[发明专利]凸曲面容器内流场微粒成像测速技术的径向畸变校正方法

说明书

本发明涉及一种凸曲面容器内流场微粒成像测速技术的径向畸变校正方法，将容器内目标流场划分为与CCD相机中的芯片像素网格单元相对应的若干网格，利用几何光学，求取容器内目标流场有效网格节点处的径向光学畸变校正系数，将畸变校正系数带入微粒成像测速原始数据中，对原始矢量场进行校正，得到校正后的微粒成像测速结果。适用于任意形状凸曲面透明容器，可在不安装折射补偿装置的情况下对凸曲面容器内流场直接进行PIV测量，简化测量系统，提高测量精度。

技术领域

本发明涉及一种微粒成像速度测量技术，特别涉及一种任意凸曲面容器内流场微粒成像测速技术的径向畸变校正方法。

背景技术

PIV(微粒成像测速)技术是一种基于流场图像互相关分析的非接触式二维流场测量技术。它突破了传统流动单点测速技术的限制，能够在对流场不产生干扰的基础上，实现流动瞬态、全场的测试，具有较高的测量精度和分辨率，为科研人员深入了解流场空间结构以及流动特性提供了有效手段。

利用PIV技术测量流场时，需在流场中散播密度适当且跟随性好的示踪粒子，由示踪粒子的运动来反映流体质点的运动，并用激光对所测平面进行照射，形成光照平面，再用CCD等摄像设备获得该示踪粒子的图像，对得到的图像序列进行互相关分析以得到流场的二维速度矢量分布。在涉及到具有透明曲面的装置设备时，往往不能直接应用PIV技术，因为透明曲面会使得粒子散射光线发生折射从而产生光学畸变，轴向光学畸变一般很小可以忽略，径向光学畸变是主要的，且其缩小率随径向距离变化有较大的变化。为回避实际视场本身可能存在的光学畸变，在进行装置设计时，通常需要为具有透明曲面的装置设备另外配备防止光学畸变的辅助装置(如夹套等)，并在其中填充相同光学物性的介质。这造成了额外的工作量和成本，特别是对一些现场生产设备而言，额外配置辅助装置的难度较大，成本也相当可观，更重要的是，对透明曲面外表面以内发生的光学畸变，配置辅助装置也不能解决问题。透明曲面带来的畸变问题在一定程度上限制了PIV技术的应用。

发明内容

本发明是针对微粒成像测速技术在测量透明凸曲面装置内的流场时所产生的光学畸变问题，提出了一种凸曲面容器内流场微粒成像测速技术的径向畸变校正方法，通过引入畸变校正系数对原始流场进行校正，可在不安装折射补偿装置的情况下对任意凸曲面容器内的流场进行直接测量，对于简化测量系统、提高测量精度具有重要意义。

本发明的技术方案为：一种凸曲面容器内流场微粒成像测速技术的径向畸变校正方法，利用几何光学，求取凸曲面容器内流场的径向光学畸变校正系数，将光学畸变校正系数带入微粒成像测速原始数据中，对原始矢量场进行校正，得到校正后的微粒成像测速结果，径向光学畸变校正系数求取步骤如下：

1)进行微粒成像测量标定，将目标容器流场与CCD相机中芯片的像素网格单元相对应划分为若干网格；

2)选取网格节点作为测量数据分布点，对网格节点的位置和实际目标流场的位置进行换算，得出流场内各位置处的径向光学畸变校正系数，

首先，激光片光源入射方向与CCD相机呈垂直角度分布，取激光光源射入容器内的方向作为-X轴，在凸曲面容器内X轴上定义一点为原心O，从原心O出发垂直X轴向凸曲面容器外CCD相机的方向定义为-Y轴，建立坐标系；

然后，设目标容器壁内外表面解析曲线分别设为y＝F_i(x)和y＝F₀(x)，容器内流体和容器壁的折射率分别设为n_f和n_w，片光源照亮的流场区域X轴上任意一点A处散射光到容器内壁E，再经容器内壁、外壁两次折射于A'点，设其坐标为A'(x_p,y_p))，出射线A'G平行于Y轴，S₂A'和S₁E分别为A'、E两点处法线，S₁点、S₂点均在X轴上，A'E延长线与X轴相交于A₁点，由法线S₂A'方程：