单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置

单相机测定喷雾粒径和三维速度的ptv装置
技术领域
1.本发明涉及一种ptv(粒子跟踪测速，particle tracking velocimetry)装置。


背景技术：

2.数字图像处理是通过程序语言控制对相机捕获的图片进行批量处理，筛选粒子信息，计算分析，实现所测区域中平均粒径的测量，广泛应用于喷雾测量等实验中。
3.ptv测速技术是一种非接触式现代激光测速技术，通过跟踪、匹配由激光相机系统捕获，数字图像处理后的目标粒子，得到相邻两帧图像中粒子的位移，实现对流场中运动粒子的速度测量，并广泛应用于喷雾流场的实验中；目前，普遍认为获得液滴二维位置和速度的技术是比较成熟的，然而想要获得三维速度和位置信息就需要增加高速相机的台数以捕获更多更准确的信息，其成本将大大提高。故目前ptv测速技术中通过单台相机拍摄获得目标粒子三维速度的方法较为新颖。
4.高速相机是具有一定景深的，当被测液滴粒子超出相机的景深时，会产生离焦现象；此时，仅利用相机捕获的离焦图像不能确定成像物体在焦点前方还是后方，即产生了所谓离焦二义性问题，难以获得液滴的具体离焦位置。


技术实现要素：

5.针对如何采用单相机获得三维速度和位置信息及如何解决离焦二义性的问题，本发明提供一种单相机测定喷雾粒径和三维速度的ptv装置。
6.本发明的一种单相机测定喷雾粒径和三维速度的ptv装置，包括高速相机1、显微镜头2、激光扩束器6、激光发射器8和处理器12；
7.激光发射器8发出设定频率的激光，入射至激光扩束器6，激光扩束器6扩束后产生非相干光5对观测区域进行照明，显微镜头2朝向观测区域，高速相机1与显微镜头2连接，通过显微镜头2拍摄观测区域的喷雾图像，并将喷雾图像发送至处理器12；
8.处理器12，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，对喷雾图像处理，获得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径smd，通过psf点扩散函数半波长值与离焦距离的关系，获得离焦距离，排除离焦距离的不合理情况，利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配，根据匹配后的两个液滴的距离和间隔时间，获得液滴移动速度，完成三维速度测定。
9.作为优选，所述处理器12包括图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块；
10.图像导入及预处理模块，同时与自适应阈值切割模块和特征匹配模块连接，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，逐张图像进行预处理：去除背景及轮廓检测，将预处理后的图像发送至自适应阈值切割模块；
11.自适应阈值切割模块，与液滴离焦距离二义性排除模块连接用于将预处理后的图像进行灰度，及通过自适应阈值函数将图像二值化，遍历图像中所有液滴，获得单个液滴的
形状与位置特征，确定液滴的平均粒径smd；
12.液滴离焦距离二义性排除模块，用于利用psf点扩散函数半波长值χ
est
计算被测液滴的离焦距离z，利用最大梯度法排除离焦距离z的不合理情况，得到液滴的真实离焦距离；
13.获取psf点扩散函数半波长值χ
est
，根据χ
est
＝f1(z)获得离焦距离z；
14.f1()表示χ
est
和离焦距离z的拟合关系；
[0015][0016]
式中，f为相机焦距，l表示被测液滴与透镜之间的距离；
[0017]
获得被测液滴的焦点内参数lnf
l3
：
[0018][0019]
其中，表示被测液滴的最大梯度；d
ei
为被测液滴直径；i
max
为被测液滴的最大灰度水平；i
min
为被测液滴的最小灰度水平；
[0020]
根据lnf
lq
＝f2(z,d
ei
)分别获得z1、z2对应的焦点内参数lnf
l1
和焦点内参数lnf
l2
；
[0021]
f2()表示焦点内参数lnf
lq
与z、d
ei
的拟合关系；
[0022]
根据lnf
l1
、lnf
l2
和lnf
l3
的关系，确定被测液滴的真实离焦距离为z1或z2：
[0023][0024]
特征匹配模块，用于利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴以特征和距离较近两个因素为原则进行匹配，并通过v＝l/t计算液滴的移动速度，l表示相邻两张图像中的同一液滴的移动距离，t表示相邻两张图片的拍摄获间隔时间。
[0025]
作为优选，所述处理器12还包括液滴标号模块；
[0026]
液滴标号模块与自适应阈值切割模块连接，液滴标号模块对自适应阈值切割模块识别出的液滴进行标记及标号。
[0027]
