粒子图像测速装置和粒子图像测试方法与流程

本发明涉及三维流场测试技术领域，具体而言，涉及一种粒子图像测速装置和粒子图像测试方法。

背景技术：

流场测试技术作为研究流体运动重要的实验手段，其技术的升级对于相关学科的研究具有较大的促进作用。粒子图像测速(particleimagevelocimetry)piv是20世纪80年代发展起来的一种瞬态、不接触式、全流场定量测量技术。它综合了单点测量和流动显示技术的优点，既具有高精度和高分辨率，有能够获得平面流场显示的整体结构和瞬态平均图像。

国外最新的三维粒子图像测速(简称spiv)系统采用立体数码照相技术，即采用多台相机从不同方位记录被照明的流场的一个剖面，根据两台相机空间位置投影关系和视差，将两台相机的各二维坐标映射为空间一点的三维坐标，将两台相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场，从而完成粒子空间位移场和速度场的重建。最后，通过事先设定的算法获得流场的速度场和压力场等。但其实验平台相对复杂，多个照相机的架设和同步控制较难控制，其对实验操控要求较高，所测为单一剖面。

国内一些三维粒子图像测速系统采用三棱镜分光装置将入射激光分散为不同颜色的片光照射在测试区域，并在摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，从而拍摄出不同断面的速度流场信息。这种方式使得拍摄区域某一颜色的光波，其光强度不够易造成拍摄结果有较大的实验误差。或者其它测试系统通过单个相机形成不同视角下流场中粒子的成像，根据不同视角的粒子成像对粒子进行三维定位和追踪，得到三维空间流场。这种方式并不能同时拍摄流场的三维流动信息，测试结果误差较大。

有鉴于此，设计制造出一种粒子图像测速装置，能够实现三维流场的同步拍摄，提出一种精准、实用、两断面同步测量的粒子图像测速技术在目前三维流场测试技术领域中显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粒子图像测速装置，能够实现三维流场的同步拍摄，通过两个截面同步测量的方式准确获得粒子的三维流场分布特征，实用性强，操控方便，测量结果精确，成本相对较低。

本发明的目的还在于提供一种粒子图像测试方法，采用上述的粒子图像测速装置，操控方便，测量结果精确可靠。

本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种粒子图像测速装置，所述粒子图像测速装置包括激光系统、采集系统、同步系统和数据处理系统。

所述激光系统用于产生两个光波振动方向相互垂直的光源，每个所述光源照射一个截面。所述采集系统与所述数据处理系统连接，所述采集系统用于采集所述截面上的粒子的图像数据、并将所述图像数据发送至所述数据处理系统。所述同步系统分别与所述激光系统、所述采集系统连接，用于控制所述激光系统和所述采集系统同步开启、同步关闭。所述数据处理系统用于保存所述图像数据，并根据所述图像数据分析出三维流场分布。

进一步地，所述激光系统包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于发出第一光源，所述第二激光器用于发出第二光源，所述第一光源和所述第二光源的光波振动方向相互垂直。

进一步地，所述激光系统还包括第一偏振片和第二偏振片。所述第一偏振片安装于所述第一激光器上，用于改变所述第一光源的振动方向。所述第二偏振片安装于所述第二激光器上，用于改变所述第二光源的振动方向，并且使所述第二光源的光波振动方向与所述第一光源的光波振动方向垂直。

进一步地，所述采集系统包括第一摄像机和第二摄像机，所述第一摄像机用于拍摄所述第一激光器照射的截面，所述第二摄像机用于拍摄所述第二激光器照射的截面。

进一步地，所述采集系统还包括第三偏振片和第四偏振片，所述第三偏振片安装于所述第一摄像机上，用于过滤所述第二激光器上发出的光，所述第四偏振片安装于所述第二摄像机上，用于过滤所述第一激光器上发出的光。

进一步地，所述第一摄像机包括第一镜头，所述第二摄像机包括第二镜头，所述第三偏振片安装于所述第一镜头前，以便于所述第一摄像机仅拍摄到所述第一激光器照射的截面；所述第四偏振片安装于所述第二镜头前，以便于所述第二摄像机仅拍摄到所述第二激光器照射的截面。

