基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法，属于实验流体力学研究领域。该装置包括激光器、具有N个反光齿的旋转齿轮、步进电机、柱面凹透镜、柱面凸透镜、两个高速相机，同步器与计算机；其中，旋转齿轮上的圆柱面上设置N个等间隔排列的螺纹状反光齿并首尾搭接，旋转齿轮在旋转过程中将与其轴距不变的入射激光束反射为在一个固定平面内单向顺序扫描的反射激光束，经过柱面凹透镜、柱面凸透镜后转换为扫描矩形片光；由于每个反光齿实现一次扫描，故而本发明的实际三维扫描速度可达到步进电机转速的N倍，真正实现三维流场的高频测量，获得三维流场时空演变过程，对流体力学的试验研究具有重要应用价值。
【专利说明】基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于实验流体力学研究领域，特别涉及基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法。
【背景技术】
[0002]水流的紊动具有较强的时空变化特性，长期以来科技工作者采用多种方法进行三维流场的测量，如二维平面上的三维速度测量技术、三维粒子示踪测速技术、散焦粒子图像测速技术、全息粒子图像测速技术、层析粒子图像测速技术和片光扫描粒子图像测速技术坐寸ο
[0003]二维平面上的三维速度测量技术是利用激光片光照亮流体中的一个平面中的示踪粒子，两个相机从不同角度同时对准被照亮的平面进行拍摄，最终通过立体粒子图像测速算法得到平面上每个测点的三维速度矢量。二维平面上的三维速度测量技术只能得到一个平面上的三维流速，不能得到一个体积内的真实三维流场。三维粒子示踪技术和散焦粒子图像测速技术使用激光柱照亮流体中一定体积内的示踪粒子，通过多相机从不同的视角对所照亮的流体体积拍照，对不同相机所得图片中的示踪粒子图像进行识别和匹配，根据立体视觉原理得到每个示踪粒子的三维速度。由于需要对每个示踪粒子进行识别和匹配，这种方法仅适用于示踪粒子密度较低的流动，并且只有在示踪粒子的位置才能得到流速矢量，测量结果的空间分辨率较低。全息粒子图像测速技术是全息摄影技术和粒子图像测速技术的结合，其中，全息摄影包括全息成像、全息重构和图像数字化等步骤，所需的光路结构极为复杂，无法实现高频连续采样，无法进行推广应用。层析粒子图像测速技术采用激光柱照亮流体中一定体积内的示踪粒子，使用多个相机从不同视角记录下所照亮的立体空间的平面图像，再利用层析算法重构出立体图像进行三维互相关计算，求得立体空间的三维流场。由于测量体厚度过大或者示踪粒子密度过大时，均会使得层析算法重构出大量的虚假示踪粒子，严重影响测量精度，因此该技术中测量体的厚度较小，且测量结果的分辨率也较低。
[0004]片光扫描粒子图像测速技术是片光扫描技术与二维平面上的三维速度测量技术的结合，使用一定的机械和光路结构使得片光在测量体内不断扫描，两个相机不断从不同的视角对所照亮的平面拍照，它既具有平面粒子图像测速技术精度与分辨率高的特点，也借助片光扫描实现了三维立体测量的目标。目前主要的片光扫描技术是振镜法和旋转鼓法，振镜法是使用步进电机控制一块平面镜往复振动，使得激光的入射角不断变化，导致出射光线的角度不断变化，实现片光扫描。旋转鼓法是在一圆柱体上粘贴台阶状的平面镜，步进电机控制旋转鼓旋转的同时入射激光不断打在不同位置的平面镜上，造成出射光的位置不同，实现片光扫描。但是，无论是振镜法还是旋转鼓法，受制于步进电机的转动速度和台阶状平面镜的制作精度，片光扫描的频率和范围都较低，所以目前片光扫描粒子图像测速技术的测量体积小、可测流速和采样频率都较低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法，实现高频率、高精度的三维立体流场测量，进一步提高流体力学试验中测量立体三维流场的能力。
[0006]本发明提出的基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置，其特征在于，该装置包括激光器、具有多个反光齿的旋转齿轮、步进电机、柱面凹透镜、柱面凸透镜、两个高速相机、同步器与计算机；其中，激光器安装在水槽底部，旋转齿轮安装在激光器输出端前，且使反光齿接收激光器输出的入射激光束，柱面凹透镜、柱面凸透镜依次安装在旋转齿轮上方与水槽底部之间的空间内，将旋转齿轮的垂直向上的出射激光束先扩散为扇形片光，再收缩为矩形片光后照亮水槽中待测区域，旋转齿轮由步进电机驱动转动，两个高速相机分别斜向安装在水槽同侧，水平轴安装高度与过待测区域中心的水平线齐平，并分别位于过待测区域中心的垂线两侧；同步器通过数据线分别与计算机、激光器和高速相机相连，计算机通过数据线分别与两个高速相机、步进电机相连。
[0007]所述旋转齿轮主要由旋转轴、圆柱面与N个反光齿构成，旋转轴安装在步进电机上，控制整个旋转齿轮转动，反光齿为在圆柱面上间隔排列的凸条结构，绕圆柱面呈螺纹状均匀分布，反光齿朝向激光器一面为镜面，以便反射入射激光束；反光齿上处处曲率相等，在旋转齿轮轴向上首尾相接。入射激光束照射在反光齿上后沿垂直方向反射，随着旋转齿轮的转动，入射激光束的入射点将在反光齿上沿旋转齿轮的轴向移动；反光齿上处处曲率相等，旋转齿轮转动过程中的任意时刻，入射点处的法线均相互平行，导致任意时刻经转动的旋转齿轮反光齿反射的出射激光束相互平行并位于同一平面上；反光齿在旋转齿轮轴向上首尾搭接，当入射点到达反光齿尾部时，随着旋转齿轮的转动，入射点将立即跳转到下一个反光齿的头部，使得出射激光束始终保持单向连续扫描，并且两次扫描之间没有时间间隔；旋转齿轮旋转一周，出射激光束连续扫描N次，使得对三维流场的最终扫描频率为步进电机转速的N倍。
