跨幀CCD數(shù)字相機之前設置一單通光濾波透鏡，用于保證分別取得三個切面的粒子圖像的瞬時互不干擾。
上述的單通光濾波透鏡的可通光波波長范圍為λ＝±2nm。
上述的三套脈沖激光器組包括一套為常規(guī)PIV采用的YAG脈沖激光器組，其波長為λ0＝532nm，而另二套均為Dyelaser脈沖燃料激光器組，其波長分別為λ1≅580nm,λ2≅482nm.]]>每一套脈沖激光器組包括兩臺脈沖激光器；每套體視跨幀CCD數(shù)字相機也包括兩臺體視跨幀CCD數(shù)字相機。
該體視跨幀CCD數(shù)字相機的像素1k×2k，頻率30Hz，型號ES-2093。
使用本發(fā)明的有益效果在于本系統(tǒng)具有的功能是目前可以試驗的能取得最完整的流場定量測量的結果。本發(fā)明中提供可求瞬時渦量，應力等空間向量場所需的空間速度向量場的測量數(shù)據(jù)u(x±Δx，y±Δy，z±Δz)。本發(fā)明由于采用三片光技術，片光的厚度可以薄(100μ量級)，又可根據(jù)流動需要調整厚度，大大提高速度場的空間分辨力，由此可以取得相當精確的渦量，應力向量場的完整數(shù)據(jù)。特別對于湍流流動，提供一種既可觀測流動結構，又可取得整個一個空間切面的速度、渦量、應力向量場等，及其空間演化的定量測量結果。三切面體視粒子圖像測速技術作為當代最新、最先進的流體測量技術，它體現(xiàn)了流動顯示技術的整體性與瞬時性，能一次測出被測流場中成千上萬個點的速度值，為研究流場的精細結構提供了有效手段。


圖1為本發(fā)明三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)；圖1a為圖1中脈沖激光器的光脈沖形成片光的光路放大示意圖；圖2為本發(fā)明渦量、應力向量場測量時序圖；圖3為本發(fā)明三個緊密相鄰的切面的三個分量速度向量場的立體安排構成示意圖；圖4為本發(fā)明每一個空間點的空間瞬時速度分布場示意圖；
圖5為本發(fā)明相關函數(shù)場測量時序圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施方式
，加以附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
非定常復雜流動(如湍流等)的重要流場特性參數(shù)及其定量數(shù)據(jù)，對了解非定常復雜流動及其工程應用有重要意義。
所謂三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)(Triple planes SPIV system)是一種非定常速度向量場、渦量向量場、應力向量場測量系統(tǒng)。
如圖1所示，為本發(fā)明三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)；由三套體視粒子圖像測速系統(tǒng)(簡稱SPIV)為基本構成，由三套脈沖激光器組(每套脈沖激光器組由兩個脈沖激光器組成)形成三個近鄰的片光，如圖1a所示片光1、片光0、片光2，在流動觀測實驗區(qū)F的周圍設置三套體視跨幀CCD數(shù)字相機組C0、C1、C2，每套體視跨幀CCD數(shù)字相機由兩個跨幀CCD數(shù)字相機組成(其中，圖1中虛線表示相機的拍攝光軸線)，分別對三個片光面記錄粒子移動的時間序列的圖像對，經由常規(guī)SPIV的互相關算法等計算，分別可測得三個片光面的瞬時速度場。
其中三套脈沖激光器組，輸出光束有不同光波波長，第一脈沖激光器組A，為常規(guī)PIV采用的YAG脈沖激光器組，波長為λ0＝532nm，第二脈沖激光器組B和第三脈沖激光器組C均為Dyelaser脈沖燃料激光器組，波長分別為λ1≅580nm,λ2≅482nm.]]>同時三套脈沖激光器組的光脈沖對(兩個時間間隔可由延時器精密控制的激光脈沖)均由同步延時器D(延時精度0.5ns納秒)同步控制，三套脈沖激光器組的光脈沖形成片光如圖所示(LS)，并同步發(fā)光，保證三個切面測量的速度場的同時性。
三套體視數(shù)字跨幀相機組C0-1、C0-2、C1-1、C1-2、C2-1、C2-2(1k×2k像素，30Hz，ES-2093)，同時分別采集三個切面的粒子圖像。因采用不同的激光光波長，并由相應的單通光濾波透鏡(F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，可通光波波長范圍為λ＝±2nm)，保證分別取得三個切面的粒子圖像的瞬時互不干擾。
同步延時器D保證激光光脈沖與跨幀CCD相機記錄同步，既保證記錄三個切面粒子圖像的瞬時性，又保證其同一瞬時(同步)性。其瞬時性誤差在6-8ns內，其同步性誤差在10ns內，見圖2瞬時渦量、應力場測量時序圖。
整個系統(tǒng)由微機控制E，微機為多CPU(至少6個CPU)、內存大于12GB，并由64位總線與數(shù)字相機連接，記錄的圖像數(shù)據(jù)可直接傳輸進入內存。
系統(tǒng)的集成軟件不僅包括整個控制軟件系統(tǒng)，且具備有關圖像和數(shù)據(jù)處理功能，完成多種運算、圖形顯示等。圖像經由常規(guī)SPIV的互相關算法等計算，取得速度場數(shù)據(jù)，并由專用軟件求得有關渦量向量場，應力向量場等。
