基于图像处理的可见光-红外光耦合流场测量系统

基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统
技术领域
1.本发明涉及流场测量技术领域，具体是一种基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统。


背景技术：

2.目前针对气体流体领域的可见光测量技术以piv(particle image velocimetry)、纹影、plif(planner laser induced fluorescence)等技术为主，其中piv技术通过含示踪粒子的图像互相关分析得到流场流速、湍流度等定量结果；纹影技术则利用可见光或激光的折射率差别反映密度梯度，得到流场激波、膨胀波、分离区等流场特征；plif技术利用激光诱导荧光对燃烧过程、电离过程等测量对象组分(如pahs、oh、co、ch等)、温度及自由基浓度分布进行测量。而针对不可见光的测量则以红外成像为主，利用气体、液体、固体的热红外自发辐射进行流场温度测量。
3.针对可见光和不可见光的耦合测量的实现方案有专利《用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置》(公开号：cn112518423a)，其利用对红外图像和可见光图像进行处理重构获得切削过程的变形场和温度场。但是该方案主要用于固体切削过程中，不适用于流场的综合分析。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统，利用可见光
‑
红外光图像同步测量速度场和温度场信息，并处理得到压力场、密度场信息，从而实现实验流场的全基本信息同步采集，以解决实验中流场信息测量不全的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统，包括测试段、激光组件、成像组件与图像处理模块，所述测试段内具有带示踪粒子的流场；
6.所述测试段的顶部设有透光窗口，所述激光组件用于产生激光片光，所述激光片光经由所述透光窗口照亮所述测试段内的流场成像面；
7.所述成型组件包括第一相机与第二相机，所述第一相机与所述第二相机均聚焦于所述流场成像面：
8.所述测试段的一侧设有仅能通过可见光的第一滤光片，所述第一滤光片位于所述流场成像面与所述第一相机的镜头之间，以使得所述第一相机获取流场可见光图像；
9.所述测试段的另一侧设有仅能通过红外光的第二滤光片，所述第二滤光片位于所述流场成像面与所述第二相机的镜头之间，以使得所述第二相机获取流场红外光图像；
10.所述图像处理模块与所述第一相机、所述第二相机通信相连，以基于所述流场可见光图像、所述流场红外光图像完成流场信息的全测量采集，其中，所述流场可见光图像与所述流场红外光图像的获取时间同步。
11.在其中一个实施例中，所述图像处理模块完成流场信息的全测量采集过程为：
12.基于所述流场可见光图像、所述流场红外光图像得到流场的速度场与温度场；
13.基于流场的速度场与温度场得到马赫数场：
14.ma＝v/c
[0015][0016]
式中，ma为流场的马赫数场，v为流场的速度场，c为当地音速，γ为绝热指数，r为气体常数，t为流场的温度场；
[0017]
基于流场的马赫数场得到静压分布场：
[0018][0019]
式中，p为流场的静压分布场，p0为流场中流体的总压；
[0020]
基于流场的静压分布场与温度场得到密度场：
[0021][0022]
式中，ρ为流场的密度场，m为单位分子质量。
[0023]
在其中一个实施例中，所述第一滤光片为石英光学玻璃。
[0024]
在其中一个实施例中，所述第二滤光片为镀膜锗玻璃。
[0025]
在其中一个实施例中，还包括：
[0026]
流体发生组件，用于产生流体；
[0027]
粒子生成组件，与所述流体发生组件相连，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；
[0028]
所述粒子生成组件与所述测试段相连，以将带有冰晶示踪粒子的流体输入所述测试段。
[0029]
在其中一个实施例中，所述粒子生成组件包括超声速喷管、引射急冷段与粒子生成混合段；
[0030]
所述流体发生组件包括具有高压气体的第一压力储罐，所述第一压力储罐的输出端与所述超声速喷管的收缩端相通，以将高压流体输入所述超声速喷管，使其经过加速降压后转换成超声速低温射流并经由所述超声速喷管的扩张端输出；
[0031]
所述引射急冷段的输入端与所述超声速喷管的扩张端相通，且所述引射急冷段的输入端设有空气引射口，以将空气引射至引射急冷段；
[0032]
所述粒子生成混合段的输入端与所述引射急冷段的输出端相通，用于混合空气与所述超声速低温射流，使得空气中的水蒸气急冷生成所述冰晶示踪粒子，所述粒子生成混合段的输出端与所述测试段的输入端相通。
[0033]
