基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置及其方法，屬于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)研究領(lǐng)域。該裝置包括激光器、具有N個(gè)反光齒的旋轉(zhuǎn)齒輪、步進(jìn)電機(jī)、柱面凹透鏡、柱面凸透鏡、兩個(gè)高速相機(jī)，同步器與計(jì)算機(jī)；其中，旋轉(zhuǎn)齒輪上的圓柱面上設(shè)置N個(gè)等間隔排列的螺紋狀反光齒并首尾搭接，旋轉(zhuǎn)齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中將與其軸距不變的入射激光束反射為在一個(gè)固定平面內(nèi)單向順序掃描的反射激光束，經(jīng)過柱面凹透鏡、柱面凸透鏡后轉(zhuǎn)換為掃描矩形片光；由于每個(gè)反光齒實(shí)現(xiàn)一次掃描，故而本發(fā)明的實(shí)際三維掃描速度可達(dá)到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的N倍，真正實(shí)現(xiàn)三維流場的高頻測量，獲得三維流場時(shí)空演變過程，對流體力學(xué)的試驗(yàn)研究具有重要應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)研究領(lǐng)域，特別涉及基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水流的紊動具有較強(qiáng)的時(shí)空變化特性，長期以來科技工作者采用多種方法進(jìn)行三維流場的測量，如二維平面上的三維速度測量技術(shù)、三維粒子示蹤測速技術(shù)、散焦粒子圖像測速技術(shù)、全息粒子圖像測速技術(shù)、層析粒子圖像測速技術(shù)和片光掃描粒子圖像測速技術(shù)坐寸ο
[0003]二維平面上的三維速度測量技術(shù)是利用激光片光照亮流體中的一個(gè)平面中的示蹤粒子，兩個(gè)相機(jī)從不同角度同時(shí)對準(zhǔn)被照亮的平面進(jìn)行拍攝，最終通過立體粒子圖像測速算法得到平面上每個(gè)測點(diǎn)的三維速度矢量。二維平面上的三維速度測量技術(shù)只能得到一個(gè)平面上的三維流速，不能得到一個(gè)體積內(nèi)的真實(shí)三維流場。三維粒子示蹤技術(shù)和散焦粒子圖像測速技術(shù)使用激光柱照亮流體中一定體積內(nèi)的示蹤粒子，通過多相機(jī)從不同的視角對所照亮的流體體積拍照，對不同相機(jī)所得圖片中的示蹤粒子圖像進(jìn)行識別和匹配，根據(jù)立體視覺原理得到每個(gè)示蹤粒子的三維速度。由于需要對每個(gè)示蹤粒子進(jìn)行識別和匹配，這種方法僅適用于示蹤粒子密度較低的流動，并且只有在示蹤粒子的位置才能得到流速矢量，測量結(jié)果的空間分辨率較低。全息粒子圖像測速技術(shù)是全息攝影技術(shù)和粒子圖像測速技術(shù)的結(jié)合，其中，全息攝影包括全息成像、全息重構(gòu)和圖像數(shù)字化等步驟，所需的光路結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)高頻連續(xù)采樣，無法進(jìn)行推廣應(yīng)用。層析粒子圖像測速技術(shù)采用激光柱照亮流體中一定體積內(nèi)的示蹤粒子，使用多個(gè)相機(jī)從不同視角記錄下所照亮的立體空間的平面圖像，再利用層析算法重構(gòu)出立體圖像進(jìn)行三維互相關(guān)計(jì)算，求得立體空間的三維流場。由于測量體厚度過大或者示蹤粒子密度過大時(shí)，均會使得層析算法重構(gòu)出大量的虛假示蹤粒子，嚴(yán)重影響測量精度，因此該技術(shù)中測量體的厚度較小，且測量結(jié)果的分辨率也較低。
[0004]片光掃描粒子圖像測速技術(shù)是片光掃描技術(shù)與二維平面上的三維速度測量技術(shù)的結(jié)合，使用一定的機(jī)械和光路結(jié)構(gòu)使得片光在測量體內(nèi)不斷掃描，兩個(gè)相機(jī)不斷從不同的視角對所照亮的平面拍照，它既具有平面粒子圖像測速技術(shù)精度與分辨率高的特點(diǎn)，也借助片光掃描實(shí)現(xiàn)了三維立體測量的目標(biāo)。目前主要的片光掃描技術(shù)是振鏡法和旋轉(zhuǎn)鼓法，振鏡法是使用步進(jìn)電機(jī)控制一塊平面鏡往復(fù)振動，使得激光的入射角不斷變化，導(dǎo)致出射光線的角度不斷變化，實(shí)現(xiàn)片光掃描。旋轉(zhuǎn)鼓法是在一圓柱體上粘貼臺階狀的平面鏡，步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時(shí)入射激光不斷打在不同位置的平面鏡上，造成出射光的位置不同，實(shí)現(xiàn)片光掃描。但是，無論是振鏡法還是旋轉(zhuǎn)鼓法，受制于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度和臺階狀平面鏡的制作精度，片光掃描的頻率和范圍都較低，所以目前片光掃描粒子圖像測速技術(shù)的測量體積小、可測流速和采樣頻率都較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置及其方法，實(shí)現(xiàn)高頻率、高精度的三維立體流場測量，進(jìn)一步提高流體力學(xué)試驗(yàn)中測量立體三維流場的能力。
