專利名稱：一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，屬于流動(dòng)測速技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)是一種現(xiàn)代激光測速技術(shù)，主要運(yùn)用于流場速度測量。通過追蹤示蹤粒子在流場中的運(yùn)動(dòng)來得到流場速度場。傳統(tǒng)的PIV技術(shù)使用一個(gè)厚度在1毫米以下的激光片光源來照亮流場中的粒子，通過單個(gè)相機(jī)對(duì)粒子在很短時(shí)間內(nèi)的位置進(jìn)行追蹤，來實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的二維速度場測量(通常用2D2C 來表示)。最新的三維體視PIV技術(shù)，采用厚度為十至幾十毫米厚的激光體光源來照亮流場中的粒子，通過多個(gè)相機(jī)(至少三個(gè))從不同視角對(duì)流場內(nèi)的示蹤粒子進(jìn)行三維定位和追蹤，來實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間內(nèi)的三維速度場的精確測量(通常用3D3C來表示)。這種新的三維體視PIV技術(shù)不僅能測量得到三維空間內(nèi)的三維速度場，而且能得到三維空間內(nèi)完整的速度梯度張量。這使得通過實(shí)驗(yàn)方法研究三維流場內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)成為了可能，因此三維體視PIV 技術(shù)在航空航天、能源、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前的三維體視PIV技術(shù)還處于發(fā)展成熟階段，在應(yīng)用方面還有很多具體的問題需要去解決。其中最為突出的問題是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)比較復(fù)雜。多個(gè)照相機(jī)的架設(shè)和同步控制使得實(shí)驗(yàn)過程變的非常復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)操控要求也非常高，不利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。如果能采用相對(duì)簡單或者集成性較高的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)三維體視PIV技術(shù)，那將對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用起到極大的推動(dòng)作用。本發(fā)明正是基于這種考慮，提出了一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，即建立一個(gè)單相機(jī)實(shí)現(xiàn)三維體視PIV技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過單個(gè)相機(jī)對(duì)三維粒子成像，來進(jìn)行粒子追蹤得到三維空間體內(nèi)的三維速度場，即測量流場1的速度場。這里測量流場1為流體力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的被研究流動(dòng)區(qū)域；以解決三維體視PIV技術(shù)中，多個(gè)照相機(jī)的架設(shè)和同步控制使得實(shí)驗(yàn)過程非常復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)操控要求非常高，不利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用等問題。本發(fā)明一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)(簡稱單相機(jī)三維體視PIV系統(tǒng))， 它包括光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分。其中光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)。1.光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)包括體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部2、激光發(fā)生器3、多棱面特效棱鏡5 (又稱多影鏡)和激光體9 ；該激光發(fā)生器3為本發(fā)明PIV系統(tǒng)的光源，通常為連續(xù)性激光或者雙脈沖激光，本光學(xué)系統(tǒng)采用8瓦綠光半導(dǎo)體連續(xù)激光，波長532納米，輸出直徑為5毫米柱光源，可選用鐳智威公司生產(chǎn)的SM-SEMI-8W型號(hào)。該體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部2為一組透鏡組合，其中包括兩塊焦距為500毫米的凸透鏡、 兩塊焦距分別為-75和-100毫米的凹透鏡和兩塊焦距同為60毫米的平凸柱面鏡。體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部2放置于激光發(fā)生器3的光路上，用以將激光發(fā)生器3射出的激光柱光源擴(kuò)展成有一定厚度的激光體光源9 (厚度通常為十至幾十毫米)。該多棱面特效棱鏡5是實(shí)現(xiàn)單相機(jī)立體成像的關(guān)鍵光學(xué)部件，放置于數(shù)字相機(jī)6 和測量流場1之間的光路上，可選用日本HOYA公司生產(chǎn)的62毫米Multivision 3F棱鏡。