基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),包括有水流實驗水池,沿所述水流實驗水池的長度方向設置有模型河流,所述模型河流的實驗水流入口位于所述水流實驗水池長度方向的一端,所述模型河流的實驗水流出口位于所述水流實驗水池長度方向的另一端,所述模型河流內(nèi)設置有用于進行表面流場示蹤的冰顆粒示蹤粒子,所述模型河流的上方設置有圖像采集裝置,所述的圖像采集裝置通過數(shù)據(jù)連接線連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機。本實用新型的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)和測速方法,能夠大大改善PTV在復雜光線環(huán)境、復雜水沙環(huán)境中的應用效果,并能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好、方便、快捷的表面流場測量。
【專利說明】基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種表面流場測速系統(tǒng)。特別是涉及一種用于河工模型試驗水流表面流場測速的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]室內(nèi)物理模型試驗是水利工程問題研究的重要手段,尤其是近年來在河流演變模擬方面,國內(nèi)外目前有大量研究者利用實驗室內(nèi)水池進行河流形態(tài)的塑造,利用人工塑造的小河模擬自然界中彎曲、分汊以及游蕩型河流的演變,以研究河流形態(tài)演變的規(guī)律。在所有水工、河工模型實驗中,水流流速的測量是最為重要的測量要素之一。
[0003]目前,水流流速的測量方法主要分為兩大類:一是單點流速測量:例如傳統(tǒng)的旋槳流速儀或者目前應用較多的聲學多普勒流速儀(ADV)。然而旋槳流速儀測量精度較低,而聲學多普勒流速儀(ADV)由于存在最小探測深度(一般為5cm),往往不適用于淺水環(huán)境。此外,單點測速由于測量工作量太大,往往不能夠勝任河工模型大范圍流場的實時測量。第二類方法為基于粒子圖像的流場測速法,例如目前廣泛采用粒子跟蹤圖像測速法(PTV),通過對撒入水流表面的示蹤粒子進行實時圖像采集,并對采集的圖像進行粒子識別、匹配和跟蹤,實現(xiàn)大范圍流場流速的快速測量。該方法具有高效的特點,獲得了大量應用以及深入研究,例如,發(fā)明專利“實體模型表面流場實時量測系統(tǒng)及其后處理方法”(申請?zhí)?200910076713.5)公開了水利量測【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種防洪實體模型試驗表面流場實時量測系統(tǒng)及其后處理方法。其技術(shù)方案是將示蹤顆粒均勻撒落在水流表面并使其跟隨水流運動,攝像機安裝于表面流場的上方并通過視頻同步器實現(xiàn)外同步,顆粒運動的圖像信號通過視頻線傳輸至計算機圖像采集卡進行分析處理,得到流場流速和流態(tài)。發(fā)明專利“非接觸式河流表面流場成像量測方法”(申請?zhí)?201210346488.4)公開了一種非接觸式河流表面流場成像量測方法,通過在圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實現(xiàn)近紅外成像,增強水流示蹤物與水面背景間的亮度對比,并通過對圖像進行空域高通濾波,抑制水面光學噪聲;然后采用快速傅立葉互相關(guān)算法進行運動矢量估計,得到各分析區(qū)域的位移矢量,最終實現(xiàn)自然界中河流的表面流場快速測量。
[0004]受實驗室條件限制,目前已有的粒子跟蹤圖像測速(PTV)系統(tǒng)的在實際應用中,仍然存在多方面的問題和挑戰(zhàn)。首先,一般大型的水工、河工模型實驗室內(nèi)模型尺寸范圍非常大,水流表面的光線一般包括來自實驗窗戶的自然光線,以及室內(nèi)照明系統(tǒng)的光線,光源多樣化并且散亂。在這種情況下,很難做到整體模型水表面的光線均勻,實際的水體表面往往在某些觀察角度呈現(xiàn)出光源倒影重疊、光線不均勻反射等現(xiàn)象。在水深較淺、水流流速較大(沸汝德數(shù)較大)的情況下,水面一般還會出現(xiàn)表面波紋,呈現(xiàn)出波光粼粼的效果。在這種情況下,攝像系統(tǒng)所獲取的粒子圖像質(zhì)量嚴重下降,難以準確地識別出圖像中的示蹤粒子。其次,示蹤粒子的制作、拋撒和回收操作過程存在不方便之處。示蹤粒子一般要求密度略小于水體,以獲得較好的隨水性,目前采用的示蹤粒子一般由特定材料在工廠加工成特定的形狀,例如,實用新型“實體模型表面流場圖像測試的高性能示蹤粒子”(申請?zhí)?200720036750.X)采用ABS材料或PP材料與天然石膏混合調(diào)制成密度與實驗流體相近,用模具壓制,將ABS材料或PP材料與天然石膏混合,然后采用攪拌機調(diào)制均勻,注入模具內(nèi)壓制而成。