作为优选，所述处理器12还包括计算结果可视化展示和存储模块，用于将图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块的处理结果进行展示及存储。
[0028]
本发明的有益效果，本发明通过数字图像处理的特定图像信息处理方法，实现了单台相机获取喷雾粒径及三维速度；并在此基础上，利用psf点扩散函数半波长值以及最大梯度对比法排除了液滴离焦距离的二义性，达到了准确获取喷雾粒径、三维速度和离焦距离的目的，进而获得喷嘴雾化性能客观评价的依据。
附图说明
[0029]
图1为本发明的结构示意图；
[0030]
图2为本发明处理器的的工作流程示意图；
[0031]
图3为本发明的液滴匹配的实际效果图；
[0032]
图4为本发明的液滴粒径分布的实际效果图；
[0033]
图5为本发明的液滴粒径分布统计占比的实际效果图；
[0034]
图6为本发明液滴离焦二义性排除模块的原理示意图。
具体实施方式
[0035]
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的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。
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0038]
本实施方式的单相机测定喷雾粒径和三维速度的ptv装置，包括高速相机1、显微镜头2、激光扩束器6、激光发射器8和处理器12；
[0039]
激光发射器8发出设定频率的激光，入射至激光扩束器6，激光扩束器6扩束后产生非相干光5对观测区域进行照明，显微镜头2朝向观测区域，高速相机1与显微镜头2连接，通过显微镜头2拍摄观测区域的喷雾图像，并将喷雾图像发送至处理器12；
[0040]
高速相机1用于拍摄被所述激光照亮的观测区域4的喷雾图像，拍摄喷雾的瞬时特性；
[0041]
显微镜头2用于提供较小的视野和景深，便于形成液滴的离焦现象，为拍摄离焦液滴提供环境；
[0042]
激光发射器8用于发出具有特定频率的高频激光，以形成激光光路；
[0043]
激光扩束器6用于将激光发射器8所发激光扩束，增大光束面积，同时破坏所发出激光的强相干性，变为非相干光5，将观测区域4照明；
[0044]
本实施方式的激光发射器8采用二极管激光发射器，二极管激光发射器是一种相较于其他仪器能发出更高频率且成本较低的激光发射器。调整所述激光扩束器6的位置，生成所需宽度和面积的激光5照射并穿过观测区域4。
[0045]
进行信息采集后，获取到不同工况的喷雾图像可导入处理器进行分析喷雾粒径、三维速度和位置，并排除离焦二义性；处理器12，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，对喷雾图像处理，获得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径smd，通过psf点扩散函数半波长值与离焦距离的关系，获得离焦距离，使用最大梯度法排除离焦距离的不合理情况，利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配，根据匹配后的两个液滴的距离和间隔时间，获得液滴移动速度，完成三维速度测定。
[0046]
本实施方式通过数字图像处理的特定图像信息处理方法，利用psf点扩散函数半波长值以及最大梯度对比法排除了液滴离焦距离的二义性，达到了准确获取喷雾粒径、三维速度和离焦距离的目的。优选实施例中，本实施方式的处理器12包括图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模
块；
[0047]
图像导入及预处理模块，同时与自适应阈值切割模块和特征匹配模块连接，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，逐张图像进行预处理：去除背景及轮廓检测，将预处理后的图像发送至自适应阈值切割模块；本实施方式的图像导入和预处理模块通过自编程实现，包括将拍摄的液滴图像批量导入并处理，建立表格用于存储图像处理后获取的信息。在工作时，通过将高速相机拍摄的图片批量处理，使得图片按拍摄的时间顺序重新命名，为进一步数字图像处理做准备。
[0048]
自适应阈值切割模块，与液滴离焦距离二义性排除模块连接用于将预处理后的图像进行灰度，及通过自适应阈值函数将图像二值化，遍历图像中所有液滴，获得单个液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径smd；本实施方式的自适应阈值切割模块包括背景去除和图像二值化分割的一系列函数操作。在工作时，将图像预处理后的图片进行分析、检测、识别出所拍摄的液滴，并通过函数计算出液滴的周长和面积。得到图像中所有液滴的平均粒径smd。