2.數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)包括信號(hào)同步器4、數(shù)字相機(jī)6、微型計(jì)算機(jī)7和平面標(biāo)靶8 ；在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，各部件的連接方式為微型計(jì)算機(jī)7和信號(hào)同步器4采用USB數(shù)據(jù)線連接； 數(shù)字相機(jī)6和微型計(jì)算機(jī)7通過圖像采集卡連接；信號(hào)同步器4和數(shù)字相機(jī)6采用BNC信號(hào)線連接；激光發(fā)生器3和型號(hào)同步器4采用BNC信號(hào)線連接。數(shù)據(jù)采樣的控制流程為微型計(jì)算機(jī)7利用圖像采集軟件將控制信號(hào)通過USB數(shù)據(jù)線傳輸?shù)叫盘?hào)同步器4。同步器在接收到控制信號(hào)后，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)字相機(jī)6的曝光和激光發(fā)生器3的激光照射。在數(shù)字相機(jī)6完成曝光數(shù)據(jù)采集后，將粒子成像的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)7并存儲(chǔ)。該信號(hào)同步器4為系統(tǒng)控制器件，可選用8通道MicroPulse 725信號(hào)同步器，主要負(fù)責(zé)控制激光發(fā)生器3和數(shù)字相機(jī)6同步。該數(shù)字相機(jī)6為CXD或者CMOS工業(yè)相機(jī)，可按要求選用；本發(fā)明選用BOBCAT系列相機(jī)ICL-B0620，分辨率為640x480像素，最高采樣頻率為260赫茲，并配置尼康45毫米鏡頭。該微型計(jì)算機(jī)7為通用微型計(jì)算機(jī)，本測試采用惠普Z400工作站，基本配置為 Intel Core2中央處理器，16GB內(nèi)存，ITB硬盤，NVIDIA 420獨(dú)立顯卡，20寸LCD顯示器， WinXP Pro 64位操作系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)7裝有EPIX公司的CamLink接口高速圖像采集卡， 直接連接數(shù)字相機(jī)6接受圖像數(shù)據(jù)并保存。數(shù)字相機(jī)6和微型計(jì)算機(jī)7兩者的控制和圖像采集，通過選用現(xiàn)有的PIV系統(tǒng)軟件MicroVec 3. 3. 1來實(shí)現(xiàn)。該平面標(biāo)靶8為PIV測速用的普通標(biāo)靶，將其固定在千分儀上可實(shí)現(xiàn)體視PIV的體標(biāo)定。該平面標(biāo)靶8用于體標(biāo)定時(shí)放置于測量流場1內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平面標(biāo)靶8在測量流場1 厚度方向上的遍歷移動(dòng)。數(shù)據(jù)采樣的實(shí)施步驟為(1)形成測量流場1，并選定測量區(qū)域；(2)將激光發(fā)生器3、信號(hào)同步器4和微型計(jì)算機(jī)7相連，使得微型計(jì)算機(jī)7能控制激光發(fā)生器3的照射。調(diào)節(jié)激光發(fā)生器3和體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部2，形成體光源并照射測量區(qū)域；(3)連接數(shù)字相機(jī)6、信號(hào)同步器4和微型計(jì)算機(jī)7，使得微型計(jì)算機(jī)7能控制數(shù)字相機(jī)6的曝光；(4)在測量流場1中投放適量示蹤粒子；在數(shù)字相機(jī)6和測量流場1之間放置多棱面特效棱鏡5，配合激光發(fā)生器3的照射，調(diào)節(jié)多棱面特效棱鏡5的位置和數(shù)字相機(jī)6的焦距，使得數(shù)字相機(jī)6上形成清晰的粒子成像；
(5)將固定在千分儀上的平面標(biāo)靶8放入測量流場1的測量區(qū)域完成體標(biāo)定的標(biāo)靶成像；(6)從測量流場1中取出平面標(biāo)靶8后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣。此處數(shù)據(jù)采樣又分以下幾個(gè)步驟a)啟動(dòng)測量流場1，形成流動(dòng)；b)開啟已連接好的激光發(fā)生器3、信號(hào)同步器4、數(shù)字相機(jī)6和微型計(jì)算機(jī)7進(jìn)行流場粒子成像；c)記錄流場內(nèi)粒子成像并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于微型計(jì)算機(jī)7。3.