进一步地，所述第一摄像机和所述第二摄像机均采用电荷藕合器件图像传感器。

进一步地，所述同步系统包括同频器，所述同频器分别与所述第一激光器、所述第二激光器电连接，以控制所述第一激光器、所述第二激光器同时开启和同时关闭；所述同频器分别与所述第一摄像机、所述第二摄像机电连接，以控制所述第一摄像机、所述第二摄像机同时拍摄。

进一步地，所述数据处理系统包括第一计算机和第二计算机，所述第一计算机分别与所述第一激光器、所述第一摄像机电连接，所述第二计算机分别与所述第二激光器、所述第二摄像机电连接；所述同频器与所述第一计算机电连接。

本发明提供的一种粒子图像测试方法，采用上述的粒子图像测速装置。利用同频器开启第一激光器、第二激光器、第一摄像机和第二摄像机，在第一计算机上观察所述第一摄像机拍摄的粒子图像数据，调整所述第一摄像机的第一镜头、使之拍摄所述第一激光器照射的截面。调节所述第二激光器上的第二偏振片角度、使得第一摄像机无法拍摄所述第二激光器照射的截面。调节第一激光器上的第一偏振片角度、使得第一摄像机能完全拍摄到所述第一激光器照射的截面。

在第二计算机上观察所述第二摄像机拍摄的粒子图像数据，调整所述第二摄像机的第二镜头、使之拍摄所述第二激光器照射的截面。调节所述第二摄像机的第四偏振片角度、使得第二摄像机能完全拍摄到所述第二激光器照射的截面。

利用所述同频器开启所述第一激光器、所述第二激光器、所述第一摄像机和所述第二摄像机，分别在所述第一计算机和所述第二计算机上分析拍摄的粒子图像数据，并通过粒子图像技术得出不同断面的同步流场，最后通过移动测试断面进行联合分析获得三维流场特征。

本发明提供的粒子图像测速装置和粒子图像测试方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的粒子图像测速装置，包括激光系统、采集系统、同步系统和数据处理系统。激光系统用于产生两个光波振动方向相互垂直的光源，每个光源照射一个截面。通过将采集系统与数据处理系统连接，采集截面上的粒子的图像数据、并将图像数据发送至数据处理系统。通过将同步系统分别与激光系统、采集系统连接，用于控制激光系统和采集系统同步开启、同步关闭。数据处理系统用于保存图像数据，并根据图像数据分析出三维流场分布。该粒子图像测速装置实现了两个截面同时拍摄，操控方便，测试结果准确。

本发明提供的粒子图像测试方法，采用上述的粒子图像测速装置，利用同频器同步开启第一激光器、第二激光器、第一摄像机和第二摄像机，将第一摄像机与第一计算机电连接，调整第一摄像机的第一镜头、使之仅拍摄第一激光器照射的截面上的粒子；将第二摄像机与第二计算机电连接，调整第二摄像机的第二镜头、使之仅拍摄第二激光器照射的截面上的粒子。这样可以分别在第一计算机和第二计算机上分析同时拍摄的两个不同截面的粒子图像数据，并通过粒子图像技术得出不同断面的同步流场，最后通过移动测试断面进行联合分析获得三维流场特征。该粒子图像测试方法操控简单方便，测试结果精确可靠，测试成本相对较低，具有极大的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置的组成框图；

图2为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置的具体组成框图；

图3为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置的应用场景示意图；

图4为本发明具体实施例提供的粒子图像测试方法的操作步骤流程图。

图标：100-粒子图像测速装置；101-测试区域；102-第一截面；103-第二截面；104-示踪粒子；110-激光系统；111-第一激光器；113-第二激光器；1111-第一偏振片；1131-第二偏振片；120-采集系统；121-第一摄像机；123-第二摄像机；1211-第三偏振片；1231-第四偏振片；130-同步系统；131-同频器；140-数据处理系统；141-第一计算机；143-第二计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置100的组成框图，请参照图1。

