阅读说明：本技术 一种流动粒子速度测量方法及系统 (Method and system for measuring velocity of flowing particles ) 是由 胡文成 张宝华 李孝堂 范玮 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种流动速度测量方法,所述方法包括：生成至少两个平行的平面光束,并使所述平面光束汇聚形成用于示踪粒子通过的有效测量区域,所述有效测量区域划分成若干的子区域,每个平面光束至少包括两个按预定时间间隔发送的光源汇聚而成；分别获取光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强,并根据所述入射光强和出射光强的衰减形成所述示踪粒子的第一分布图像和第二分布图像；互相关所述第一分布图像和第二分布图像形成所述示踪粒子的流动分布。本申请的流动速度测量方法及系统可以解决粒子的互相遮蔽现象,且光强分布、被测区域的背景噪声等均不会影响速度的测量结果,还可通过选择适合的波长避免碳烟的影响。(The application relates to a flow velocity measurement method, comprising: generating at least two parallel plane light beams, converging the plane light beams to form an effective measuring area for trace particles to pass through, wherein the effective measuring area is divided into a plurality of sub-areas, and each plane light beam at least comprises two light sources which are sent at preset time intervals and converged; respectively obtaining incident light intensity and emergent light intensity which are emitted by a light source and pass through the sub-regions, and forming a first distribution image and a second distribution image of the tracer particles according to the attenuation of the incident light intensity and the emergent light intensity; cross-correlating the first distribution image and the second distribution image forms a flow distribution of the tracer particles. The flow velocity measuring method and the flow velocity measuring system can solve the problem of mutual shielding of particles, the measuring result of the velocity cannot be influenced by light intensity distribution, background noise of a measured area and the like, and the influence of soot can be avoided by selecting proper wavelength.)

一种流动粒子速度测量方法及系统

技术领域

本申请属于成像技术领域，特别涉及一种流动粒子速度测量方法及系统。

背景技术

传统采用层析法进行粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV) 是利用高能量短波长脉冲YAG(Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石) 激光(波长约532nm)。

然而传统采用层析PIV法却具有如下缺点：

1)单脉冲激光能量一般大于30mJ，高能量的短波长激光对人眼伤害较大；

2)传统层析PIV方法所采用的多是弥散技术，若多个示踪粒子在同一探测角度的某一层析计算平面重叠，由于有一定几率的互相遮蔽，则可能造成不同粒子无法分辨；

3)传统层析PIV测量区域的三维空间大小会受相机景深的限制，其光强分布会对图像处理结果有影响，被测区域的背景光噪声对速度测量也会有影响；

4)传统PIV技术的采用532nm激光作为光源，测量有碳烟环境下的速度场会受到白炽光的影响。

发明内容

本申请的目的是提供了一种流动速度测量方法及系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

在一方面，本申请提供的技术方案是：一种流动速度测量方法，所述方法包括：

生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成用于示踪粒子通过的有效测量区域，所述有效测量区域划分成若干的子区域，每个平面光束至少包括两个按预定时间间隔发送的光源汇聚而成；

获取至少包括一个所述光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的衰减形成所述示踪粒子的第一分布图像；以及

获取至少包括另外一个所述光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的衰减形成所述示踪粒子的第二分布图像；

互相关所述第一分布图像和第二分布图像形成所述示踪粒子的流动分布。

在本申请的方法一实施方式中，每个平面光束包括至少两个光源，至少一个光源通过折射与另一光源汇聚后再进行散射以形成所述平面光束。

在本申请的方法一实施方式中，所述至少两个光源通过协调控制以预定时间间隔发射。

在本申请的方法一实施方式中，，所述光源为脉冲激光。

在本申请的方法一实施方式中，所述入射光强和出射光强的衰减遵循如下如下关系：

I_λe＝I_λ0exp(-β_λ△)

式中，I_λe为出设光强，I_λ0为入射光强，β_λ为衰减系数，且与液体的表面积有关，△为光所走的路程。

在另一方面，本申请提供的技术方案是：一种同时测量液体浓度和液体运动二维分布的系统，所述系统包括：

至少两个平面光束形成装置，用于生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成用于示踪粒子通过的有效测量区域，所述有效测量区域包括若干的子区域，每个平面光束至少包括两个按预定时间间隔发送的光源汇聚而成；

第一分布图像生成装置，用于获取至少包括一个光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的衰减构成第一分布图像；