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為本申請(qǐng)人開發(fā)的三維體視PIV數(shù)據(jù)處理軟件，其數(shù)據(jù)處理的方法步驟為(1)對(duì)單相機(jī)形成的標(biāo)靶圖像進(jìn)行分割獲得各個(gè)視角的成圖像，對(duì)成像圖中的標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，完成三維測量體內(nèi)空間坐標(biāo)的標(biāo)定；(2)對(duì)單相機(jī)形成的三維粒子成像圖進(jìn)行分割獲得各個(gè)視角流場粒子成像圖，并對(duì)粒子成像進(jìn)行前處理，識(shí)別二維成像平面內(nèi)的粒子坐標(biāo)；(3)根據(jù)標(biāo)定函數(shù)和各視角的二維成像平面內(nèi)的粒子坐標(biāo)，通過 Levenberg-Marquardt算法求解標(biāo)定函數(shù)來得到三維粒子空間坐標(biāo)，完成流場內(nèi)粒子空間分布的定位；(4)將三維粒子空間分布投影到三維灰度矩陣，實(shí)現(xiàn)三維矩陣內(nèi)的空間灰度分布；(5)利用相鄰兩個(gè)時(shí)間步的三維灰度矩陣進(jìn)行體互相關(guān)的分析，來了解測量體內(nèi)粒子的速度，從而得到三維測量體內(nèi)的速度場；(6)對(duì)速度場進(jìn)行后處理，剔除體互相關(guān)分析失敗得到的壞速度矢量，并對(duì)流場進(jìn)行顯不。其中在步驟5中所述的體互相關(guān)的分析，其公式如下
權(quán)利要求
1.一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于它包括光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分；其中光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)；所述的光學(xué)系統(tǒng)包括體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部(2)、激光發(fā)生器(3)、多棱面特效棱鏡即多影鏡(5)和激光體(9)；該激光發(fā)生器(3)為系統(tǒng)的光源，采用半導(dǎo)體連續(xù)激光；該體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部(2)為一組透鏡組合，放置于激光發(fā)生器(3)的光路上，用以將激光發(fā)生器(3)射出的激光柱光源擴(kuò)展成有預(yù)定厚度的激光體光源(9)；該多棱面特效棱鏡(5)是實(shí)現(xiàn)單相機(jī)立體成像的關(guān)鍵光學(xué)部件，放置于數(shù)字相機(jī)(6)和測量流場(1)之間的光路上；所述的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)包括信號(hào)同步器(4)、數(shù)字相機(jī)(6)、微型計(jì)算機(jī)(7)和平面標(biāo)靶 (8)；各部件的連接方式為微型計(jì)算機(jī)(7)和信號(hào)同步器(4)采用USB數(shù)據(jù)線連接；數(shù)字相機(jī)(6)和微型計(jì)算機(jī)(7)通過圖像采集卡連接；信號(hào)同步器⑷和數(shù)字相機(jī)(6)采用BNC 信號(hào)線連接；激光發(fā)生器(3)和型號(hào)同步器(4)采用BNC信號(hào)線連接；該數(shù)據(jù)采樣的控制流程為微型計(jì)算機(jī)(7)利用圖像采集軟件將控制信號(hào)通過USB數(shù)據(jù)線傳輸?shù)叫盘?hào)同步器 (4)；同步器在接收到控制信號(hào)后，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)字相機(jī)(6)的曝光和激光發(fā)生器(3)的激光照射；在數(shù)字相機(jī)(6)完成曝光數(shù)據(jù)采集后，將粒子成像的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)(7)并存儲(chǔ)；該信號(hào)同步器(4)為系統(tǒng)控制器件，選用8通道MicroPulse 725信號(hào)同步器，負(fù)責(zé)控制激光發(fā)生器⑶和數(shù)字相機(jī)(6)同步；該數(shù)字相機(jī)(6)為CCD或者CMOS工業(yè)相機(jī)， 按要求選用；該微型計(jì)算機(jī)(7)為通用微型計(jì)算機(jī)，裝有高速圖像采集卡，直接連接數(shù)字相機(jī)(6)接受圖像數(shù)據(jù)并保存；兩者的控制和圖像采集，通過選用現(xiàn)有的PIV系統(tǒng)軟件 MicroVec3. 3. 1來實(shí)現(xiàn)；該平面標(biāo)靶(8)為PIV測速用的普通標(biāo)靶，將其固定在千分儀上以實(shí)現(xiàn)體視PIV的體標(biāo)定；該平面標(biāo)靶(8)用于體標(biāo)定時(shí)放置于測量流場(1)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平面標(biāo)靶(8)在測量流場(1)厚度方向上的遍歷移動(dòng)；所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)處理的方法步驟為(1)對(duì)單相機(jī)形成的標(biāo)靶圖像進(jìn)行分割獲得各個(gè)視角的成圖像，對(duì)成像圖中的標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，完成三維測量體內(nèi)空間坐標(biāo)的標(biāo)定；(2)對(duì)單相機(jī)形成的三維粒子成像圖進(jìn)行分割獲得各個(gè)視角流場粒子成像圖，并對(duì)粒子成像進(jìn)行前處理，識(shí)別二維成像平面內(nèi)的粒子坐標(biāo)；(3)根據(jù)標(biāo)定函數(shù)和各視角的二維成像平面內(nèi)的粒子坐標(biāo)，通過 