基于面阵CCD空间滤波器的流动二维速度场测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置及测量方法，其中测量装置包括一激光器、一透镜组、一面阵CCD及一图像处理器。与现有技术相比，本发明具有以下优点：无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现被测对象全场速度测量；充分利用面阵CCD传感器作为空间滤波器和探测器，与图像处理器相结合，系统设备简单，数据处理方便，避免了相关法图像处理计算工作量大，搜索速度慢以及传统空间滤波法无法实现流动速度场测量等问题，对仪器的安装、调试及其使用环境都有较低的要求，可适合不同场合下的流体流场测量。

说明书

技术领域

本发明属于速度测量技术领域，具体涉及一种基于面阵CCD空间滤波器的流动二维 速度场测量方法及装置。

背景技术

对于二维平面速度的测量，主要有粒子示踪速度法(Particle Tracer Velocimetry，简称 PTV)，粒子图像速度法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)和激光散斑测速法（Laser  Speckle Velocimetry,简称LSV）。PTV/PIV是20世纪80年代发展起来的研究流体力学的 一种非常重要的仪器，但是目前商品化的PIV仪器设备复杂，价格昂贵，这就极大地限制 了PIV测量仪的应用和发展。

1977年，散斑计量技术被引进到流体力学领域，用来测量流场的运动速度，称之为激 光散斑测速法，并逐渐发展成为粒子图像测速法，在流场流速测量中应用尤为广泛。其基 本过程是利用激光照射待测流动对象形成散斑，用光电接收器接受散斑，最后对散斑图进 行处理分析，继而得到所需的速度信息。在该技术中，散斑图像处理是重点，也是难点。 目前，多采用数字图像相关法进行处理，其基本原理是通过图像匹配的方法分析散斑图像， 在此基础上分析得到所测速度。应用数字图像相关法进行待测对象速度测量时，对图像的 质量要求较高,当待测对象速度过快时，图像就会变的模糊，因此该方法用于测量待测对 象时测量的速度范围小；在算法方面，有些算法简单但计算量大，如早期的粗细搜索法， 编程简单，易于实现，但搜索速度慢。

现有空间滤波器，如平行狭缝光栅、线性光纤束、线性光电探测器阵列，也能实现对 流动速度的测量，只是这些滤波器结构间隔g难以保证具有较高的准确性，同时需要后续 放大电路，相对较为复杂,不便于系统集成，更为重要的是现有空间滤波法往往仅能实现 流体单点速度的测量，而无法实现流动速度场测量。

发明内容

技术问题：本发明针对粒子图像法和现有空间滤波法流场测量时存在的不足，提出了基于 CCD空间滤波器的流体速度场测量的方法和装置，对拍摄的流动图像进行选择性隔行和隔 列采样，以模拟光栅的空间滤波特性，进而通过频谱分析的方法可实现流体二维速度场测 量。本发明方法及装置只需利用低功率、小型连续发光的气体激光器作为光源，利用高速 CCD摄像机获取待测流动对象的图像，进而分析得到流动对象的速度场，具有易于实现、 数据处理简便、测量范围大、成本低等优点。

技术方案：本发明基于空间滤波测速原理，提出了一种利用面阵CCD空间滤波器进行二 维速度场的测量方法及装置，其基本思路：激光器作为线光源，激光线光源照射含有粒子 的待测流动对象，利用面阵CCD传感器作为图像探测器对流体进行拍摄，获得含有速度 信息的流动图像，对CCD拍摄的流动图像进行选择性隔行和隔列采样，并通过频谱分析 的方法，进而可获得流动二维速度场，从而实现了对待测流动对象速度的光学非接触测量。