測速原理基于體視粒子圖像測速的測速原理，如圖3所示，為三個緊密相鄰的切面的三個分量(u，v.w)速度向量場的立體安排構成，判讀位置pij(xijk，yijk，zijk)，i＝1-N，j＝1-M，k＝1-3；判讀元大小ΔxΔy—判讀窗大小(16×16，32×32，64×64象元)；Δz—片光厚度，Δz＝δ；ΔxΔyΔz立方體—判讀元大小(16×16×δ，32×32×δ，64×64×δ象元)；由此，以上系統(tǒng)可同時測量三個緊密相鄰的切面的三個分量(u，v.w)速度向量場。時刻t的三切面速度場為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)]]>或對每一個空間點(x，y，z，t)可得下列26個鄰區(qū)速度向量(空間瞬時速度向量分布場)如圖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)個點，可用不同差分格式(最少取6個，18個，多可取27個，圖4)由此可得下列速度梯度場(t＝t時刻)∂u‾i∂x‾j=∂u∂x,∂u∂y,∂u∂z∂v∂x,∂v∂y,∂v∂z∂w∂x,∂w∂y,∂w∂z]]>并由此可得下列渦量向量場，正應力向量場，剪切應力向量場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場du‾dt=∂u‾∂t+∂u‾∂x+∂u‾∂y+∂u‾∂z]]>此外，本三切面體視粒子圖象測速系統(tǒng)(3P-SPIV)，采用相關函數(shù)場測量時序控制(不同于渦量、應力向量場測量時序圖，圖2所示)，如圖5所示，可取得下列關鍵相關物理量向量場擬熵向量場Q(x，t)ωii，擬熵積向量場QP(x，t)ωisijωj和能量耗散率向量場ε＝2vsijsij。
權利要求
1.一種三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括三套脈沖激光器組，用于輸出有不同光波波長的光束；由三套脈沖激光器組形成三個相鄰的片光(LS)；設置在三套脈沖激光器組光束輸出端的、位于流動觀測實驗區(qū)(F)周圍的三套體視跨幀CCD數(shù)字相機，用于同時分別采集三個切面的粒子圖像，分別對三個片光面記錄粒子移動的時間序列的圖像，分別可測得三個片光面的瞬時速度向量場；與體視跨幀CCD數(shù)字相機相連的微處理機(E)，用于將記錄的圖像數(shù)據(jù)可直接傳輸進入內存，該微處理機中集成軟件包括整個控制軟件系統(tǒng)，且具備有關圖像和數(shù)據(jù)處理功能，完成多種運算、圖形顯示，圖像經由常規(guī)SPIV的互相關算法等計算，取得速度場數(shù)據(jù)，并由專用軟件求得有關渦量向量場，應力向量場。
2.根據(jù)權利要求1所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，為了保證激光器組發(fā)出的光束脈沖與體視跨幀CCD數(shù)字相機記錄同步，既保證記錄三個切面粒子圖像的瞬時性，又保證三個切面測量的速度場的同時性，在該三套激光器組的控制端連接一同步延時器(D)，該三套脈沖激光器組均由同步延時器進行同步控制，其延時精度在0.5納秒左右。
3.根據(jù)權利要求1所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，因為采用不同的脈沖激光器組，其發(fā)出的光波長不同，進一步，在每臺體視跨幀CCD數(shù)字相機之前設置一單通光濾波透鏡，用于保證分別取得三個切面的粒子圖像的瞬時互不干擾。
4.根據(jù)權利要求3所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，該單通光濾波透鏡的可通光波波長范圍為λ＝±2nm。
5.根據(jù)權利要求1所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，該三套激光器組包括一套為常規(guī)PIV采用的YAG脈沖激光器，其波長為λ0＝532nm，而另二套均為脈沖燃料激光器組，其波長分別為λ1≅580nm,]]>λ2≅482nm.]]>
6.根據(jù)權利要求1或4所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，每一套脈沖激光器組包括兩臺脈沖激光器，兩個激光脈沖器的延時由同步延時器(D)控制，激光脈沖重復頻率為30HZ；每套體視跨幀CCD數(shù)字相機也包括兩臺體視跨幀CCD數(shù)字相機。
7.根據(jù)權利要求1至5中任意一項所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，該體視跨幀CCD數(shù)字相機的像素1k×2k，頻率30Hz，型號ES-2093。
8.根據(jù)權利要求6所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于，該體視跨幀CCD數(shù)字相機的像素1k×2k，頻率30Hz，型號ES-2093。
9.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，每套脈沖激光器組均包括兩臺脈沖激光器，其兩個激光脈沖間的延時由同步延時器(D)控制，改變時間延遲可適應測量不同速度，脈沖激光器的重復頻率為30HZ。
全文摘要
一種三切面體視粒子圖像測速系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三套脈沖激光器組，用于輸出有不同光波波長的光束；由三套脈沖激光器組形成三個相鄰的片光LS；設置在三套脈沖激光器組光束輸出端的三套體視跨幀CCD數(shù)字相機，用于同時分別采集三個切面的粒子圖像，分別對三個片光切面記錄粒子移動的時間序列的圖像，分別可測得三個片光面的瞬時速度向量場；與體視跨幀CCD數(shù)字相機相連的微處理機，用于將記錄的圖像數(shù)據(jù)可直接傳輸進入內存，該微處理機中集成軟件包括整個控制軟件系統(tǒng)，且具備有關圖像和數(shù)據(jù)處理功能，完成多種運算、圖形顯示，圖像經由常規(guī)SPIV的互相關算法等計算，取得速度向量場數(shù)據(jù)，并由專用軟件求得有關渦量向量場，應力向量場。
文檔編號G01P5/20GK1912630SQ200510090069
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者申功炘 申請人:北京航空航天大學