第二分布图像生成装置，用于获取至少包括另外一个光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的衰减构成第二分布图像；

流动分布生成装置，用于互相关所述第一分布图像和第二分布图像以形成所述示踪粒子的流动分布。

在本申请的系统一实施方式中，，所述平面光束形成装置包括：

至少两个光源发射模块，所述光源发射模块用于产生并发射光源；

至少一个光源折射模块，所述光源折射模块用于将所述至少一个光源以预定角度反射或折射使得至少两个光源发射模块发射的光源汇聚；以及

片光调节模块，所述片光调节模块用于将汇聚后的光源进行散射以形成平面光束。

在本申请的系统一实施方式中，所述平面光束形成装置还包括：

控制模块，所述控制模块用于协调控制至少两个光源发射模块按预定时间间隔发射光源。

在本申请的系统一实施方式中，所述光源发射模块发生的光源为脉冲激光。

在本申请的系统一实施方式中，所述第一分布图像生成装置和/或第二分布图像生成装置根据所述入射光强和出射光强的衰减确定所述示踪粒子的分布图像遵循如下关系：

I_λe＝I_λ0exp(-β_λ△)

式中，I_λe为出设光强，I_λ0为入射光强，β_λ为衰减系数，且与液体的表面积有关，△为光所走的路程。

本申请的流动速度测量方法及系统可以解决粒子的互相遮蔽现象，且光强分布、被测区域的背景噪声等均不会影响速度的测量结果，还可通过选择适合的波长避免碳烟的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法流程图。

图2为本申请的同时测量液体浓度和液体运动二维分布的系统组成图。

图3为本申请的有效测量区域划分的子区域示意图。

图4为本申请一实施例的有效测量区域划分及成像效果示意图。

图5为本申请一实施例的激光发射与成像设备曝光时序示意图。

图6为本申请一实施例的粒子图像重构过程示意图。

图7为本申请一实施例的重构图形后的示踪粒子示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了使本申请的技术方案更加易于理解，在以下阐述中将结合本申请提供的方法及本申请提供的系统一起进行阐述。

如图1所示，本申请提供的流动速度测量方法方法100包括如下步骤：

步骤110：生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成用于示踪粒子通过的有效测量区域230，所述有效测量区域230被划分为若干的子区域，每个平面光束至少包括两个按预定时间间隔发送的光源汇聚而成。

为了生成上述方法中所述的至少两个平面光束，本申请的系统中提供了至少两个平面光束形成装置210，平面光束形成装置210用于生成平面光束，且每个平面光束形成装置210生成的平面光束相互平行且汇聚以形成一有效测量区域230。

在图2所示实施例中示例性的给出了三组平面光束形成装置210作为例子，实际应用中，平面光束形成装置210仅需两个便可以工作，当提高平面光束形成装置210的数量时，可以提高液体浓度二维分布测量的空间分辨率。

在本申请的系统中，平面光束形成装置210包括至少两个光源发射模块211、至少一个光源折射模块212以及片光调节模块213。每个光源发射模块211均用于产生并发射光源。光源折射模块212用于将至少一个光源发射模块211产生的光源以预定角度反射或折射，使得光源发射模块211 产生的管束汇聚成一束，最后片光调节模块213将折射后的光源进行散射以形成平面光束。

图2所示实施例中即为两个光源发射模块211、一个光源折射模块212 的情况。可以理解是，在本申请的系统中，光源发射模块211可以为三个、四个或多个，相应的，增加光源折射模块212使得所有的光源发射模块211 发射的光实现共束输出即可。

另外，由于本申请中的光源发射模块211发射的光源需要按预定时间间隔进行发射，本申请的系统中还具有控制模块214，控制模块214连接光源发射模块211以控制每个光源发射模块211按预定的时间进行发射。

进一步地，片光调节模块213包括第一调节模块2131及第二调节模块 2132，第一调节模块2131将较细的共束输出光源进行拓展扩大以形成较大面积的光源，第二调节模块2132将扩大后的光源进行平行约束并输出，使其形成平面的光束。

在一些实施例中，光源折射模块212通常为具有反射或折射功能的材质制成，例如反光玻璃或三棱镜等。在一些实施例中，片光调节模块213 通常为透明材质制成的光学元件，例如由玻璃或水晶制成的透镜。