[0006]本發(fā)明提出的基于片光掃描粒子圖像的三維流場高頻測量裝置，其特征在于，該裝置包括激光器、具有多個(gè)反光齒的旋轉(zhuǎn)齒輪、步進(jìn)電機(jī)、柱面凹透鏡、柱面凸透鏡、兩個(gè)高速相機(jī)、同步器與計(jì)算機(jī)；其中，激光器安裝在水槽底部，旋轉(zhuǎn)齒輪安裝在激光器輸出端前，且使反光齒接收激光器輸出的入射激光束，柱面凹透鏡、柱面凸透鏡依次安裝在旋轉(zhuǎn)齒輪上方與水槽底部之間的空間內(nèi)，將旋轉(zhuǎn)齒輪的垂直向上的出射激光束先擴(kuò)散為扇形片光，再收縮為矩形片光后照亮水槽中待測區(qū)域，旋轉(zhuǎn)齒輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動，兩個(gè)高速相機(jī)分別斜向安裝在水槽同側(cè)，水平軸安裝高度與過待測區(qū)域中心的水平線齊平，并分別位于過待測區(qū)域中心的垂線兩側(cè)；同步器通過數(shù)據(jù)線分別與計(jì)算機(jī)、激光器和高速相機(jī)相連，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線分別與兩個(gè)高速相機(jī)、步進(jìn)電機(jī)相連。
[0007]所述旋轉(zhuǎn)齒輪主要由旋轉(zhuǎn)軸、圓柱面與N個(gè)反光齒構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)軸安裝在步進(jìn)電機(jī)上，控制整個(gè)旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動，反光齒為在圓柱面上間隔排列的凸條結(jié)構(gòu)，繞圓柱面呈螺紋狀均勻分布，反光齒朝向激光器一面為鏡面，以便反射入射激光束；反光齒上處處曲率相等，在旋轉(zhuǎn)齒輪軸向上首尾相接。入射激光束照射在反光齒上后沿垂直方向反射，隨著旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)動，入射激光束的入射點(diǎn)將在反光齒上沿旋轉(zhuǎn)齒輪的軸向移動；反光齒上處處曲率相等，旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動過程中的任意時(shí)刻，入射點(diǎn)處的法線均相互平行，導(dǎo)致任意時(shí)刻經(jīng)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)齒輪反光齒反射的出射激光束相互平行并位于同一平面上；反光齒在旋轉(zhuǎn)齒輪軸向上首尾搭接，當(dāng)入射點(diǎn)到達(dá)反光齒尾部時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)動，入射點(diǎn)將立即跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)反光齒的頭部，使得出射激光束始終保持單向連續(xù)掃描，并且兩次掃描之間沒有時(shí)間間隔；旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)一周，出射激光束連續(xù)掃描N次，使得對三維流場的最終掃描頻率為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的N倍。
[0008]本發(fā)明提出的采用所述裝置的三維流場測量方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]I)將片光掃描范圍Δζ均勻劃分出K個(gè)位置,記為ZpZ2、......、zk位置,設(shè)旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速為Ω，反光齒的個(gè)數(shù)為N，高速相機(jī)的拍攝速度為H，該四個(gè)參數(shù)滿足如下式關(guān)系:
[0010]H = ΩΝΚ
[0011]2)設(shè)在某一 Ttl時(shí)刻矩形片光掃描至位置Z1，照亮水槽中Z1處的xy平面，兩臺高速相機(jī)在計(jì)算機(jī)和同步器控制下同步拍攝被照亮的平面的圖片各一張，記為Ilitl和IIw ;經(jīng)過時(shí)間間隔T/2后，矩形片光掃描至位置Z2，兩臺高速相機(jī)拍攝被照亮的平面的圖片各一張，分別為1i和11i，時(shí)間間隔T/2，由旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速Ω、反光齒的個(gè)數(shù)N以及K通過下式?jīng)Q定:

【權(quán)利要求】
