基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法

摘要

本发明涉及基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法，属于实验流体力学研究领域。该装置包括激光器、具有N个反光齿的旋转齿轮、步进电机、柱面凹透镜、柱面凸透镜、两个高速相机，同步器与计算机；其中，旋转齿轮上的圆柱面上设置N个等间隔排列的螺纹状反光齿并首尾搭接，旋转齿轮在旋转过程中将与其轴距不变的入射激光束反射为在一个固定平面内单向顺序扫描的反射激光束，经过柱面凹透镜、柱面凸透镜后转换为扫描矩形片光；由于每个反光齿实现一次扫描，故而本发明的实际三维扫描速度可达到步进电机转速的N倍，真正实现三维流场的高频测量，获得三维流场时空演变过程，对流体力学的试验研究具有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于实验流体力学研究领域，特别涉及基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法。

背景技术

水流的紊动具有较强的时空变化特性，长期以来科技工作者采用多种方法进行三维流场的测量，如二维平面上的三维速度测量技术、三维粒子示踪测速技术、散焦粒子图像测速技术、全息粒子图像测速技术、层析粒子图像测速技术和片光扫描粒子图像测速技术等。

二维平面上的三维速度测量技术是利用激光片光照亮流体中的一个平面中的示踪粒子，两个相机从不同角度同时对准被照亮的平面进行拍摄，最终通过立体粒子图像测速算法得到平面上每个测点的三维速度矢量。二维平面上的三维速度测量技术只能得到一个平面上的三维流速，不能得到一个体积内的真实三维流场。三维粒子示踪技术和散焦粒子图像测速技术使用激光柱照亮流体中一定体积内的示踪粒子，通过多相机从不同的视角对所照亮的流体体积拍照，对不同相机所得图片中的示踪粒子图像进行识别和匹配，根据立体视觉原理得到每个示踪粒子的三维速度。由于需要对每个示踪粒子进行识别和匹配，这种方法仅适用于示踪粒子密度较低的流动，并且只有在示踪粒子的位置才能得到流速矢量，测量结果的空间分辨率较低。全息粒子图像测速技术是全息摄影技术和粒子图像测速技术的结合，其中，全息摄影包括全息成像、全息重构和图像数字化等步骤，所需的光路结构极为复杂，无法实现高频连续采样，无法进行推广应用。层析粒子图像测速技术采用激光柱照亮流体中一定体积内的示踪粒子，使用多个相机从不同视角记录下所照亮的立体空间的平面图像，再利用层析算法重构出立体图像进行三维互相关计算，求得立体空间的三维流场。由于测量体厚度过大或者示踪粒子密度过大时，均会使得层析算法重构出大量的虚假示踪粒子，严重影响测量精度，因此该技术中测量体的厚度较小，且测量结果的分辨率也较低。

片光扫描粒子图像测速技术是片光扫描技术与二维平面上的三维速度测量技术的结合，使用一定的机械和光路结构使得片光在测量体内不断扫描，两个相机不断从不同的视角对所照亮的平面拍照，它既具有平面粒子图像测速技术精度与分辨率高的特点，也借助片光扫描实现了三维立体测量的目标。目前主要的片光扫描技术是振镜法和旋转鼓法，振镜法是使用步进电机控制一块平面镜往复振动，使得激光的入射角不断变化，导致出射光线的角度不断变化，实现片光扫描。旋转鼓法是在一圆柱体上粘贴台阶状的平面镜，步进电机控制旋转鼓旋转的同时入射激光不断打在不同位置的平面镜上，造成出射光的位置不同，实现片光扫描。但是，无论是振镜法还是旋转鼓法，受制于步进电机的转动速度和台阶状平面镜的制作精度，片光扫描的频率和范围都较低，所以目前片光扫描粒子图像测速技术的测量体积小、可测流速和采样频率都较低。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法，实现高频率、高精度的三维立体流场测量，进一步提高流体力学试验中测量立体三维流场的能力。