一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置，其特征在于，包括：

一激光器，用于发出出射光；

一透镜组，用于对所述出射光照射的示踪粒子成像；

一面阵CCD，用于采集所述透镜组成像的图像；

一图像处理器，将面阵CCD划分成不同的子区域，每一子区域作为一空间滤波器， 然后把采集获得的每帧图像转换为灰度值矩阵；在此基础上将该灰度值矩阵也划分成不同 的敏感子区域，每一敏感子区域作为一空间速度测量区域，分别对所有敏感子区域像素灰 度值，进行选择性隔行和隔列累加的方式来模拟传统光栅滤波器的遮光和透光作用，最后 对采集的所有图像的同一敏感区域内累加的灰度原始信号序列进行傅里叶变换，获得信号 的尖峰频率；根据获得信号的尖峰频率计算每个敏感子区域的矢量速度；对所有敏感子区 域进行上述处理，即可实现面阵CCD视场范围内，流体二维速度分布测量。

所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器或二极管激光器。

所述透镜组包括两个普通光学镜头，透镜组的放大率为0.8，焦距为69mm，f数1.4。

一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场的测量方法，其特征在于，包括如下步 骤：

步骤一、在待测流动对象中加入体积浓度为0.0005%～0.005%的示踪粒子，激光器线 光源出射光照射在含有示踪粒子的待测流动对象，由于光的散射作用，利用面阵CCD传 感器可获取一系列的粒子运动图像，利用图像处理器的图像采集单元采集并储存在图像处 理器的储存单元内；

第二步、将面阵CCD传感器阵列划分成不同的子区域，每一子区域作为一空间滤波器， 然后把采集获得的图像转换为灰度值矩阵，在此基础上该灰度值矩阵也被划分成不同的敏 感子区域，每一敏感子区域作为一空间速度测量区域；

第三步、分别对所有敏感子区域像素灰度值，进行选择性隔行和隔列累加的方式来模 拟传统光栅滤波器的遮光和透光作用，最后对采集的所有图像的同一敏感区域内累加的灰 度原始信号序列进行傅里叶变换，获得信号的尖峰频率；水平速度V_x由敏感子区域内隔列 列像素灰度值累加和序列的时域频谱尖峰频率f_x获得，而垂直速度V_y由敏感子区域内隔行 行像素灰度值累加和序列的时域频谱尖峰频率f_y获得，具体的速度测量关系为：

V_x＝g·f_x/M   (1)

V_y＝g·f_y/M   (2)

式中，g为敏感子区域内列或行之间的间隔，M为图像的比例放大系数，由透镜组的 光学镜头参数确定；

第四步、对敏感子区域内获得的水平方向速度V_x和竖直方向速度V_y，求矢量和，即可 得到该敏感子区域的矢量速度V：

$V=\overrightarrow{V}x+\overrightarrow{V}y---\left(3\right)$

第五步、对面阵CCD传感器阵列划分的每一敏感子区域重复上述步骤三和四，即可得 到每个敏感子区域内的矢量V，因此可实现面阵CCD视场范围内流体二维速度分布测量。

本发明基于上述面阵CCD传感器的流动二维速度场测量方法的测量装置，包括激光 器、透镜组、面阵CCD和带图像采集单元(图像采集卡)以及存储单元的图像处理器，其中 图像处理器可选常用的计算机，激光器为线光源，其内部带有柱面镜，实现点光源到线光 源的扩展；透镜组通过卡口与面阵CCD连接，面阵CCD通过信号电缆与计算机的图像采 集卡连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：无需大功率的激光器、高分辨率 的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现被测对象全场速度测量；充分利用面阵 CCD传感器作为空间滤波器和探测器，与图像处理器相结合，系统设备简单，数据处理方 便，避免了相关法图像处理计算工作量大，搜索速度慢以及传统空间滤波法无法实现流动 速度场测量等问题，对仪器的安装、调试及其使用环境都有较低的要求，可适合不同场合 下流体流场测量。