[0049]
液滴离焦距离二义性排除模块，用于利用psf点扩散函数半波长值计算液滴的离焦距离，利用图像最大梯度比较实测液滴位置，排除离焦距离的不合理情况，得到真实液滴相对离焦距离；液滴离焦二义性排除模块包括计算液滴的离焦距离z和不合理情况的排除。在工作时，首先利用psf点扩散函数半波长χ值计算获得液滴的离焦距离，再通过最大梯度法比较实测液滴位置排除离焦距离的不合理情况，得到真实液滴相对离焦距离z。
[0050]
特征匹配模块，用于利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴以特征和距离较近两个因素为原则进行匹配，并通过v＝l/t计算液滴的移动速度，并对所计算的速度按x、y、z三维分量分别存储，l表示相邻两张图像中的同一液滴的移动距离，t表示相邻两张图片的拍摄获间隔时间。
[0051]
本实施方式的ptv装置还包括液滴标号模块；
[0052]
液滴标号模块，与自适应阈值切割模块连接，用于对自适应阈值切割模块识别出的液滴进行标记及标号。本实施方式的液滴标号模块包括绘制矩形和在液滴左上角绘制编号两个部分。还包括该模块的打开和关闭功能，具体考虑计算时间成本。
[0053]
本实施方式中的处理器12包括计算结果可视化展示和存储模块，用于将图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块的处理结果进行展示及存储。计算结果可视化展示和存储模块包括各个模块结束时将计算结果直接存储于表格之中和最终将所有计算结果汇总并绘制图像进行可视化展示。包括程序语言库中的图像绘制功能，将前几个计算模块所得信息绘制相关图像并将结果存储。
[0054]
本实施方式的ptv装置还包括控制器11，用于调节激光发射器8和所述高速相机1的工作频率，使之在同频率下工作达到最高采集效率；
[0055]
本实施方式中的控制器11将激光发射器8和高速相机1调至相同工作频率，提高图像采集效率。
[0056]
本实施方式还包括电源10，用于给控制器11和激光发射器8提供电源；
[0057]
本实施方式的ptv装置还包括光纤7；激光发射器8通过光纤7与激光扩束器6连接，用于将激光发射器8产生的激光定向传导至激光扩束器6。
[0058]
光纤7用于将激光发射器产生的激光进行定向传导，输入激光扩束器中对激光进一步处理，同时减少激光能量的损失；
[0059]
本实施方式的ptv装置还包括固定架9；
[0060]
激光扩束器6与激光发射器8同时安装在所述固定架9上，固定为一体，且可随固定架9的放置调整激光扩束器6的出光方向，在工作时，通过调整固定架9的摆放位置，保证激光光线始终从激光扩束器6的端部发出，照亮观测区域4。
[0061]
本实施方式激光发射器8和高速相机1布置在观测区域的两侧，且相对布置，使得充分曝光的喷雾被高速相机清晰准确地记录。ptv装置还包括微位移平台3，发射喷雾的喷嘴安装在微位移平台3上，为喷嘴提供角位移。
[0062]
微位移平台3，用于安装发射喷雾的喷嘴，同时可提供喷嘴一定角位移；喷嘴在微位移平台3的固定下，喷口垂直向下布置，在工作区域形成锥形喷雾，开启控制器11工作，采集喷雾图像，并将图像存储后待处理；同时微位移平台3在相同工况下可给予喷嘴一定角度的位移，使得在高速相机1和激光发射器8在固定的情况下，可获得更丰富的喷雾信息。
[0063]
实施例1：本实施例通过激光发射器、高速相机、显微镜头、光纤、激光扩束器及其他必要装置的装置拍摄记录喷雾图像，处理器利用六个模块对所获图像进行处理，获取喷雾粒径和三维速度信息并排除液滴离焦的二义性。该装置和方法应用于喷嘴喷雾测量实验中，该装置结构示意图如图1所示，本实施例的光路布置形成背光拍摄条件，提高光能量的利用率。
[0064]
在工作时，首先将装置按光路位置布置，调整好光路和相机的配合，并将离心喷嘴固定在拍摄区域上方，保证喷雾能够出现在拍摄区域；
[0065]
其次，将处理器12、控制器11、电源10线路连接并通电；依次打开喷嘴阀门，调整好喷雾流量，打开激光发生器8和高速相机1，通过操作处理器12和控制器11开始采集图像，图像经高速数据线传入处理器存储，待处理。
[0066]
相比于其他ptv图像采集装置，本实施例只采用了一台相机记录了喷雾液滴的行为信息。
[0067]
本实施例在喷雾信息采集之后会进行仪器标定工作，具体操作步骤如下：
[0068]
步骤一：在标定所用的玻璃铬板上标记大小10微米至170微米的标准圆，放置于观测区域4中，待取信息。
[0069]
步骤二：调整玻璃铬板至所有图案清晰可见的最清晰位置，开启电源和控制器拍摄取样，储存于处理器中待处理。
[0070]
步骤三：向前和向后调整玻璃铬板获得对应位置的图像，获得各个位置对应的图像，存储至处理器中待处理。
[0071]
步骤四：将获取图像进行处理，以像素计算图像中的距离信息，并与玻璃铬板上的实际距离比对，获得图像特征与离焦距离的关系，完成标定工作。