本发明提出的基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置，其特征在于，该装置包括激光器、具有多个反光齿的旋转齿轮、步进电机、柱面凹透镜、柱面凸透镜、两个高速相机、同步器与计算机；其中，激光器安装在水槽底部，旋转齿轮安装在激光器输出端前，且使反光齿接收激光器输出的入射激光束，柱面凹透镜、柱面凸透镜依次安装在旋转齿轮上方与水槽底部之间的空间内，将旋转齿轮的垂直向上的出射激光束先扩散为扇形片光，再收缩为矩形片光后照亮水槽中待测区域，旋转齿轮由步进电机驱动转动，两个高速相机分别斜向安装在水槽同侧，水平轴安装高度与过待测区域中心的水平线齐平，并分别位于过待测区域中心的垂线两侧；同步器通过数据线分别与计算机、激光器和高速相机相连，计算机通过数据线分别与两个高速相机、步进电机相连。

所述旋转齿轮主要由旋转轴、圆柱面与N个反光齿构成，旋转轴安装在步进电机上，控制整个旋转齿轮转动，反光齿为在圆柱面上间隔排列的凸条结构，绕圆柱面呈螺纹状均匀分布，反光齿朝向激光器一面为镜面，以便反射入射激光束；反光齿上处处曲率相等，在旋转齿轮轴向上首尾相接。入射激光束照射在反光齿上后沿垂直方向反射，随着旋转齿轮的转动，入射激光束的入射点将在反光齿上沿旋转齿轮的轴向移动；反光齿上处处曲率相等，旋转齿轮转动过程中的任意时刻，入射点处的法线均相互平行，导致任意时刻经转动的旋转齿轮反光齿反射的出射激光束相互平行并位于同一平面上；反光齿在旋转齿轮轴向上首尾搭接，当入射点到达反光齿尾部时，随着旋转齿轮的转动，入射点将立即跳转到下一个反光齿的头部，使得出射激光束始终保持单向连续扫描，并且两次扫描之间没有时间间隔；旋转齿轮旋转一周，出射激光束连续扫描N次，使得对三维流场的最终扫描频率为步进电机转速的N倍。

本发明提出的采用所述装置的三维流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将片光扫描范围Δz均匀划分出K个位置，记为z₁、z₂、……、z_k位置，设旋转齿轮的转速为Ω，反光齿的个数为N，高速相机的拍摄速度为H，该四个参数满足如下式关系：

H＝ΩNK

2)设在某一T₀时刻矩形片光扫描至位置z₁，照亮水槽中z₁处的xy平面，两台高速相机在计算机和同步器控制下同步拍摄被照亮的平面的图片各一张，记为I_1,0和II_1,0；经过时间间隔T/2后，矩形片光扫描至位置z₂，两台高速相机拍摄被照亮的平面的图片各一张，分别为I_1,1和II_1,1，时间间隔T/2，由旋转齿轮的转速Ω、反光齿的个数N以及K通过下式决定：

$>\frac{T}{2}=\frac{1}{\mathrm{\Omega NK}}$>

3)按步骤2)进行采集，直到矩形片光扫描到位置z_N，两台高速相机分别获得图片I_1,k和II_1,k，完成对整个Δz范围的一次扫描，总共用时(K-1)T/2；

4)矩形片光在T/2时刻后立即跳转到z₁位置，开始进行下一次Δz范围的扫描，相邻两次扫描相同位置的时间间隔均为Dt＝KT/2，则对三维流场的采样频率为2/KT；记第二次扫描所得图片序列分别为I_2,1～I_2,k和II_2,1～II_2,k；若总共进行M次测量，则图片序列直到I_M,1～I_M,k和II_M,1～II_M,k，共获得2×M×K帧图像；

5)提取图像序列中的四张图片I_i,j、II_i,j、I_i,j+1、II_i,j+1，采用立体粒子图像测速算法得到位置z_i处时刻(2j+1)T/4时xy平面上的三维流场(U_i，j，V_i，j，W_i，j)；