为了使光源易于控制及具有较好的成像效果，本申请中的光源采用激光(脉冲)光源，即光源发射模块211为激光发射类设备，例如脉冲激光二极管。为了保证发射光强的稳定性，本申请中采用微秒量级的脉冲激光作为光源。为了保证输出波长具有较窄的线宽，上述光源折射模块212采用反射光栅以实现波长调节功能。

本申请中，有效测量区域需大体上垂直于示踪粒子的流向。

当多个平面光束形成装置210生成的平面光束经透镜组整形为平行片光后，同时汇聚于有效测量区域230，有效测量区域230即可对示踪粒子的位置进行测量。

如图4所示的子区域231，在测量时，将有效测量区域230划分为若干个子区域231，每个子区域231(以下或称体素)具有一定的厚度。在将有效测量区域230进行划分时，可以采用笛卡尔坐标系或极坐标系进行划分。

步骤120：获取至少包括一个光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的衰减可构成第一分布图像。

步骤130：同样的，获取至少包括另外一个所述光源发出且通过所述子区域的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强构成第二分布图像。

为能够实现示踪粒子的位置分布测量，本申请的系统中提供有第一分布图像生成装置和第二分布图像生成装置，其中第一分布图像生成装置和第二分布图像生成装置相同，实际使用中均为成像设备220(例如 CCD相机、COMS相机或SCOMS相机等)，其通过获取并记录平面光束的入射光强和出射光强，并根据入射光强和出射光强确定衰减系数以生成示踪粒子的二维分布图像。

在测量时，每个体素内的示踪粒子对光的衰减满足Beer’s-Lambert定律(公式1)。即经过体素的出射光强I_λe与入射光强I_λ0满足指数衰减(β_λ与液体表面积有关)。衰减后的激光经过透镜后，入射到成像设备220内进行成像。成像设备220(CCD相机、COMS相机和SCMOS相机等)和光源发射模块211的工作需按一定时序工作。

其中，入射光强、出设光强与衰减系数β_λ、光在体素内的行程满足如下关系式：

I_λe＝I_λ0exp(-β_λ△) (1)

式中，I_λe为出设光强，I_λ0为入射光强，β_λ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程。

粒子空间分布重构计算时，据所选成像设备220像素个数，将被测区域划分成若干个体素，体素内的参数β_λ△为所求未知数。根据公式1可得到某个体素的入射光强和出射光强的关系满足公式2和公式3。对于某行/ 列体素的出射光强和入射光强比值满足公式4，公式中n表示第n个体素(n 与被测区域划分的体素个数有关，i∈n)，I_λe为成像设备220感受到的经过示踪粒子衰减后的光强，即出射光强，I_λ0为没有衰减的光强，即入射光强。

对于每个成像设备220所成的像，都满足类似于公式4所示的方程。对每个成像设备220所得到结果

通过迭代计算得到相应体素的β_λi△_i值。迭代算法与CT(Computedtomography)算法类似。本申请中采用MART 算法(multiplicative algebraicreconstruction techniques)，其可适用于梯度变化较大的二维重构计算。对于对称喷雾，可引入群论方法应用于迭代计算以便求精确解。

对于上述过程，本处不在赘述，具体可参考相关文献。

β_λi△_i与透明示踪粒子折射率或相对折射率和光所走的路程有关。因此可根据被测空间的β_λi△_i值分布找寻到示踪粒子(公式4)，通过粒子的图像进行重构计算，可以实现粒子图像三维重构。通过三维互相关算法实现速度测量功能。采用本申请的测量示踪粒子速度，需要做标定工作以便确认体素与被测空间的函数关系。

示踪粒子可能占据多个体素，此种情况下可根据β_λi△_i值判断是否是同一个示踪粒子。β_λi△_i数值接近可认为是同一粒子(可根据光强的高斯分布进行判断，若相邻β_λi△_i值分布满足高斯分布则认为是同一粒子)。

图5右图所示实施例为在采用左图的有效测量区域划分的情况下获得的数值模拟计算结果图。

最后，步骤S140，互相关所述第一分布图像和第二分布图像形成所述示踪粒子的流动分布。

如图6所示，本申请中的每个平面光束形成装置210中编号为1的光源发射模块211同时触发测量的“平面液体表面浓度分布”结果形成图像1。相隔时间△T后，每个平面光束形成装置210中编号为2的光源发射模块211 同时触发测量的“平面液体表面浓度分布”结果为图像2。基于对图像1和图像2的互相关计算得到速度测量分布。