在其中一个实施例中，所述粒子生成组件包括超声速喷管；
[0034]
所述流体发生组件包括第二压力储罐与第三压力储罐，所述第二压力储罐内具有高压的易凝华气体，所述第三压力储罐内具有高压的分散气体；
[0035]
所述第二压力储罐的输出端、第三压力储罐的输出端均与所述超声速喷管的输入
端相通，以使得所述易凝华气体、所述分散气体在所述超声速喷管内经过加速降压产生急冷，使得所述易凝华气体自发冷凝产生所述冰晶示踪粒子；
[0036]
所述超声速喷管的输出端与所述测试段的输入端相通。
[0037]
在其中一个实施例中，所述易凝华气体包括但不限于co2、氟利昂。
[0038]
本发明提供的一种基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统，具有如下有益技术效果：
[0039]
1)本发明不仅适用于实验流体领域，同样可以拓展至固体领域，其适用范围广；
[0040]
2)本发明能够同步采集速度场与温度场，再将速度场和温度场耦合计算得到压力场和密度场，得到流场中所有的关键信息，为后续研究提供坚实基础。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例中基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统的结构示意图；
[0043]
图2为本发明实施例中流场信息的全测量采集的过程示意图；
[0044]
图3为本发明实施例中具有流体发生组件与粒子生成组件的基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统的结构示意图；
[0045]
图4为本发明实施例中流体发生组件与粒子生成组件的第一种实施方式示意图；
[0046]
图5为本发明实施例中流体发生组件与粒子生成组件的第二种实施方式示意图。
[0047]
附图标号：
[0048]
测试段10、透光窗口101、流场成像面102、第一滤光片103、第二滤光片104、
[0049]
激光组件20、激光片光201；
[0050]
第一相机301、第二相机302、红外光信息303、可见光信息304；
[0051]
图像处理模块40；
[0052]
流体发生组件50、第一压力储罐501、第二压力储罐502、第三压力储罐503；
[0053]
粒子生成组件60、超声速喷管601、引射急冷段602、粒子生成混合段603、空气引射口604；
[0054]
高压气体701、超声速低温射流702、空气703、易凝华气体704、分散气体705、冰晶示踪粒子706、混合气流707。
[0055]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0056]
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0057]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0058]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0059]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0061]
如图1所示为本实施例公开的一种基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统，主要包括测试段10、激光组件20、成像组件与图像处理模块40。测试段10内具有带示踪粒子的流场，且测试段10的顶部设有透光窗口101，激光组件20用于产生激光片光201，激光片光201经由透光窗口101照亮测试段10内的流场成像面102。成型组件包括第一相机301与第二相机302，且第一相机301与第二相机302均聚焦于流场成像面102。测试段10的一侧设有仅能通过可见光的第一滤光片103，第一滤光片103位于流场成像面102与第一相机301的镜头之间，以使得第一相机301获取流场可见光图像。测试段10的另一侧设有仅能通过红外光的第二滤光片104，第二滤光片104位于流场成像面102与第二相机302的镜头之间，以使得第二相机302获取流场红外光图像。图像处理模块40与第一相机301、第二相机302通信相连，以基于流场可见光图像、流场红外光图像完成流场信息的全测量采集，其中，流场可见光图像与流场红外光图像的获取时间同步。
[0062]
本实施例中，通过布置在测试段10前后两侧的第一滤光片103与第二滤光片104对流场内的光信号进行筛选。第一滤光片103的透过波长范围为可见光波段，激光组件20产生的激光片光201，经由测试段10上方的透光窗口101传导转化为能恰好聚焦于流场成像面102的薄片光，作用于测试段10内气流夹带的示踪粒子上，产生米氏散射或瑞利散射，散射产生的可见光透过测试段10前方的第一滤光片103，蕴含的信息被第一相机301捕捉，即流场可见光图像。第二滤光片104的透过波长为中长红外波(波长8