6)遍历i＝1～K-1、j＝0～M-1计算得到所有位置与时刻的xy平面上的三维流场(U_i，j，V_i，j，W_i，j)后，提取流场序列中的两对三维流场(U_a，b，V_a，b，W_a，b)、(U_a，b+1，V_a，b+1，W_a，b+1)，a＝1～K-1、b＝0～M-2，利用线性插值方法得到时刻β(K-1)T/2的三维流场(U_a，β，V_a，β，W_a，β)，其中β＝1～M-2；相同β的所有流场即是时刻β(K-1)T/2待测区域内的三维流场。

本发明的技术特点及有益效果如下:

旋转齿轮轴线垂直于水槽中水流方向安装，定义水流方向为x方向，垂直于水槽底面向上为y方向，旋转齿轮轴线方向为z方向，激光器平行于z轴安装，并使得入射激光束照射在反光齿后沿y方向反射，假定入射激光束起始时刻照射在某一反光齿的头部，随着旋转齿轮的转动，入射点将沿z轴向反光齿尾部移动，由于反光齿在z方向上头尾相接，当入射点到达反光齿的尾部瞬间，随着旋转齿轮的转动，入射点将立即跳转到下一个反光齿的头部，使得出射激光束在z方向上始终是单向扫描，并且每次扫描之间没有时间间隔，如此循环；由于反光齿上处处曲率相等，入射激光束与旋转齿轮轴线的相对位置始终不变，所以旋转齿轮转动过程中的任何意时刻，入射点处的法线均相互平行，导致任意时刻经转动的旋转齿轮反射的出射激光束相互平行且位于同一平面上；随着旋转齿轮转动，出射激光束方向始终保持为y方向，并连续在z方向上单向扫描，旋转齿轮旋转一周，出射激光束在z方向连续扫描N次，N为旋转齿轮上反光齿的个数；使用柱面凹透镜将出射激光束扩散成扇形片光，再采用柱面凸透镜将扇形片光汇聚成矩形片光。调整装置的安装位置，使矩形片光的出射方向为y向，宽度方向为x向，并位于水槽中的待测区域，形成xy平面的矩形片光；由于旋转齿轮的旋转速度是均匀的，出射激光束在z方向的扫描速度也是均匀的，因此xy平面的矩形片光也将在z方向均匀扫描；两台高速相机从不同角度按照与旋转齿轮的旋转速度相匹配的拍摄速度对连续扫描的矩形片光照亮的待测区域进行同步拍摄时，可实现在z方向的等间距采集，使用立体粒子图像测速算法处理图片，最终实现对三维待测区域真实流场的测量；由于矩形片光连续扫描，每次扫描之间没有时间间隔，旋转齿轮旋转一周矩形片光可完成N次扫描，所以矩形片光的扫描速度是步进电机的旋转速度的N倍，真正实现三维流速场的高频测量。

本装置可实现高频率、高精度的三维立体流场测量，可获得真实的三维高频流速场的时空变化过程，进一步提高流体力学试验中测量立体三维流场的能力。对流体力学的试验研究具有重要应用价值。

附图说明

图1为本发明装置组成示意图；

图2为本发明中的旋转齿轮结构图；

图3为本发明采样位置与三维流场计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法，如图1，该装置包括激光器12、具有多个反光齿的旋转齿轮13、步进电机14、柱面凹透镜17、柱面凸透镜18、两个高速相机111，同步器113与计算机112；其中，激光器12安装在水槽11底部，旋转齿轮13安装在激光器12输出端前，且使反光齿接收激光器输出的入射激光束15，柱面凹透镜17、柱面凸透镜18依次安装在旋转齿轮13至水槽11底部间的空间内且将旋转齿轮13的垂直向上的出射激光束16先扩散为扇形片光，再收缩为矩形片光19后照亮水槽中待测区域，旋转齿轮13由步进电机14驱动转动，两个高速相机111分别斜向安装在水槽同侧，两个高速相机111的水平轴安装高度与过待测区域中心的水平线齐平，并分别位于过待测区域中心的垂线的两侧；同步器113通过数据线分别与计算机112、激光器12和高速相机111相连，计算机112通过数据线分别与两个高速相机111、步进电机14相连。