本发明提供的一种粒子图像测速装置100，粒子图像测速装置100包括激光系统110、采集系统120、同步系统130和数据处理系统140。

激光系统110用于产生两个光波振动方向相互垂直的光源，每个光源照射一个截面。采集系统120与数据处理系统140连接，采集系统120用于采集截面上的粒子的图像数据、并将图像数据发送至数据处理系统140。同步系统130分别与激光系统110、采集系统120连接，用于控制激光系统110和采集系统120同步开启、同步关闭。数据处理系统140用于保存图像数据，并根据图像数据分析出三维流场分布。

图2为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置100的具体组成框图，图3为本发明具体实施例提供的粒子图像测速装置100的应用场景示意图，请参照图2和图3。图3中箭头所示的方向表示流场中的主要流向。

具体地，本实施例中，激光系统110包括第一激光器111、第二激光器113、第一偏振片1111和第二偏振片1131，第一激光器111用于发出第一光源，第一偏振片1111安装于第一激光器111上，用于改变第一光源的振动方向。第二激光器113用于发出第二光源，第二偏振片1131安装于第二激光器113上，用于改变第二光源的振动方向，并且使第一光源和第二光源的光波振动方向相互垂直，不同截面上被照亮的示踪粒子104的反射出的光波在振动方向也相互垂直。

采集系统120包括第一摄像机121、第二摄像机123、第三偏振片1211和第四偏振片1231，第一摄像机121包括第一镜头，第二摄像机123包括第二镜头。

第三偏振片1211安装于第一摄像机121上，具体地，安装于第一镜头前，用于过滤第二激光器113上发出的光，使得第一摄像机121仅用于拍摄第一激光器111照射的截面，而无法拍摄到第二激光器113照射的截面，同时也不受第二激光器113发出的光源的影响。

第四偏振片1231安装于第二摄像机123上，具体地，安装于第二镜头前，用于过滤第一激光器111发出的光，使得第二摄像机123仅拍摄到第二激光器113照射的截面，而无法拍摄到第一激光器111照射的截面，同时也不受第一激光器111发出的光源的影响。

这样由于偏振片的效果使得不同截面的片光源在光波的振动方向上相互垂直，且与摄像机上偏振片的安放相互配合，有效避免了不同截面间光线的影响，能够实现对不同截面的流场进行同步测量。同时，通过调整第一激光器111和第二激光器113的安放角度和间距，可以立体地观察流场的变化过程，分析计算出准确的流场特性。需要说明的是，图3中所示的第一截面102和第二截面103相互平行，但并不仅限于此，两个截面可以不用平行，只需两个截面的片光源在光波的振动方向上相互垂直即可。

可选地，第一摄像机121和第二摄像机123均采用ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合器件)摄像机，即电荷藕合器件图像传感器，以提高粒子图像拍摄的精准度和清晰度。

同步系统130包括同频器131，同频器131分别与第一激光器111、第二激光器113电连接，以实现第一激光器111、第二激光器113同时开启和同时关闭。同频器131分别与第一摄像机121、第二摄像机123电连接，以实现第一摄像机121、第二摄像机123同时拍摄，确保同步性。

数据处理系统140包括第一计算机141和第二计算机143，第一计算机141分别与第一激光器111、第一摄像机121电连接，第二计算机143分别与第二激光器113、第二摄像机123电连接。可选地，同频器131与第一计算机141电连接，第一计算机141通过同频器131控制第一激光器111、第二激光器113同时开启和同时关闭、控制第一摄像机121、第二摄像机123同时拍摄。

本发明提供的粒子图像测速装置100，其工作原理如下：

利用第一激光器111提供第一光源，照射第一截面102，第二激光器113提供第二光源照射第二截面103。通过调整第一偏振片1111和第二偏振片1131，使得第一光源和第二光源的光波振动方向相互垂直，不同断面上被照亮的示踪粒子104的反射出的光波在振动方向也相互垂直。在测试区域101安装两台高速ccd摄像机，分别在每台摄像机的镜头前安装一块偏振片，调整偏振片的安装角度使得两台摄像机分别仅拍摄其中一束激光断面，由于采用了偏振光原理，使得两台摄像机能分别同时拍到不同截面的流场，即第一摄像机121仅拍摄第一截面102，第二摄像机123仅拍摄第二截面103。通过同频器131使第一激光器111、第二激光器113同时开启、第一摄像机121和第二摄像机123同时拍摄，第一计算机141和第二计算机143对不同截面的流场进行联合分析、获得截面间的相关特性和三维流场结构。