特制的示蹤粒子必須進行回收,否則會造成材料的浪費和實驗水庫的環(huán)境污染,而一些因回收不完全隨水泄入水庫的粒子難免會造成水庫的長期污染。再次,對于大量的河流演變物理模型實驗,例如彎曲型、分汊型和游蕩型河流演變模擬,測量區(qū)域往往存在大量散亂的洲灘分布,如果采用傳統(tǒng)的示蹤粒子測速方法,將有大量的粒子聚集在河道岸灘部分,使得流場測量結(jié)果變得混亂,此外,拋散的示蹤粒子將長期滯留在岸灘處或回流區(qū),給粒子的回收帶來了挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是,提供一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),利用一次性使用的低溫冰顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料等材質(zhì)示蹤粒子,能夠大大改善PTV在復雜光線環(huán)境、復雜水沙環(huán)境中的應用效果,并能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好、方便、快捷的表面流場測量。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),包括有水流實驗水池,沿所述水流實驗水池的長度方向設置有模型河流,所述模型河流的實驗水流入口位于所述水流實驗水池長度方向的一端,所述模型河流的實驗水流出口位于所述水流實驗水池長度方向的另一端,所述模型河流內(nèi)設置有用于進行表面流場示蹤的冰顆粒示蹤粒子,所述模型河流的上方設置有圖像采集裝置,所述的圖像采集裝置通過數(shù)據(jù)連接線連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機。
[0007]所述模型河流上設置有流場測量區(qū)域,所述的圖像采集裝置設置在所述流場測量區(qū)域的上方。
[0008]所述的圖像采集裝置設置在所述流場測量區(qū)域正上方3?7m高處。
[0009]所述的圖像采集裝置為紅外攝像頭或工業(yè)用紅外熱像儀。
[0010]本實用新型的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),能夠大大改善PTV在復雜光線環(huán)境、復雜水沙環(huán)境中的應用效果,并能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好、方便、快捷的表面流場測量。具有如下有益效果:
[0011]1、采用紅外攝像技術(shù),結(jié)合冰顆粒粒子示蹤,有效避免了實驗室內(nèi)水流表面反光、波紋等對粒子圖像質(zhì)量的干擾,使得測量不受實驗室光線環(huán)境影響。對于具有表面波紋的淺水、高沸汝德數(shù)河工模型實驗,傳統(tǒng)粒子圖像測速系統(tǒng)往往不能適用,而本項技術(shù)仍然可以適用。
[0012]2、示蹤粒子采用特制冰顆粒,由于冰的密度略大于水,可以自由浮在水體表面,具有良好的隨水性。冰的溫度與一般實驗室內(nèi)水溫相差10?20°C,能夠在紅外圖像上與背景產(chǎn)生良好的分辨度。
[0013]3、冰顆粒示蹤粒子在流經(jīng)實驗測量區(qū)域后,泄入集水區(qū),并最終融化在水體中,無需回收,且不會對實驗室水庫產(chǎn)生環(huán)境污染。此外,示蹤粒子僅需冷凍設備及相應的模具即可制備,造價非常低。具有方便使用、環(huán)保、低成本的優(yōu)勢。
[0014]4、對于河流演變物理模型實驗,例如彎曲型、分汊型和游蕩型河流演變模擬,測量區(qū)域往往存在大量散亂的洲灘分布,如果采用傳統(tǒng)的示蹤粒子測速方法,將有大量的粒子聚集在河道岸灘部分,使得流場測量結(jié)果變得混亂,此外,拋散的示蹤粒子將長期滯留在岸灘處或回流區(qū),難以回收。而利用冰顆粒作為示蹤粒子,能夠巧妙利用冰顆粒的融化,避免此問題。
[0015]5、在冰顆粒融化過程中,顆粒直徑和表面溫度將隨時間逐漸發(fā)生變化,通過紅外攝像配合顆粒的識別、特征提取,能夠?qū)αW拥倪\動歷時進行粗略估計,有助于從宏觀角度了解整個河流流場情況,為河流模型實驗提供除流速之外的寶貴數(shù)據(jù)信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新 型基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,圖中,
[0017]1:水流實驗水池2:模型河流
[0018]3:實驗水流入口4:實驗水流出口
[0019]5:流場測量區(qū)域6:冰顆粒示蹤粒子
[0020]7:圖像采集裝置8:數(shù)據(jù)連接線
[0021]9:數(shù)據(jù)采集與處理計算機
