阅读说明：本技术 一种同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法及系统 (Method and system for simultaneously measuring two-dimensional distribution of liquid concentration and liquid movement ) 是由 胡文成 张宝华 窦义涛 杨帅 杨桐 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法,所述方法包括：生成至少两个可以汇聚形成有效测量区域平行的平面光束,所述有效测量区域包括若干的子区域；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确定所述子区域内的液体表面积,将各个体素内的液体表面积浓度重构后形成第一液体表面浓度二维分布和第二液体表面浓度二维分布；互相关所述第一液体表面浓度二维分布和第二液体表面浓度二维分布形成液体运动二维分布。本申请能够实现喷雾下方某截面液相二维速度测量,且为真正的瞬态测量,还可可实时显示液体浓度变化趋势,拓展了流量测量功能,最终实现了液体的浓度和速度的同时测量。(The application relates to a method for simultaneously measuring two-dimensional distribution of liquid concentration and liquid movement, which comprises the following steps: generating at least two plane light beams which can be converged to form an effective measuring area parallel, wherein the effective measuring area comprises a plurality of sub-areas; respectively obtaining incident light intensity and emergent light intensity which are emitted by a light source and pass through the sub-regions, determining the liquid surface area in the sub-regions according to the incident light intensity and the emergent light intensity, and reconstructing the liquid surface area concentration in each voxel to form a first liquid surface concentration two-dimensional distribution and a second liquid surface concentration two-dimensional distribution; and mutually correlating the first liquid surface concentration two-dimensional distribution and the second liquid surface concentration two-dimensional distribution to form liquid motion two-dimensional distribution. The liquid-phase two-dimensional velocity measuring device can realize two-dimensional velocity measurement of a liquid phase on a certain section below the spray, is real transient measurement, can display the liquid concentration change trend in real time, expands the flow measurement function, and finally realizes simultaneous measurement of the concentration and the velocity of liquid.)

一种同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法及系统

技术领域

本申请属于成像技术领域，特别涉及一种同时测量液体浓度和液体 运动二维分布的方法及系统。

背景技术

航空发动机中具有多个喷嘴，在设计及试验阶段需要对喷嘴喷出的 液体(燃油)的浓度及运动进行分布测量。采用传统的SetScan技术，仅 能同时测量平面索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)和粒径表面 积浓度二维分布，而不能测量垂直喷雾轴向平面的二维运动速度分布， 且时间分辨率较低，不具备跨帧记录图像的功能。

发明内容

本申请的目的是提供了一种同时测量液体浓度和液体运动二维分布 的方法及系统，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：一种同时测量液体浓度和液 体运动二维分布的方法，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有效测 量区域，所述有效测量区域垂直于液体流向，所述有效测量区域包括若 干的子区域，其中，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确定所述子区域内的液体表面 积，将各个体素内的液体表面积浓度重构后形成第一液体表面浓度二维 分布；

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确定所述子区域内的 液体表面积，将各个体素内的液体表面积浓度重构后形成第二液体表面 浓度二维分布；

互相关所述第一液体表面浓度二维分布和第二液体表面浓度二维分 布形成液体运动二维分布。

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确定所述 子区域内的液体表面积，通过如下关系确定：

I_λe＝I_λ0 exp(-β_λΔ)

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，Δ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有效测量区域，所述有效测量区域垂直于液 体流向，所述有效测量区域包括若干的子区域，其中，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；

第一液体浓度分布生成装置，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 确定所述子区域内的液体表面积，将各个体素内的液体表面积浓度重构 后形成第一液体表面浓度二维分布；

第二液体浓度分布生成装置，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 光强确定所述子区域内的液体表面积，将各个体素内的液体表面积浓度 重构后形成第二液体表面浓度二维分布；

液体运动分布生成装置，用于互相关所述第一液体表面浓度二维分 布和第二液体表面浓度二维分布以形成液体运动二维分布。

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，所述第一液体浓度生成装置和/或第 二液体浓度生成装置根据所述入射光强和出射光强确定所述子区域内的 液体表面积通过如下关系确定：

I_λe＝I_λ0 exp(-β_λΔ)