附图说明

图1为本发明所述基于CCD空间滤波器的流动二维速度场测量装置的结构示意图； 其中，激光器线光源1、透镜组2、面阵CCD3、图像处理器4。

图2为基于面阵CCD空间滤波器的二维速度分布测量敏感区域划分的示意图。

图3为水平管道内纳米流体流动速度场测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发 明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等 价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的工作原理：向待测流体中种植示踪粒子，示踪粒子受到激光线光源照射，高 速面阵CCD3在计算软件的控制下，由图像处理器4采集获取流场图像，并存储在图像处 理器内；在图像处理器4内，图像处理软件首先对获取的多帧图像选取多个敏感子区域， 接着在每个子区域内，对行和列进行选择性隔行和隔列累加的方式来模拟传统光栅滤波器 的遮光和透光作用，最后对累加的隔行和隔列原始灰度信号序列，进行傅里叶变化得到信 号的尖峰频率f_x和f_y，并计算出敏感子区域的速度，即可获得待测流体二维速度场分布。

如图1所示，本发明所述基于CCD空间滤波器的流动二维速度场测量装置主要包括 光源1、透镜组2、隔行扫描CCD3、图像处理器4。光源可采用连续激光器线光源1(如 He-Ne激光器1)。透镜组2包括两个普通光学镜头(透镜组2的放大率0.8，焦距69mm， f数1.4，具体参数可以根据实验需求进行选择)，通过C卡口与高速面阵CCD3连接。高 速面阵CCD3通过信号电缆与图像处理器相连。在图像处理器4内的图像数据处理软件的 控制下，可完成图像采集、存储与处理等整体协调。

结合图1和图2，下面结合水平管道内纳米流体流动速度场测量，对本发明的工作过程 及数据处理流程具体说明：

1.由于纳米流体内含有纳米颗粒，可跟随基液流体流动，因此无需向待测流体中加入示 踪粒子。激光器线光源1出射光为扇形片状光，在片状光源的照射下，纳米流体内纳 米颗粒各自形成一个小的散射斑点，利用高速面阵CCD传感器3获取一系列流体运动 图像，利用图像处理器4采集并储存在处理器内。

2.将CCD传感器阵列划分成25x25个不同的子区域，每一子区域包含10x10个像素，作 为一空间滤波器，对应的把采集获得的序列图像灰度值矩阵划分成不同的敏感子区域， 每一子区域作为一空间速度测量区域。

3.分别对每个敏感子区域做如下处理：

1)某一子区域内，水平速度V_x的处理步骤如下：对于第m帧图像，从敏感子区域的第 一列开始，将第一列的图像灰度值相加得C_m1(其中下角标m表示的是第几帧图像)， 隔1列后，再将下一列像素的灰度值相加得C_m2，依此类推，经过5次累加处理可得 到C_m1,C_m2,C_m3,C_m4,C_m5。面阵CCD利用这种隔列累加的方式，就可以模拟传统光 栅滤波器的遮光和透光作用，然后把C_m1,C_m2,C_m3,C_m4,C_m5相加得到C_m，即有：

C_m＝C_m1+C_m2+C_m3+C_m4+C_m5   (4）

对于同一个采样周期内的n张图像，可得到一个序列C=(C₁,C₂,...，C_m，...C_n)， 其中n为图像的帧数，然后把序列C进行傅里叶变换得到功率谱分布图，从功率谱分 布图中便可得到尖峰频率f_x，即可确定该子区域流体水平速度。

V_x＝g·f_x/M   (1)

2)对于子区域内的垂直方向速度V_y，采用相似处理的隔行像素灰度值累加，获得 时间序列D=（D₁，D₂，......D_n），把序列D进行傅里叶变换得到功率谱分布图， 从功率谱分布图中便可得到尖峰频率f_y，即可确定该子区域流体垂直速度。

V_y＝g·f_y/M   (2)

3)对子区域内的水平方向速度V_x和竖直方向速度V_y进行矢量求和，即可得到每个敏感 子区域的速度V。

$V=\overrightarrow{V}x+\overrightarrow{V}y---\left(3\right)$

4)对面阵CCD传感器阵列划分的25x25个敏感子区域重复上述步骤3和4，即可得到 每个敏感子区域内的矢量V，因此可实现CCD视场范围内流体二维速度分布测量。 图3为水平管道内纳米流体流动速度场测量结果。