需要说明的是，图像1的曝光时间大致上等于编号1的激光脉宽，而图像2的曝光时间则大于编号2的激光脉宽，且在时间前后均覆盖。

通过跨帧图像记录设备记录的图像，重构计算实现粒子图像重构(图 7)。通过三维互相关算法实现示踪粒子位移计算(△s)，通过已知的跨帧时间△T求得示踪粒子的运动速度(公式11)。

基于层析成像技术的瞬态三维速度计算，所采用的算法为三维互相关算法。本申请仅以二维PIV算法进行说明，实际三维互相关算法可通过查阅已有相关文献获得。互相关算法有直接互相关计算和傅里叶变换法。这两种方法现已证明在位移较小的条件下是等价的。而傅里叶变换方法现在均采用计算速度更快的FFT方法(快速傅里叶变换)。

以二维测速为例，FFT方法简述如下：

对图像1 g₁(x,y)和图像2 g₂(x,y)分别进行FFT变换得

式中

和

分别为图像g₁(x,y)和g₂(x,y)的FFT变换。 x,y为图像坐标。ω为傅里叶变换后所对应的频域值。

利用傅里叶变换的平移特性，可以得到

式中△x，△y为粒子位移。

函数

作傅里叶变换的逆变换得

将公式7代入公式8可得

G(x,y)＝g(x+△x,y+△y)(9)

式中，g(x+△x,y+y)为

傅里叶变换的逆变换。G(x,y)在 (x,△x,y+y)处有一个最大灰度峰值，由于背景噪声和其它相关量的存在他有3个分量组成(公式10)。最大灰度值(相干峰)位置包含了位移信息，因此只要提取峰中心的位移量即可求得图像位移。求得峰中心位置，一般采用峰值拟合的方式(如高斯峰值拟合)，其精度可以达到0.1个像素。

R(S)＝R_C(S)+R_D(S)+R_F(S) (10)

式中，R_D(S)为最大灰度值，代表位移信息。R_C(S)+R_F(S)为随机相关两和背景噪声相关量。

通过以上处理，可得到图像1和图像2的浓度分布相对位移。据此可以计算浓度分布的移动速度，即液体移动速度。计算公式如公式(11) 所示：

式中，△s为液体的位移(矢量)，△t为记录不同时刻“平面液体表面浓度分布”图像的时间间隔。当△t→0时即可得到液体的瞬时速度矢量 v。

本申请基于消光技术(光衰减)进行重构计算，因此与传统PIV技术相比无需考虑背景光的影响。仅在采集工作开始前用成像装置记录I_λ0光成像，通过公式2可知，粒子的重构与测量时的光强I_λe和I_λ0的比值有关。因此背景噪声可以认为包含在I_λ0和I_λe中，对最后的粒子位置计算结果并无影响。

此外，本申请基于消光技术(光衰减)进行重构计算。碳烟对激光也会产生消光作用(光衰减)作用。光强衰减也服从Beer’s Lambert定律，但是碳烟和被测透明示踪粒子不是同类物质，它们的衰减系数β_λ不同。碳烟浓度空间分布根据公式4也可计算得到。滤除碳烟影响时可采用以下几种方式：

1)加入示踪粒子前，在状态不变的条件下记录平均I_λ0值，通过加入示踪粒子后的I_λe基于公式4进行粒子图像重构计算。这里将碳烟影响作为背景噪声处理，实现碳烟条件下的测量。本申请的方法认为被测区域的整体平均碳烟浓度不变(I_λ0不变)，据此可以滤除碳烟的影响。

2)由于碳烟和透明示踪粒子对光的衰减系数不同，因此重构后的碳烟浓度和示踪粒子图像内会有数值突变点。如图7所示，图中粗线点表示衰减系数大于碳烟的粒子位置，细线点表示衰减系数小于碳烟的粒子位置。由于碳烟对已采用的激光波长的衰减系数可通过实验获得，可认为是已知量。据此可通过重构图像的处理得到透明示踪粒子的位置信息。

本申请的流动速度测量方法及系统可以解决粒子的互相遮蔽现象，且光强分布、被测区域的背景噪声等均不会影响速度的测量结果，还可通过选择适合的波长避免碳烟的影响。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。