[发明专利]基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统

说明书

技术领域

本发明涉及粒子图像测速系统，具体涉及一种基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统。

背景技术

PIV（Particle Image Velocimetry粒子图像测速）是现代流场测试领域的一重大成就，它综合了激光技术、数字信号处理技术、芯片技术、计算机技术、图像处理技术等多种新技术，为研究复杂瞬态流动提供了强有力的手段。

PIV的基本工作原理是：在流场中撒布合适的示踪粒子，当采用一个激光器照亮某个断面的时候，水流携带的粒子将散射光，利用同步高速摄影摄录下此时的断面影像；在极短时间(毫秒或微秒级)间隔后进行第二次照相。连续两次或多次瞬间曝光记录出粒子瞬间运动前后的图像，通过后台数字图像处理软件对两次曝光的图像的相关性分析，可得到某一小面积子图像中粒子群在二维平面上的位移，此位移除以己知的曝光时间间隔△t，即得流体在激光照亮面上的瞬时二维速度分布。

目前市场上存在的商用PIV系统大都使用大功率脉冲激光器，其体积庞大、耗电高，不能用电池驱动。因此传统的PIV系统只限于实验室使用，无法推广到野外实地、尤其是水下的测量应用中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统粒子图像测速系统必须应用大功率脉冲式激光的限制，以及低能耗连续激光在确保必要的微小粒子照明强度的情形下，无法降低两次曝光时间间隔，因而无法测量高流速流场的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统，包括激光组件和照相组件：激光组件包括两个或两个以上发射低功耗连续激光的激光器，所述激光器由电池驱动，还包括一个振镜或转动棱镜，所述振镜或转动棱镜将两个或两个以上的激光束先后扫描到测量流场，实现对流体中示踪粒子的两次或两次以上的照亮；照相组件包括CCD相机，通过测量流场中的粒子散射光分别在所述CCD相机上成像，形成PIV图像组。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述照相组件还包括一个分光镜，所述CCD相机为两个或两个以上的单色CCD数码相机，通过测量流场中的粒子散射光经过所述分光镜，分别在所述单色CCD相机上成像。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述激光器发射的激光束为不同颜色的激光束，所述分光镜为颜色分光镜。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述激光器发射的激光束为不同偏振方向的激光束，所述分光镜为偏振分光镜，所述示踪粒子为几何形状规则的颗粒。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述激光器发射的激光束为不同颜色的激光束，所述CCD相机为单个彩色相机，并根据颜色特征分离不同时间曝光的粒子图像，以获取PIV图像组。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述单个彩色相机为基于Bayer滤波的彩色CCD阵列、双CCD或三CCD相机。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述激光组件还包括一个双束激光组合器，所述激光器为两个，其中一个激光器发射的一束激光通过一个反射镜反射到所述双束激光组合器中，另一个激光器发射的一束激光直接被引导到所述双束激光组合器中，通过所述双束激光组合器的激光被定向到所述振镜或转动棱镜上。

在上述基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，所述激光器为半导体连续激光器或半导体泵浦固态连续激光器。

本发明还提供了一种基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统中，包括激光组件和照相组件：激光组件包括一个发射低功耗连续激光的激光器，所述激光器由电池驱动，还包括一个振镜或转动棱镜，所述振镜或转动棱镜将同一激光束先后两次或两次以上扫描到测量流场，实现对流体中示踪粒子的两次或两次以上的照亮；照相组件包括一台CCD数码相机，通过测量流场中的粒子散射光先后在所述CCD相机上成像，形成PIV图像组。

本发明提供的基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统使一个在扫描场中的粒子在一次扫描中被照亮两次，而两次拍摄的时间间隔短且人为可控，从而克服了在确保粒子散射强度的前提下拍摄高速流场的障碍。系统组件的功耗要求将大大降低，可实现由电池驱动，因此能用于野外现场水下的流体测量。

附图说明

图1为本发明提供的激光组件的结构示意图；

图2为本发明提供的相机组件的结构示意图；

图3为本发明提供的测试结果（符号）与标准PIV系统（实线）比对示意图。