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，Δ为光所走的路程。

本申请提供的同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法及系统 能够实现喷雾下方某截面液相二维速度测量，且为真正的瞬态测量，还 可可实时显示液体浓度变化趋势，拓展了流量测量功能，最终实现了液 体的浓度和速度的同时测量。

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为本申请适用的一个场景示意图。

图4为本申请的有效测量区域划分的子区域示意图。

图5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6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7为本申请一实施例中两平面液体表面浓度分布图像图。

图8为关联图7中的两分布图后的矢量图。

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，本申请提供的同时测量液体浓度和液体运动二维分布的 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 成有效测量区域，所述有效测量区域垂直于液体流向，所述有效测量区 域被划分为若干的子区域，其中，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，有效测量区域大体上垂直于待测量的液体流向。

如图3所示为适用于本申请的一个场景，待测量液体自喷嘴喷出后， 在周向上形成一逐渐扩散的伞状雾区，本申请中有效测量区域(图中速 度测量截面)位于喷嘴下方，且垂直于喷雾方向。

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即可对喷雾的 液体浓度进行测量。

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确定所述子区域内的液体 表面积，将各个体素内的液体表面积浓度重构后形成第一液体表面浓度 二维分布。

步骤130：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确定所述子区域 内的液体表面积，将各个体素内的液体表面积浓度重构后形成第二液体 表面浓度二维分布。

为能够实现液体的平面浓度分布测量，本申请的系统中提供有第一 液体浓度分布生成装置和第二液体浓度分布生成装置，其中第一液体浓 度分布生成装置和第二液体浓度分布生成装置相同，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 定衰减系数以生成液体浓度的二维分布。

在测量时，喷嘴喷出的喷雾经过喷嘴下方的有效测量区域时，会在 体素内完成对光源的吸收造成光强衰减，其满足Beer’s-Lambert定律。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。衰减后的激光经过 透镜后，入射到成像设备220内进行成像。

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_λ0 exp(-β_λΔ) (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，Δ 为光所走的路程。

表面积浓度重构计算与SetScan技术一样，如图5左图实施例中，根据 所选成像设备像素个数，将被测区域划分成若干个体素，体素内的参数 β_λΔ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)。

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_λiΔ_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。

Δ_i与液体和环境气体/液体折射率或相对折射率和光所走的路程(即 体素的大小)有关。光走的路程可以认为与体素相同，相对折射率根据 液体性质可以查询得到，因此Δ_i为已知量。据此可以求得β_λi，如公式5所 示，β_λi与液体的表面积有关。据此可以推得体素内的液体表面积(SetScan 技术，如图5右所示)。将各个体素内的液体表面积浓度重构后，形成平 面液体表面浓度分布。

β_λΔ∝C (5)

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，互相关所述第一液体表面浓度二维分布和第二液 体表面浓度二维分布形成液体运动二维分布。

本申请中液体运动的瞬态二维速度分布测量，其工作原理基于上述 过程获得的“平面液体表面浓度分布”。如图6所示，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(图7a所示)。相隔时间ΔT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(图7b所示)。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。

互相关算法有直接互相关计算和傅里叶变换法。这两种方法现在位 移较小的条件下是等价的。而傅里叶变换方法一般均采用计算速度更快 的快速傅里叶变换(fastFourier Transform，FFT)方法。

FFT方法简述如下：

对图像1g₁(x,y)和图像2g₂(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Δx，Δy为粒子位移。

函数

作傅里叶变换的逆变换得

将公式8代入公式9可得

G(x,y)＝g(x+△x,y+△y) (10)

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11)。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) (11)

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(12) 所示：

式中，Δs为液体的位移(矢量)，Δt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Δt→0时即可得到液体的瞬时速度矢量 v。

如图8所示即为图7a和图7b的“平面液体表面浓度分布”图像互相关处 理得到的矢量图，处理软件采用的是Matlab。

本申请提供的同时测量液体浓度和液体运动二维分布的方法及系统 能够实现喷雾下方某截面液相二维速度测量，且为真正的瞬态测量，还 可可实时显示液体浓度变化趋势，拓展了流量测量功能，最终实现了液 体的浓度和速度的同时测量。

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。