[发明专利]一种测量粒子速度的方法

说明书

技术领域

本发明属于速度光学测量技术领域，涉及的是测量流场粒子速度的方法，特别是一种使用粒子图像速度场仪(PIV)拍摄流场粒子图像并利用粒子图像灰度自相关测量粒子速度的方法。

背景技术

粒子图像速度场仪PIV(Particle Image Velocimetry)是近十多年来发展起来的一种崭新的流速测量仪器，以其对流场干扰小和实现全流场速度瞬态测量的特点，迅速成为了流场速度测量的主要工具。

PIV系统按查询方法不同主要分为自相关和互相关两种技术。自相关技术是在同一帧画面上记录两次曝光的图像，划分查询区域后，对同一帧画面采用自相关运算，根据自相关峰值获得速度信息。由于自相关峰值是左右对称的，因而获得的速度信息存在180度的方向模糊，也就是所谓的自相关技术的方向二义性问题。互相关技术是利用CCD相机的特点，将两次曝光图像记录在两帧不同的画面上，对两帧画面分别划分相同大小查询区域，做互相关运算，根据互相关峰值获取速度信息。互相关技术解决了方向二义性问题，但是对相机性能及其控制提出了新的要求。

已有技术中，吴志军在“激光粒子图像测速技术的灰度判别查询方法”(《应用激光》，Vol.21NO.2 April 2001)一文中介绍的基于联合灰度统计频数的速度测量方法，是在同一帧画面上记录两次曝光的图像，两次曝光使用的照明激光光强不同，因而对应的粒子像点的灰度值也不同，然后对单幅图像划分查询区域，通过查询区域对粒子像点计算联合灰度统计频数，统计频数最大值对应查询区域粒子像的位移，以此获得速度信息。该方法是将两次曝光图像记录在同一帧画面上，因而继承了自相关技术对设备要求低的优点，同时两次曝光的照明激光光强不同，通过区分两次曝光对应的不同粒子像点，解决自相关方向二义性的问题；但是由于该方法照明用的激光片光强度呈高斯分布状以及待测流场粒子大小跨度等问题，使两次曝光对应粒子图像灰度值容易出现交叉现象，不利于两次曝光粒子像点的区分，是该方法的最主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的测量粒子速度的方法，该方法利用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统获得流场两次曝光形成的具有灰度差异的粒子图像，经数字图像处理技术预处理后，在划分的小区域内由不同宽度的激光片光脉冲照射下的粒子像点灰度总和的内在相关性实现同一粒子两次曝光对应粒子像点的配对，根据两粒子像点位置信息和灰度总和的差异得到粒子的速度矢量，从而获得整个流场的速度信息。

进一步，本发明可通过以下技术方案实现的，具体包括：

(1)合理选择用于两次曝光照明的激光片光脉冲光强、激光片光脉冲宽度即相机曝光时间、相机快门开启持续时间和激光片光脉冲间隔时间：根据待测流场的流速快慢、流场内粒子大小和密集程度以及测量分辨率等具体情况设定测量所用两次曝光照明激光片光脉冲宽度即相机两次曝光时间t₁和t₂、相机快门开启持续时间T、激光片光脉冲间隔时间Δt和决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P。

(2)使用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统拍摄一幅激光脉冲照明下的流场两次曝光的具有灰度差异的粒子图像：使用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统先后发射两束具有相同光强不同脉宽的激光片光脉冲照明流场，相机伴随激光脉冲进行两次曝光，获得一幅具有灰度差异的粒子图像，输入计算机。

(3)采用数字图像处理技术对粒子图像作预处理：针对不同流场特性采用合适的平滑和去噪等数字图像处理技术对粒子图像作预处理，去除图像中的背景和其它噪声影响，改善图像质量。

(4)获得图像上各个粒子像点的位置、大小与灰度总和信息。是指：对粒子图像作边缘检测，区分出图像上的各个粒子像点，获得各个粒子像点的位置信息x和y和面积大小S；再结合预处理后粒子图像获得各个粒子像点对应的原始灰度总和信息G。

(5)对粒子图像合理划分小区域：根据流场粒子密集程度以及测量分辨率的要求调整并设定小区域划分的大小。