[发明专利]红外海藻粒子图像测速装置及其测量方法

权利要求书

1.一种红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：包括设置在水槽(12)上的红外激光器(11)，水槽(12)旁设有摄像机支架(9)，摄像机支架(9)上设有至少两台摄像机(10)，摄像机(10)与电脑(1)电性连接；所述的水槽(12)为透明水槽。

2.根据权利要求1所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：水槽(12)一端设有进水口，水槽(12)另一端连通水箱(13)，水箱(13)内设有水泵(14)，水泵(14)通过管道与进水口连通；水槽(12)内设有挡水板(3)，挡水板(3)靠近进水口设置，挡水板(3)下游端设有两块整流栅(2)，两块整流栅(2)之间的区域为试验测量区域；红外激光器(11)位于试验测量区域上方。

3.根据权利要求2所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：摄像机(10)包括垂直拍摄用摄像头和水平拍摄用摄像头，垂直拍摄用摄像头和水平拍摄用摄像头分别通过两个伸缩杆(91)固定。

4.根据权利要求1所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：水槽(12)底部设有变坡升降器(6)，变坡升降器(6)用于调节水槽(12)坡度。

5.根据权利要求4所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：包括设置在水槽(12)底部的滑轨(601)，滑轨(601)上设有多个滑块(602)，滑块(602)与螺纹升降杆铰接设置，螺纹升降杆与蜗轮(606)螺纹配合，蜗轮(606)通过蜗杆(607)驱动旋转；水槽(12)一端与水箱(13)铰接设置。

6.根据权利要求5所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：螺纹升降杆包括第一螺纹升降杆(603)、第二螺纹升降杆(604)和第三螺纹升降杆(605)，第一螺纹升降杆(603)、第二螺纹升降杆(604)和第三螺纹升降杆(605)的螺纹距依次减小。

7.根据权利要求2所述的红外海藻粒子图像测速装置，其特征在于：红外激光器(11)的数量至少包括四个，多个红外激光器(11)设置在试验测量区域上方两侧。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的红外海藻粒子图像测速装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：在水槽(12)底部贴黑色遮光纸的胶纸，调节多个红外激光器(11)的位置并固定，使红外激光器(11)充分照射在试验测量区域；

S2：向水槽(12)内的水体内撒入中性浮力海藻细胞作为示踪粒子；

S3：摄像机(10)记录光学景深中的粒子移动，摄像机(10)将信号传输给电脑(1)生成拍摄视频；

S4：将拍摄的视频导入VirtualDub转成图片，将图片导入MATLAB的子数据库PIVlab互相关分析计算得出流场数据，将流场数据导入MATLAB自定义程序Queen2.0计算得出压力场数据，两张流场数据可分析得出一张压力场图，再将对应的鱼体多等分导入界面，通过描点拾取鱼体表面的压力数据；将压力场数据和图片导入MATLAB自定义程序Fish get forcesand torques估算得出身体表面力和力矩。

9.根据权利要求8所述的红外海藻粒子图像测速装置的测量方法，其特征在于：步骤S4的方法为：

将拍摄的视频导入VirtualDub转成图片，在MATLAB中运行PIVlab脚本，将筛选后的图片序列导入PIVlab中，通过鱼体掩蔽屏蔽鱼体轮廓范围内的速度矢量计算，对相邻图像间询问区域尺寸逐步减小为128×128、64×64、32×32像素，重叠50％，采用FTT算法进行相关交叉性分析，以得出询问区域中最可能的粒子位移和已知的时间间隔相除，再经过后处理得出流场图，即互相关分析；互相关是一种统计模式匹配算法，其试图从位于询问区域B的询问区域A中找到粒子图像；该算法通过离散的互相关函数来实现：

C(m，n)＝∑_i∑_jA(i，j)B(i-m，j-n)

其中A和B是来自图像A和图像B的相应询问区域；得到的相关矩阵C中强度峰值的位置给出了粒子从A到B的最可能位移；

将速度矢量和涡量数据导入Queen2.0中，对于不可压缩流动，利用Navier-Stokes方程通过求解由瞬时速度和材料加速度间接计算压力p：

分析的最后阶段对压力梯度进行积分，以提取积分区域内的压力场，其大小可达整个视场；两张流场数据可分析得出一张压力场图，再将对应的鱼体100等分导入界面，通过最邻近法，将鱼体轮廓上的每个点都映射到流体中最近的压力点上，并获得指定的压力；

将压力数据导入自定义程序Fish get forces and torques进行基于压力的力和力矩计算,当压力效应充分主导剪切效应时，根据

F(t)＝-∫npdA+∫τ·ndA

估算得出鱼类所经历的运动力；n是法线单位向量，指示身体垂直向外的方向；τ是粘性应力张量，F是作用在身体上的力；假设鱼体密度是均匀分布的，识别质心位置，计算瞬时力矩臂向量，根据

T(t)＝-∫p(r×n)dA+∫r×(τ·n)dA

估算力矩；T是作用在身体上的力矩，r是力矩臂向量，从旋转中心，即鱼的质心开始测量；t是时间，A是表面积，p是流体中的压力；其中表面积A可通过观察水动力学分析计算的流程示意图中鱼体部分表面积的粒子来计算，利用Ramanujan近似估计椭圆的半周长和切片厚度，最后根据瞬时力和力矩的估算值，绘制受力图和力矩图。