‑
14μm),测试流体流经测试段10时，依据流体自身静温会自发产生红外辐射，红外辐射的红外光透过测试段10后方的第二滤光片104，蕴含的信息被第二相机302捕捉，即流场红外光图像。通过第一滤光片103与第二滤光片104的设计，即实现了流场红外光信息303与可见光信息304的同步分开采集处理，最终流场可见光图像与流场红外光图像同步输入到图像处理模块40完成流场信息的全测量采集。其中，第一滤光片103优选为石英光学玻璃，第二滤光片104优选为镀膜锗玻璃，第二相机302为红外相机。
[0063]
本实施例中，激光组件20优选为双脉冲nd：yag激光器，其激光波长为532nm，其产
生两束激光的时间间隔极短。
[0064]
参考图2，图像处理模块40完成流场信息的全测量采集过程为：基于流场可见光图像、流场红外光图像得到流场的速度场与温度场，基于流场的速度场与温度场得到马赫数场，基于流场的马赫数场得到静压分布场，基于流场的静压分布场与温度场得到密度场。
[0065]
在具体实施过程中，通过流场可见光图像进行piv互相关算法分析，则可以获得实验成像截面所有区域的速度值，即为速度场。而红外相机得到流场红外光图像，测量物体的静温与固定参数红外相机所得的图像灰度值有对应关系，固定参数的红外相机经由标准黑体校准，得到的流场红外光图像，进而则可以依据像素灰度值，通过灰度分析，则可以得到红外相机聚焦截面所有区域的静温值，即为温度场。其中，速度场与温度场的获取均为所属领域的常规技术手段，因此本实施例中不再对其赘述。
[0066]
液体流场一般不需要考虑可压缩性，有速度温度信息就足够分析，而气体流场则需要更多的流场数据进行分析，下面介绍气体的后续数据处理，具体流程如图2所示。首先将得到的速度场和温度场信息以二阶矩阵的形式进行存储，以流场成像面102空间的xy坐标作为矩阵序列，对应坐标的速度值和温度值作为矩阵数值进行存储，再进行后续的计算分析。
[0067]
温度场数值由声速公式可计算得到流场成像面102的当地音速场信息，用速度场信息除以当地音速场信息即可汇总流场成像面102的马赫数场：
[0068]
ma＝v/c
[0069][0070]
式中，ma为流场的马赫数场，v为流场的速度场，c为当地音速，γ为绝热指数，r为气体常数，t为流场的温度场；
[0071]
由马赫数场和已知的流体总压，则可以利用等熵关系计算静压值，得到流场成像面102的静压分布场：
[0072][0073]
式中，p为流场的静压分布场，p0为流场中流体的总压；
[0074]
由静压分布场和温度场，结合流体物性参数，由理想气体状态方程可以计算流场成像面102的密度场：
[0075][0076]
式中，ρ为流场的密度场，m为单位分子质量。
[0077]
参考图3，作为优选地实施方式，本实施例中的基于图像处理的可见光
‑
红外光耦合流场测量系统还包括流体发生组件50与粒子生成组件60。其中，流体发生组件50用于产生流场测试过程中的流体。粒子生成组件60与流体发生组件50相连，使得流体进入粒子生成组件60后被加速与降压，使流体急速降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子706，且粒子生成组件60与测试段10相连，以将带有冰晶示踪粒子706的流体输入测试段10。
[0078]
本实施例中，针对不同马赫数流场，采用不同的冰晶示踪粒子706生成方法。对于马赫数较低的情况(小于马赫2)，采用低温射流极冷空气，促使空气中水蒸气冷凝为微米级或纳米级冰晶示踪粒子706，并通过极冷度调整冰晶示踪粒子706的粒径，满足piv、npls、mpls等可视化测量需求。对于马赫数较高的情况(大于或等于马赫2)，其流场对应的静温足够低，则可以采用co2、氟利昂等易凝华气体704自发生成冰晶示踪粒子706，通过控制易凝华气体704与分散气体705的混合量则可以改变冰晶示踪粒子706密度，满足piv、npls、mpls等可视化测量需求。
[0079]
参考图4，为自发生成冰晶示踪粒子706的第一种实施方式，该种实施方式下的流场速度小于马赫2。具体地，在该种实施方式下，粒子生成组件60包括超声速喷管601、引射急冷段602与粒子生成混合段603，流体发生组件50包括具有高压气体701的第一压力储罐501，第一压力储罐501的输出端与超声速喷管601的收缩端相通，以将高压气体701输入超声速喷管601，使其经过加速降压后转换成超声速低温射流702并经由超声速喷管601的扩张端输出；引射急冷段602的输入端与超声速喷管601的扩张端相通，且引射急冷段602的输入端设有空气引射口604，以将空气703引射至引射急冷段602；粒子生成混合段603的输入端与引射急冷段602的输出端相通，用于混合空气703与超声速低温射流702，使得空气703中的水蒸气急冷生成冰晶示踪粒子706，粒子生成混合段603的输出端与测试段10的输入端相通。其中，高压气体701为惰性气体或氮气、脱水空气等不参与反应的气体。
