[发明专利]背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法

说明书

技术领域

本发明属于流场显示领域，特别涉及一种背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法。

背景技术

背景纹影技术是测量流体密度场的重要方法之一，测量系统和测量方法是影响背景纹影测量精度的重要因素。

目前，背景纹影技术所使用的背景板大多为打印出来的噪点图背景和自然背景，这两种背景板的使用都存在局限性。在光线较暗的情况下，这两种系统拍出来的照片噪声很大，严重影响了测量结果的准确性。为了在光线差的情况下使用，需要增加额外光源，这使得测量系统变得复杂。自然背景除了不适于光线差的环境外，测量环境稳定性也差，自然背景的任何风吹草动都会对测量结果产生很大的影响。

此外，现有背景纹影技术多采用互相关算法，由于是通过求取迭代窗口的互相相关性获得整个窗口的位移变化量，而不是某一个像素点的位移量，因此测量的精度不高。在进行超高速流场显示时还存在曝光时间过长，拍摄图像出现运动残影的问题，这也会严重影响测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种背景纹影瞬态流场显示系统及基于该系统的流场测量方法，适用于光线差的情况下，减少了测量中CCD相机的曝光时间，提高了测量精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种背景纹影瞬态流场显示系统，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。

所述LED阵列背景板上LED灯等间距排列。

基于该背景纹影瞬态流场显示系统的流场测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建背景纹影瞬态流场显示系统：在流场两侧分别放置LED阵列背景板和CCD相机，使得三者位于同一条直线上；

步骤2：采集参考图像：在没有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为参考图像；

步骤3：采集测量图像：在有流场的情况下，单片机控制LED阵列背景板瞬间亮灭，同时CCD相机采集多幅LED阵列背景板的图像，该图像即为测量图像；

步骤4：根据参考图像和测量图像求取流场变化：分别求出参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标，把对应的亮斑重心坐标相减得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。

所述步骤4的具体方法为：

步骤4.1：分别识别参考图像和测量图像中的连通域，即亮斑；

步骤4.2：计算各连通域的重心坐标；

步骤4.3：设定距离阈值，并根据距离阈值匹配参考图像和测量图像的亮斑坐标，使参考图像和测量图像的所有亮斑一一对应；

步骤4.4：将参考图像和测量图像中各亮斑的重心坐标相减，得到所有亮斑的点位移，以显示流场的变化。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用LED阵列背景板，自身可以发光，能在没有额外光源或者光线比较弱的情况下进行流场测量；2)本发明减少了测量中CCD相机的曝光时间，有效地抑制了运动残影，提高了测量精度；3)本发明通过点提取算法得到点位移，提高了测量精度。

附图说明：

图1为本发明背景纹影瞬态流场显示系统的结构示意图。

图2为本发明流场测量的方法流程图。

图3为实施例1中采集的参考图像和测量图像，(a)为参考图像，(b)为测量图像。

图4为实施例1中得到的点位移矢量图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

如图1所示的背景纹影瞬态流场显示系统，包括LED阵列背景板、CCD相机和单片机，其中LED阵列背景板用于提供流场的折射率变化信息；CCD相机用于采集没有流场和有流场两种情况下的LED阵列背景板的图像；单片机用来控制LED灯的瞬间亮灭，所述LED阵列背景板和CCD相机分别设置在流场的两侧，且LED阵列背景板的中心、流场的中心以及CCD相机位于同一直线上。

所述LED阵列背景板上LED灯等间距排列。

如图2所示，基于该背景纹影瞬态流场显示系统的流场测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建背景纹影瞬态流场显示系统：在流场两侧分别放置LED阵列背景板和CCD相机，使得三者位于同一条直线上；