所述旋转齿轮13结构如图2，旋转齿轮13主要由旋转轴21、圆柱面22与N个反光齿23构成，旋转轴安装在步进电机14上，控制整个旋转齿轮13转动，反光齿23是在圆柱面22上间隔排列的凸条结构，绕圆柱面22呈螺纹状均匀分布，反光齿23在z方向上首尾相接，且反光齿23上处处曲率相等，朝向激光器一面为镜面，以便反射入射激光束15。

在旋转齿轮13转动过程中，入射激光束15的入射点24不断移动，在z方向上扫描，当入射点24移动至反光齿23的最远端时，随着旋转齿轮13的转动，入射点24立即跳转至下一个反光齿23的最近端，因此，在旋转齿轮13转动过程中，出射激光束16在Δz范围内的扫描是连续并且单向的，两次扫描之间没有时间间隔，Δz在设计加工旋转齿13时确定，Δz越大，在z方向的测量范围越大，反之则越小；旋转齿轮旋转一周出射激光束16可完成z方向上N次扫描，扫描速度比步进电机12的最大旋转速度快N倍。

本装置的工作原理为：激光器12发出的入射激光束15经旋转齿轮13反射，出射激光束16垂直进入柱面凹透镜17，扩散为扇形片光，之后再经过柱面凸透镜18，将扇形片光收缩为矩形片光，随着旋转齿轮13转动，生成的片光将在矩形片光19到矩形片光110之间匀速单向扫描，调整激光器12、旋转齿轮13、柱面凹透镜17和柱面凸透镜18的位置，使得片光扫描范围为水槽11中的待测区域；调整高速相机111对准待测区域并能清晰成像；计算机112控制步进电机14，带动旋转齿轮13转动到预定位置时计算机112发出触发指令给同步器113，同步器113接收触发指令后向激光器12和高速相机111发出指令，激光器12接受指令后产生一束脉冲激光，经过旋转齿轮13、柱面凹透镜17和柱面凸透镜18后形成矩形片光照亮水槽11中的待测区域，两台高速相机111收到指令后同步采集矩形片光照亮的xy平面图片各1张；计算机112控制步进电机14带动旋转齿轮13转动到下一预定位置时，计算机112通过同样方式控制两台高速相机111同步采集xy平面图片各1张，如此往复，直到采样结束，图片通过数据线传输至计算机112保存和处理，最终得到待测体内的三维流场。

采用本装置的三维流场测量方法为：如图3，将片光扫描范围Δz均匀划分出K个位置，记为z₁、z₂、……、z_k位置，旋转齿轮13的转速为Ω，反光齿23个数为N，高速相机111的拍摄速度为H，实际测量时需调整以上四个参数需要满足如下关系：

H＝ΩNK     (1)

其中，K值越大，测量结果在z方向的分辨率越高，Ω和N越大，对待测区域的三维流场采样频率越高，但从上式可以看到，对应的高速相机111的拍摄速度H也会越高，相反，K值越小，测量结果在z方向的分辨率越低，Ω和N越小，对待测区域的三维流场采样频率越小，但高速相机111的拍摄速度H越低；设在某一T₀时刻矩形片光扫描至位置z₁，照亮水槽11中z₁处的xy平面，两台高速相机111在计算机112和同步器113控制下同步拍摄被照亮的平面的图片各一张，记为I_1,0和II_1,0；经过时间间隔T/2后，矩形片光19扫描至位置z₂，两台高速相机111拍摄被照亮的平面的图片各一张，分别为I_1,1和II_1,1，时间间隔T/2由旋转齿轮13的转速Ω、反光齿23个数N以及K通过下式决定