Levenberg-Marquardt算法求解標(biāo)定函數(shù)來得到三維粒子空間坐標(biāo)，完成流場內(nèi)粒子空間分布的定位；(4)將三維粒子空間分布投影到三維灰度矩陣，實(shí)現(xiàn)三維矩陣內(nèi)的空間灰度分布；(5)利用相鄰兩個(gè)時(shí)間步的三維灰度矩陣進(jìn)行體互相關(guān)的分析來了解測量體內(nèi)粒子的速度，從而得到三維測量體內(nèi)的速度場；(6)對(duì)速度場進(jìn)行后處理，剔除體互相關(guān)分析失敗得到的壞速度矢量，并對(duì)流場進(jìn)行顯7J\ ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體連續(xù)激光為8瓦綠光半導(dǎo)體連續(xù)激光，波長532納米，輸出直徑為5毫米柱光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于所述的體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部(2)，其透鏡組合包括兩塊焦距為500毫米的凸透鏡、兩塊焦距分別為-75和-100毫米的凹透鏡和兩塊焦距同為60毫米的平凸柱面鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于所述的預(yù)定厚度的激光體光源(9)，其厚度為十至50毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字相機(jī)(6)選用BOBCAT系列相機(jī)ICL-B0620，分辨率為640x480像素，最高采樣頻率為 260赫茲，并配置尼康45毫米鏡頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于該微型計(jì)算機(jī)⑵采用惠普Z400工作站，基本配置為Intel Core2中央處理器，16GB內(nèi)存，ITB 硬盤，NVIDIA 420獨(dú)立顯卡，20寸LCD顯示器，WinXP Pro 64位操作系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采樣的實(shí)施步驟為(1)形成測量流場(1)，并選定測量區(qū)域；(2)將激光發(fā)生器(3)、信號(hào)同步器(4)和微型計(jì)算機(jī)(7)相連，使得微型計(jì)算機(jī)(7) 能控制激光發(fā)生器(3)的照射；調(diào)節(jié)激光發(fā)生器(3)和體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部(2)，形成體光源并照射測量區(qū)域；(3)連接數(shù)字相機(jī)(6)、信號(hào)同步器(4)和微型計(jì)算機(jī)(7)，使得微型計(jì)算機(jī)(7)能控制數(shù)字相機(jī)(6)的曝光；(4)在測量流場(1)中投放適量示蹤粒子；在數(shù)字相機(jī)(6)和測量流場(1)之間放置多棱面特效棱鏡(5)，配合激光發(fā)生器(3)的照射，調(diào)節(jié)多棱面特效棱鏡(5)的位置和數(shù)字相機(jī)(6)的焦距，使得數(shù)字相機(jī)(6)上形成清晰的粒子成像；(5)將固定在千分儀上的平面標(biāo)靶(8)放入測量流場(1)的測量區(qū)域完成體標(biāo)定的標(biāo)靶成像；(6)從測量流場(1)中取出平面標(biāo)靶(8)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣。此處數(shù)據(jù)采樣又分以下幾個(gè)步驟a)啟動(dòng)測量流場(1)，形成流動(dòng)；b)開啟已連接好的激光發(fā)生器(3)、信號(hào)同步器(4)、數(shù)字相機(jī)(6)和微型計(jì)算機(jī)(7) 進(jìn)行流場粒子成像；c)記錄流場內(nèi)粒子成像并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于微型計(jì)算機(jī)(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，其特征在于所述的對(duì)三維灰度矩陣進(jìn)行體互相關(guān)的分析，其分析的公式如下
全文摘要
一種單相機(jī)三維體視粒子圖像測速系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)；該光學(xué)系統(tǒng)包括體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部、激光發(fā)生器、多棱面特效棱鏡即又多影鏡和激光體；激光發(fā)生器為系統(tǒng)光源，采用半導(dǎo)體連續(xù)激光；體光源調(diào)節(jié)光學(xué)部為一組透鏡組合，置于激光發(fā)生器的光路上；多棱面特效棱鏡是實(shí)現(xiàn)單相機(jī)立體成像的關(guān)鍵部件，置于數(shù)字相機(jī)和測量流場之間的光路上；該數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)包括信號(hào)同步器、數(shù)字相機(jī)、微型計(jì)算機(jī)和平面標(biāo)靶；該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按規(guī)定的方法進(jìn)行。本發(fā)明通過單個(gè)相機(jī)形成不同視角下流場中粒子的成像，根據(jù)不同視角的粒子成像對(duì)粒子進(jìn)行三維定位和追蹤，得到三維空間體內(nèi)的三維速度場。
文檔編號(hào)G01P5/22GK102435770SQ20111028945
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者王晉軍, 王洪平, 高琪 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)