[0080]
上述第一种实施方式的工作过程为：第一压力储罐501内的高压气体701经超声速喷管601(ma<2)后由高压到低压，在引射急冷段602产生超声速低温射流702，同时引射急冷段602上的空气引射口604引射空气703，使得超声速低温射流702与空气703在粒子生成混合段603混合，促使空气703快速降温，从而使得空气703中的水蒸气凝华形成小冰晶，冰晶示踪粒子706与气体在粒子生成混合段603充分混合后进入测试段10，通过自发生成粒子得到的冰晶示踪粒子706在测试段10内经由激光片光201点亮，则可以由第一相机301获得高分辨率的流场可见光图像，可以作为npls图像分析流场结构等定性信息，通过两张或者多张图像的互相关处理，由piv方法能够获得速度场、湍动能、加速度场等定量信息。其中，自发凝华生成的小冰晶为微米量级或者纳米量级，其跟随性好。进一步地，通过控制第一压力储罐501所输出高压气体701的压力即可控制超声速低温射流702的流量，从而改变超声速低温射流702与空气703的混合占比，即改变冰晶示踪粒子706的占测试气流的密度比。同时由于超声速喷管601的出口面积/喉部面积越大，超声速喷管601出口处超声速低温射流702的温度越低，与空气703的温差越大，其通过混合急冷得到的冰晶示踪粒子706的粒径越大，因此通过更换不同的超声速喷管601，则可以得到不同粒径的冰晶示踪粒子706。
[0081]
参考图5，为自发生成冰晶示踪粒子706的第二种实施方式，该种实施方式下的流场速度大于或等于马赫2，将压缩完备的混合气流707(分散气体705与易凝华气体704混合)直接作为超声速流场的气源，即可自发产生冰晶示踪粒子706，由于是自发生成的冰晶示踪粒子706，其均匀性、跟随性能在最大程度得到保证。具体地，在该种实施方式下，粒子生成组件60包括超声速喷管601；流体发生组件50包括第二压力储罐502与第三压力储罐503，第二压力储罐502内具有高压的易凝华气体704，第三压力储罐503内具有高压的分散气体705；第二压力储罐502的输出端、第三压力储罐503的输出端均与超声速喷管601的输入端相通，以使得易凝华气体704、分散气体705在超声速喷管601内经过加速降压产生急冷，使
得易凝华气体704自发冷凝产生冰晶示踪粒子706；超声速喷管601的输出端与测试段10的输入端相通。其中，易凝华气体704包括但不限于co2、氟利昂，分散气体705为惰性气体或氮气、脱水空气等不参与反应的气体。
[0082]
上述第二种实施方式的工作过程为：易凝华气体704与分散气体705由第二压力储罐502、第三压力储罐503调压出来后，在超声速喷管601的入口处混合，混合充分后经过超声速喷管601(ma≥2)，当混合气流707速度过快，对应的混合气流707温度低于对应易凝华气体704当前混合分压下的凝华温度，混合气流707中的易凝华气体704分子则会自发冷凝产生冰晶示踪粒子706，该自发冷凝产生的粒子布置均匀性很好，经超声速喷管601加速的产生的含示踪粒子的气流则可直接作为测试来流进入测试段10，通过自发生成粒子得到的冰晶示踪粒子706在测试段10内经由激光片光201点亮，则可以由第一相机301获得高分辨率的流场可见光图像，可以作为npls图像分析流场结构等定性信息，通过两张或者多张图像的互相关处理，由piv方法能够获得速度场、湍动能、加速度场等定量信息。其中，通过更改分散气体705与易凝华气体704的混合比，则可控制冰晶示踪粒子706在流场中的密度分布，达到动态调控的目的。还可以通过更换不同的超声速喷管601，可以获得不同来流速度的测试流体。
[0083]
上述两种实施方式中，还可以通过捕捉流场可见光图像来分析检测自发生的冰晶示踪粒子706质量，进行动态调整。以npls图像为例，通过在测试段10内放置激波发生器，通过激波前后的冰晶示踪粒子706变化可以检测冰晶示踪粒子706的粒径能否达到纳米级别(参照专著《超声速流场npls精细测量测试技术及典型应用》)。检测过程中，激波发生器产生激波，若激波面之后流体静温提升，冰晶示踪粒子706消失，则说明冰晶示踪粒子706的粒径达到纳米量级，其跟随性满足高超声速实验要求，能够很好的表现高超流场中激波、漩涡等流场特性。而对所得的npls图像进行灰度分析和图像识别，分析图像的平均亮度、粒子和背景的明暗对比度以及噪点数量，则能够获取npls图像的信噪比、图像成像锐度宽容度等图像信息，并结合流体力学分析其中的激波、涡等结构，对图像进行综合评价，进而调整示踪粒子的密度和粒径，对图像进行动态优化。
[0084]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。