$>\frac{T}{2}=\frac{1}{\mathrm{\Omega NK}}---\left(2\right)$>

按照这个规律进行采集，直到矩形片光19扫描到位置z_N，两台高速相机111分别获得图片I_1,k和II_1,k，完成对整个Δz范围的一次扫描，总共用时(K-1)T/2；矩形片光在T/2时刻后立即跳转到z₁位置，开始进行下一次Δz范围的扫描，相邻两次扫描相同位置的时间间隔均为Dt＝KT/2，因此对三维流场的采样频率为2/KT，将式(2)代入得到采样频率也可表示为ΩN，可见，本发明实现的采样频率为步进电机12转速Ω的N倍，而传统的三维流场测量方法采样频率仅能达到步进电机12的转速Ω，并且，步进电机12的转速Ω存在上限，而在本发明中，当需要进一步增加采样频率时，只需增加旋转齿轮13的反光齿23个数N即可，真正实现了三维流场的高频测量。

记第二次扫描所得图片序列分别为I_2,1～I_2,k和II_2,1～II_2,k；若总共进行M次测量，则图片序列直到I_M,1～I_M,k和II_M,1～II_M,k，试验共获得2×M×K帧图像；提取图像序列中的四张图片I_i,j、II_i,j、I_i,j+1、II_i,j+1，使用立体粒子图像测速算法得到位置z_i处时刻(2j+1)T/4时xy平面上的三维流场(U_i，j，V_i，j，W_i，j)；遍历i＝1～K-1、j＝0～M-1计算得到所有位置与时刻的xy平面上的三维流场(U_i，j，V_i，j，W_i，j)后，提取流场序列中的两对三维流场(U_a，b，V_a，b，W_a，b)、(U_a，b+1，V_a，b+1，W_a，b+1)，a＝1～K-1、b＝0～M-2，利用线性插值方法得到时刻β(K-1)T/2(图3中圆圈表示的时刻)的三维流场(U_a，β，V_a，β，W_a，β)，其中β＝1～M-2；相同β的所有流场既是时刻β(K-1)T/2待测区域内的真实三维流场。

上述计算通过采用常规的编程技术编制成计算机程序预先存储在计算机112中即可实现本发明装置的三维流场测量。

下面以明渠紊流三维流场测量实验为实施例对本发明的详细实施过程进行说明。本实施例中，高速相机111为两台美国IDT公司的Y7-S3高速摄像机，分辨率1920×1080像素，全幅条件下拍摄速度为12300帧/秒，机身内存64G。在试验过程中图像实时存入摄像机内存，当采样结束后将图像通过数据线转入计算机112储存。激光器12采用美国Photonics Industrial公司的MD150-532脉冲激光器，脉冲带宽120ns，波长532nm，脉冲频率15KHz时每个脉冲的能量为10mJ，总功率150W；同步器113为美国IDT公司的MotionPro Timing Hub型同步器。柱面凹透镜17长40mm，焦距10mm，安装在入射点24上方10mm处，柱面凸透镜18长300mm，焦距400mm，安装在柱面凹透镜17上方390mm处。

在本实施例中制作了两个旋转齿轮13进行了两次测量，第一次测量使用的旋转齿轮13的Δz＝24mm，反光齿23个数N＝10，测量流体的厚度为24mm，步进电机转速为Ω＝100转/s，激光器12脉冲频率为12000Hz，高速相机111的拍摄速度为12000帧/s，在Δz内共测量K＝12个xy平面，z方向分辨率为2mm，则采样频率为1000Hz。高速相机111的图片像素取1920×1080、分辨率0.1mm/Pix，则xy平面采样窗口的物理尺寸为192×108mm²，实际测量的体积为192×108×24mm³；

第二次测量采用旋转齿轮13的Δz＝6mm，反光齿23个数N＝20，沿Δz内共测量K＝6个xy平面，其他参数不变，实际测量体积为192×108×6mm³，采样频率为2000Hz，实现了对体区域的真实三维速度的高频测量。