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng)做出詳細說明。
[0023]如圖1所示,本實用新型的一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),包括有水流實驗水池1,沿所述水流實驗水池I的長度方向設置有模型河流2,所述模型河流2上設置有流場測量區(qū)域5,所述模型河流2的實驗水流入口 3位于所述水流實驗水池I長度方向的一端,所述模型河流2的實驗水流出口 4位于所述水流實驗水池I長度方向的另一端,所述模型河流2內(nèi)設置有用于進行表面流場示蹤的冰顆粒示蹤粒子6,所述模型河流2的上方設置有圖像采集裝置,所述的圖像采集裝置通過數(shù)據(jù)連接線8連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機9。所述的圖像采集裝置設置在所述流場測量區(qū)域5正上方3~7m高處。所述的圖像采集裝置7可以采用紅外攝像頭或工業(yè)用紅外熱像儀。
[0024]采集到的圖像將直接反映實驗區(qū)的溫度分布,目前工業(yè)用紅外熱像儀的溫度感應靈敏度一般在0.1~rc的范圍。示蹤粒子采用冰球顆粒,粒徑根據(jù)實驗流場范圍及測量精度確定,一般在0.5~Icm的范圍。冰顆粒示蹤粒子的表面溫度約為0°C或者更低,而周圍水體的溫度隨實驗室室溫變化,一般在10~20°C范圍,由此會產(chǎn)生冰顆粒示蹤粒子與流場之間10~20°C的溫差,在紅外攝像圖片上有明顯的區(qū)分度,很容易被識別。冰顆粒示蹤粒子可通過手動或者特制的裝置進行進行拋散,拋散后冰顆粒示蹤粒子將在水流中流動并同時自然融化或者最終流入水庫后融化,因此不需要進行粒子的回收??紤]到直徑Icm的冰顆粒示蹤粒子在溫度20°C的水中完全融化的時間為5分鐘左右,一般模型實驗水流流速在0.1~0.5m/s,粒子在水流中的有效運行距離能夠達到約30m~150m,能夠滿足測量范圍要求。紅外攝像設備采集到的溫度圖像將實時傳送到計算機,并由計算機軟件進行圖像分割、粒子識別、匹配、跟蹤以及坐標轉(zhuǎn)換,最終得到實時的表面流場。
[0025]在實驗過程中,整套裝置的執(zhí)行流程包括如下步驟:
[0026]( I)在實驗前制備大量的冰球顆粒示蹤粒子,并進行冷凍儲存,以備實驗中使用;[0027](2)在水流實驗水池I中進行實驗,建立需要研究的模型河流2,包括實驗水流入口 3、實驗水流出口 4,確定流場測量區(qū)域5 ;
[0028](3)在流場測量區(qū)域5正上方約3?7m高處,安裝圖像采集裝置7,并利用數(shù)據(jù)連接線路8連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機9,并安裝相應的軟件系統(tǒng),完成整個測速系統(tǒng)的安裝;
[0029](4)進行水流實驗,并在實驗過程在流場測量區(qū)域5上游拋散冰球顆粒示蹤粒子,同時運行計算圖像采集與數(shù)據(jù)處理程序,進行流場流速數(shù)據(jù)的實時測量;
[0030](5)冰球顆粒示蹤粒子在流過測量區(qū)域后自然融化,無需人工回收。
【權(quán)利要求】
1.一種基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),包括有水流實驗水池(I),其特征在于,沿所述水流實驗水池(I)的長度方向設置有模型河流(2),所述模型河流(2)的實驗水流入口( 3 )位于所述水流實驗水池(I)長度方向的一端,所述模型河流(2 )的實驗水流出口(4 )位于所述水流實驗水池(I)長度方向的另一端,所述模型河流(2 )內(nèi)設置有用于進行表面流場示蹤的冰顆粒示蹤粒子(6),所述模型河流(2)的上方設置有圖像采集裝置(7),所述的圖像采集裝置(7 )通過數(shù)據(jù)連接線(8 )連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),其特征在于,所述模型河流(2 )上設置有流場測量區(qū)域(5 ),所述的圖像采集裝置(7 )設置在所述流場測量區(qū)域(5)的上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),其特征在于,所述的圖像采集裝置(7)設置在所述流場測量區(qū)域(5)正上方3?7m高處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于紅外攝像的新型表面流場測速系統(tǒng),其特征在于,所述的圖像采集裝置(7)為紅外攝像頭或工業(yè)用紅外熱像儀。
【文檔編號】G01P5/20GK203705468SQ201320881848
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】許棟, 白玉川, 徐海玨, 吳淑雄 申請人:天津大學