1.一種三維高頻粒子圖像測速的裝置，其特征在于，該裝置包括激光器、具有多個(gè)反光齒的旋轉(zhuǎn)齒輪、步進(jìn)電機(jī)、柱面凹透鏡、柱面凸透鏡、兩個(gè)高速相機(jī)、同步器與計(jì)算機(jī)；其中，激光器安裝在水槽底部，旋轉(zhuǎn)齒輪安裝在激光器輸出端前，且使反光齒反射激光器輸出的入射激光束，柱面凹透鏡、柱面凸透鏡依次安裝在水槽底部和旋轉(zhuǎn)齒輪上方之間的空間內(nèi)，將反光齒反射的垂直向上的出射激光束先擴(kuò)散為扇形片光，再收縮為矩形片光后照亮水槽中待測區(qū)域，旋轉(zhuǎn)齒輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動，兩個(gè)高速相機(jī)分別斜向安裝在水槽同側(cè)，水平軸安裝高度與過待測區(qū)域中心的水平線齊平，并分別位于過待測區(qū)域中心的垂線兩側(cè)；同步器通過數(shù)據(jù)線分別與計(jì)算機(jī)、激光器和高速相機(jī)相連，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線分別與兩個(gè)高速相機(jī)、步進(jìn)電機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)齒輪主要由旋轉(zhuǎn)軸、圓柱面與N個(gè)反光齒構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)軸安裝在步進(jìn)電機(jī)上，控制整個(gè)旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動，反光齒為在圓柱面上等間隔排列的凸條結(jié)構(gòu)，繞圓柱面呈螺紋狀均勻分布，反光齒朝向激光器一面為鏡面，以便反射入射激光束，入射激光束照射在反光齒上后沿垂直方向反射，隨著旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)動，入射激光束的入射點(diǎn)將在反光齒上沿旋轉(zhuǎn)齒輪的軸向移動；反光齒上處處曲率相等，旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動過程中的任意時(shí)刻，入射點(diǎn)處的法線均相互平行，導(dǎo)致任意時(shí)刻經(jīng)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)齒輪反光齒反射的出射激光束相互平行；反光齒在旋轉(zhuǎn)齒輪軸向上首尾搭接，當(dāng)入射點(diǎn)到達(dá)反光齒尾部時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)動，入射點(diǎn)將立即跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)反光齒的頭部，使得出射激光束始終保持單向連續(xù)掃描，并且兩次掃描之間沒有時(shí)間間隔；旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)一周，出射激光束連續(xù)掃描N次，使得對三維流場的最終掃描頻率為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的N倍。
3.一種采用如權(quán)利要求1所述裝置的三維流場測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將片光掃描范圍八2均勻劃分出1(個(gè)位置，記為21、22、……、Zk位置，設(shè)旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速為Ω，反光齒的個(gè) 數(shù)為N，高速相機(jī)的拍攝速度為H，該四個(gè)參數(shù)滿足如下式關(guān)系: H = ΩΝΚ 2)設(shè)在某一Ttl時(shí)刻矩形片光掃描至位置Z1，照亮水槽中Z1處的xy平面，兩臺高速相機(jī)在計(jì)算機(jī)和同步器控制下同步拍攝被照亮的平面的圖片各一張，記為Ilitl和IIw ;經(jīng)過時(shí)間間隔T/2后，矩形片光掃描至位置Z2，兩臺高速相機(jī)拍攝被照亮的平面的圖片各一張，分別為Ι1Λ和Π1Λ，時(shí)間間隔T/2，由旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速Ω、反光齒的個(gè)數(shù)N以及K通過下式?jīng)Q定:
3)按步驟2)進(jìn)行采集，直到矩形片光掃描到位置ζΝ，兩臺高速相機(jī)分別獲得圖片Ι1Λ和IIu，完成對整個(gè)Λ z范圍的一次掃描，總共用時(shí)(K-1) Τ/2 ； 4)矩形片光在Τ/2時(shí)刻后立即跳轉(zhuǎn)到Z1位置，開始進(jìn)行下一次Λζ范圍的掃描，相鄰兩次掃描相同位置的時(shí)間間隔均為Dt = ΚΤ/2，則對三維流場的采樣頻率為2/ΚΤ ;記第二次掃描所得圖片序列分別為I2il~I2，k和Π2Λ~II2，k ;若總共進(jìn)行M次測量，則圖片序列直到IM;1~ IM，k和IIsu~IIM，k，共獲得2XMXK幀圖像； 5)提取圖像序列中的四張圖片Ii,」、Ili，」、hIIij1，采用立體粒子圖像測速算法得到位置Zi處時(shí)刻(2j+l)T/4時(shí)xy平面上的三維流場(Ui^ViJWi,P ； 6)遍歷i= I~K-l、j = O~M-1計(jì)算得到所有位置與時(shí)刻的xy平面上的三維流場(Ui, j, Vi,J, Wi,j)后，提取流場序列中的兩對三維流場(ua,b，Va,b, Wa,b)、(Ua,b+1，Va,b+1，ffa,b+1)，a = I?K-l、b = O?M-2，利用線性插值方法得到時(shí)刻β (K-1)Τ/2的三維流場(Ua, e, Va,e，Wa,e)，其中β = I?M-2;相同β的所有流場即是時(shí)刻β (K-l) Τ/2待測區(qū)域內(nèi)的三維流場。
【文檔編號】G01P5/20GK104133078SQ201410368220
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】鐘強(qiáng), 段炎沖, 李丹勛, 曹列凱, 陳啟剛, 王興奎 申請人:清華大學(xué)