本发明提供的一种粒子图像测试方法，采用上述的粒子图像测速装置100。利用同频器131同步开启第一激光器111、第二激光器113、第一摄像机121和第二摄像机123，将第一摄像机121与第一计算机141电连接，调整第一摄像机121的第一镜头、使之仅拍摄第一激光器111照射的截面上的粒子；将第二摄像机123与第二计算机143电连接，调整第二摄像机123的第二镜头、使之仅拍摄第二激光器113照射的截面上的粒子。这样可以分别在第一计算机141和第二计算机143上分析同时拍摄的两个不同截面的粒子图像数据，并通过粒子图像技术得出不同断面的同步流场，最后通过移动测试断面进行联合分析获得三维流场特征。具体方法如下：

图4为本发明具体实施例提供的粒子图像测试方法的操作步骤流程图，请参照图4。

s1：调整第一摄像机121的焦距在第一激光器111照射的第一截面102上。

第一计算机141通过同频器131开启第一激光器111、第二激光器113和第一摄像机121，在第一计算机141的图像采集软件上观察第一摄像机121拍摄的粒子图像结果；通过第一计算机141调整第一摄像机121的焦距在第一激光器111照射的第一截面102上，即调整第一摄像机121的第一镜头、使之拍摄第一激光器111照射的截面。

s11：调整第二偏振片1131角度。再手动调节第二激光器113上的第二偏振片1131角度、使得第一摄像机121无法拍摄第二激光器113照射的截面。

s12：调整第一偏振片1111角度。最后调节第一激光器111上的第一偏振片1111角度、使得第一摄像机121能完全拍摄到第一激光器111照射的截面。

s2：调整第二摄像机123的焦距在第二激光器113照射的第一截面102上。

第一计算机141通过同频器131开启第一激光器111、第二激光器113和第二摄像机123，在第二计算机143的图像采集软件上观察第二摄像机123拍摄的粒子图像结果；通过第一计算机141调整第二摄像机123的焦距在第二激光器113照射的第一截面102上，即调整第二摄像机123的第二镜头、使之拍摄第二激光器113照射的截面。

s21：调整第四偏振片1231角度。手动调节第二摄像机123的第四偏振片1231角度、使得第二摄像机123能完全拍摄到第二激光器113照射的截面。

s3：分析粒子图像数据并获得三维流场特征。

第一计算机141通过同频器131开启第一激光器111、第二激光器113、第一摄像机121和第二摄像机123，分别在第一计算机141和第二计算机143上观察拍摄到的粒子图像结果、分析拍摄的粒子图像数据，并通过粒子图像技术得出不同断面的同步流场，最后通过移动测试断面进行联合分析获得三维流场特征。

综上所述，本发明提供的粒子图像测速装置100和粒子图像测试方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的粒子图像测速装置100和粒子图像测试方法，由于偏振片的效果使得第一激光器111和第二激光器113在不同截面的片光源在光波的振动方向上相互垂直，且不同截面上被照亮的示踪粒子104的反射出的光波在振动方向也相互垂直。同时，第一激光器111的第一偏振片1111、第二激光器113的第二偏振、第一摄像机121的第三偏振片1211以及第二摄像机123的第四偏振片1231的安放位置和角度相互配合，有效避免了不同截面间光线的影响。因而能够对不同截面的流场进行同步测量，并且通过调整激光的安放角度和间距可以立体地观察流场的变化过程。测试设备成本相对较低，测试结果精确可靠。此外，粒子图像测试方法的操作简单、可靠性高，相关实验人员可以较快的掌握，不需要专业技术人员测试操控，适应性强，具有极大的推广应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。