[0072]
本实施例处理器的流程图如图2所示，包括：
[0073]
步骤1：获取离心喷嘴喷雾实验指定工况的喷雾图像，并将该工况的所有图像按捕捉先后的时间顺序存储于同一文件中待处理；所述图像均来源于上述高速相机1拍摄后通过数据线导入处理器并存储的原图像。
[0074]
步骤2：图像导入及预处理模块，具体为：
[0075]
步骤2.1：首先将上述图像批量导入计算程序中，其次将通过python程序语言将所有图像进行编号，为逐张处理做准备；同时建立excel表格并命名表头，用于存储计算结果。
[0076]
步骤2.2：首先通过图像相减命令将所有图像进行背景去除，除去较明显杂质及因镜头污垢导致拍摄的错误信息；其次通过开运算去除图片噪音，进行轮廓检测，并绘制出轮廓。
[0077]
步骤3：自适应阈值切割模块，具体为：
[0078]
步骤3.1：将图像转为灰度格式后，通过自适应阈值函数将图像二值化，便于凸显拍摄液滴和开展计算。
[0079]
步骤3.2：遍历图像识别所有液滴，获得单个液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径smd。
[0080]
步骤4：液滴离焦二义性排除模块，具体为：
[0081]
步骤4.1：利用psf点扩散函数半波长χ值，获得离焦距离z。
[0082]
通过ptv装置进行不同水平的测量，根据液滴的形状与位置特征，能够得到液滴图像边缘的半宽度差值δr
meas
，得到psf点扩散函数的半波长值表达式：
[0083][0084]
式中，c0为归一化的图像对比度；
[0085]
同时，在考虑像差和ptv装置的前提下，根据像差与离焦距离的关系得出的结论，χ
est
与液滴直径无关，而仅与离焦距离z有关，所以可得如下表达式：
[0086]
χ
est
＝f1(z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0087]
利用式(1)可得到不同离焦位置的χ
est
，并将其与离焦距离z进行拟合可确定χ
est
与离焦距离z的函数关系，f1()表示χ
est
和离焦距离z的拟合关系，如图6中已经校准的χ
est
曲线；又由于式(2)含有关于离焦距离z的正、负两个解，即相同的χ
est
值会出现两个离焦距离z1、z2，此为所述方法中提到的二义性问题，表达式如下：
[0088][0089]
式中f为相机焦距；l表示液滴与透镜之间的距离；
[0090]
当被测液滴在远离相机的一侧时，z为正值，否则为负值。
[0091]
步骤4.2：利用图像最大梯度排除离焦距离z的不合理情况，得到液滴的真实离焦距离：
[0092][0093]
其中，lnf
lq
为焦点内参数，是本实施例所测液滴在长轴的两个端点上的梯度的绝对值的平均值，即最大梯度；d
ei
为液滴直径；i
max
为被测液滴图像的最大灰度水平；i
min
为被测液滴图像的最小灰度水平；
[0094]
利用式(4)可得到不同离焦距离z情况下的lnf
lq
值，并将lnf
lq
与z、d
ei
拟合，可得下式：
[0095]
lnf
lq
＝f2(z,d
ei
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0096]
其中，lnf
lq
为高斯分布，如图6中已校准的lnf
lq
曲线；
[0097]
在相同的离焦距离下利用式(1)得到一个χ
est
值，将其于图6中表示，得到a、b两点分别对应z1、z2两个离焦距离；通过z1、z2作竖直轴线的平行线可得到lnf
l1
与lnf
l2
；再通过式(4)可得到一个lnf
l3
值，比较该lnf
l3
与lnf
l1
、lnf
l2
的差值，差别较大的z值被排除，而差别较小的z值被认为是最终所得液滴的离焦距离z，如下式(6)所示。
[0098][0099]
步骤5：液滴匹配模块，具体包括：
[0100]
步骤5.1：利用图像的位置与形状特征，对两张图像对应液滴进行匹配。
[0101]
步骤5.2：成功配对的两液滴，即认为其为相邻两张图像中的同一液滴，可根据坐标计算其移动距离l，且相邻两张图片的拍摄间隔时间t由高速相机工作频率决定，根据公式v＝l/t可计算得到液滴的移动速度；
[0102]
步骤6：计算结果可视化展示和存储模块，在每一个模块处理时，都将必要的计算结果打印并存储；此外，在最终计算结束后，通过程序语言matplotlib库中的图像绘制功能实现图形绘制、展示并将结果存储。
[0103]
本实施例利用单台相机拍摄，通过特定算法计算即可获得喷雾粒径及三维速度，并排除液滴离焦的二义性，达到准确获得喷雾信息的目的，为喷嘴雾化性能的客观评价提供依据。
[0104]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。