[0008]本发明提出的采用所述装置的三维流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]I)将片光扫描范围Δζ均匀划分出K个位置,记为ZpZ2、......、zk位置,设旋转齿轮的转速为Ω，反光齿的个数为N，高速相机的拍摄速度为H，该四个参数满足如下式关系:
[0010]H = ΩΝΚ
[0011]2)设在某一 Ttl时刻矩形片光扫描至位置Z1，照亮水槽中Z1处的xy平面，两台高速相机在计算机和同步器控制下同步拍摄被照亮的平面的图片各一张，记为Ilitl和IIw ;经过时间间隔T/2后，矩形片光扫描至位置Z2，两台高速相机拍摄被照亮的平面的图片各一张，分别为1i和11i，时间间隔T/2，由旋转齿轮的转速Ω、反光齿的个数N以及K通过下式决定:
【权利要求】
1.一种三维高频粒子图像测速的装置，其特征在于，该装置包括激光器、具有多个反光齿的旋转齿轮、步进电机、柱面凹透镜、柱面凸透镜、两个高速相机、同步器与计算机；其中，激光器安装在水槽底部，旋转齿轮安装在激光器输出端前，且使反光齿反射激光器输出的入射激光束，柱面凹透镜、柱面凸透镜依次安装在水槽底部和旋转齿轮上方之间的空间内，将反光齿反射的垂直向上的出射激光束先扩散为扇形片光，再收缩为矩形片光后照亮水槽中待测区域，旋转齿轮由步进电机驱动转动，两个高速相机分别斜向安装在水槽同侧，水平轴安装高度与过待测区域中心的水平线齐平，并分别位于过待测区域中心的垂线两侧；同步器通过数据线分别与计算机、激光器和高速相机相连，计算机通过数据线分别与两个高速相机、步进电机相连。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述旋转齿轮主要由旋转轴、圆柱面与N个反光齿构成，旋转轴安装在步进电机上，控制整个旋转齿轮转动，反光齿为在圆柱面上等间隔排列的凸条结构，绕圆柱面呈螺纹状均匀分布，反光齿朝向激光器一面为镜面，以便反射入射激光束，入射激光束照射在反光齿上后沿垂直方向反射，随着旋转齿轮的转动，入射激光束的入射点将在反光齿上沿旋转齿轮的轴向移动；反光齿上处处曲率相等，旋转齿轮转动过程中的任意时刻，入射点处的法线均相互平行，导致任意时刻经转动的旋转齿轮反光齿反射的出射激光束相互平行；反光齿在旋转齿轮轴向上首尾搭接，当入射点到达反光齿尾部时，随着旋转齿轮的转动，入射点将立即跳转到下一个反光齿的头部，使得出射激光束始终保持单向连续扫描，并且两次扫描之间没有时间间隔；旋转齿轮旋转一周，出射激光束连续扫描N次，使得对三维流场的最终扫描频率为步进电机转速的N倍。
3.一种采用如权利要求1所述装置的三维流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将片光扫描范围八2均匀划分出1(个位置，记为21、22、……、Zk位置，设旋转齿轮的转速为Ω，反光齿的个 数为N，高速相机的拍摄速度为H，该四个参数满足如下式关系: H = ΩΝΚ 2)设在某一Ttl时刻矩形片光扫描至位置Z1，照亮水槽中Z1处的xy平面，两台高速相机在计算机和同步器控制下同步拍摄被照亮的平面的图片各一张，记为Ilitl和IIw ;经过时间间隔T/2后，矩形片光扫描至位置Z2，两台高速相机拍摄被照亮的平面的图片各一张，分别为Ι1Λ和Π1Λ，时间间隔T/2，由旋转齿轮的转速Ω、反光齿的个数N以及K通过下式决定:
3)按步骤2)进行采集，直到矩形片光扫描到位置ζΝ，两台高速相机分别获得图片Ι1Λ和IIu，完成对整个Λ z范围的一次扫描，总共用时(K-1) Τ/2 ； 4)矩形片光在Τ/2时刻后立即跳转到Z1位置，开始进行下一次Λζ范围的扫描，相邻两次扫描相同位置的时间间隔均为Dt = ΚΤ/2，则对三维流场的采样频率为2/ΚΤ ;记第二次扫描所得图片序列分别为I2il~I2，k和Π2Λ~II2，k ;若总共进行M次测量，则图片序列直到IM;1~ IM，k和IIsu~IIM，k，共获得2XMXK帧图像； 5)提取图像序列中的四张图片Ii,」、Ili，」、hIIij1，采用立体粒子图像测速算法得到位置Zi处时刻(2j+l)T/4时xy平面上的三维流场(Ui^ViJWi,P ； 6)遍历i= I~K-l、j = O~M-1计算得到所有位置与时刻的xy平面上的三维流场(Ui, j, Vi,J, Wi,j)后，提取流场序列中的两对三维流场(ua,b，Va,b, Wa,b)、(Ua,b+1，Va,b+1，ffa,b+1)，a = I?K-l、b = O?M-2，利用线性插值方法得到时刻β (K-1)Τ/2的三维流场(Ua, e, Va,e，Wa,e)，其中β = I?M-2;相同β的所有流场即是时刻β (K-l) Τ/2待测区域内的三维流场。
【文档编号】G01P5/20GK104133078SQ201410368220
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】钟强, 段炎冲, 李丹勋, 曹列凯, 陈启刚, 王兴奎 申请人:清华大学