一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法。本发明专利技术包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。本发明专利技术能快速地计算出权重矩阵，无需标定光场相机的内外参数，装置简单，减小了多相机同步耦合时带来的系统误差。

Tomographic PIV measuring device and method based on light field imaging

The invention provides a tomographic PIV measuring device based on optical field imaging and a method thereof. The invention comprises means for generating double pulse laser and three-dimensional flow field illuminated light source apparatus and imaging device for three-dimensional flow field of the shooting, the luminous light source device is arranged on the lens group, the light source device, imaging device and is connected with the timing synchronization controller, imaging device is connected with the computer; the lens group for the two-dimensional light sheet will light the device produced by double pulse laser for the development of a certain thickness of the light source and the 1mm, and the light field; the imaging device, including a micro lens array between the main lens, CCD detector, is located in the main lens and CCD detector. The invention can rapidly calculate the weight matrix, and does not need to calibrate the internal and external parameters of the light field camera. The device is simple, and the system error caused by the simultaneous coupling of the multiple cameras is reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法
：本专利技术涉及一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法，属于流体测量与可视化

技术介绍
：流速是描述流场特性的重要参数之一。在科研领域和工业领域都涉及到流场流速的测量，如锅炉燃烧过程中燃料传输速度的控制对于燃烧效率、安全稳定的燃烧具有重要的意义；微流体的传热效率与流场流速有关等。实现非接触、瞬态、三维全场流速的测量是实验流体力学中的热点之一。随着计算机技术、传感器技术、光电技术的快速发展，PIV技术已经广泛应用于流场流速的测量。该技术利用CCD在短时间内连续拍摄两张流场图像，利用图像处理技术来获取速度矢量分布，该过程无需接触流场，易获得流场中多点流速。目前现有的PIV技术主要归结为三类：2D-2CPIV技术、2D-3CPIV技术(准三维PIV技术)、3D-3CPIV技术。2D-2CPIV技术是流速测量中最基础的方法之一，该方法利用约为1mm厚度的激光片光源照明流场，根据互相关算法计算两幅图像的二维速度。2D-3CPIV技术利用单个或多个激光片光源照明流场。首先根据二维PIV技术计算流场切面的二维速度分量，运用三维流动的连续性方程或其它技术计算出切面法线方向的第三个速度分量。该方法是基于2维PIV技术的方法，又称为准三维PIV技术，但该方法在法线方向上的速度分辨率较低，难以实现体的测量。不同于以上两种方法，3D-3CPIV是利用具有一定厚度的激光体光源照明某个容积内的流场，利用数学方法重构出示踪粒子的三维位置坐标和强度信息(三维粒子场)，利用三维互相关技术计算速度矢量分布。该方法能同时获得流场的三个速度分量。3D-3CPIV技术能获得真正意义上的三维速度矢量分布。层析PIV是3D-3CPIV中的一种，由于该方法具有较高的空间分辨率，适用范围较广，已受广大学者青睐。但层析PIV技术往往需要3～6台相机拍摄流场，大大增加了层析PIV技术的成本、复杂程度及重建计算量。每台CCD需要严格对准流场，目前的层析PIV技术的精度非常依赖于CCD的布局及标定的准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对基于传统相机的层析PIV技术存在的缺点，提供一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法，利用光场成像能同时记录光场的位置和方向信息，使得单台光场相机代替多台传统相机用于层析PIV测量成为可能，且能克服传统层析PIV的缺点。上述的目的通过以下技术方案实现：一种基于光场成像的层析PIV测量装置，包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。所述的基于光场成像的层析PIV测量装置，所述的微透镜阵列数为N×N，CCD探测器像面关于微透镜的共轭面为主透镜平面，光线经过微透镜在CCD探测器上所成的像称为子图像，每个子图像包含M×M个像素点，其中N和M都大于2。用上述基于光场成像的层析PIV测量装置进行测量的方法，该方法包括如下步骤：步骤一、坐标定义及标定板拍摄：流场及标定板所在的坐标定义为世界坐标O-XYZ，光场原图像中子图像坐标v-om-u为光场原图像中的子图像所在矩阵的行数和列数(v,u)，子图像中像素坐标r-op-s为子图像中像素所在矩阵的行数和列数(r,s)，视差图像中的像素坐标rv-ov-sv为视差图像中像素所在矩阵的行数和列数(rv,sv)，视差图像的图像坐标x-o-y为像素在视差图像中的物理位置(x,y)，原点o位于(rv,sv)＝(1,1)的像素中心位置。实验时，将标定板放置于待测流场所在位置，固定光场相机，使标定板平面平行于光场相机的探测器面，沿着待测流场深度方向等间隔地移动标定板，用光场相机拍摄位于至少三个不同深度位置的标定板，获得光场原图像；步骤二、视差图像的提取：将步骤一拍摄的标定板光场原图像中的像素进行重新组合，使每个子图像中位于相同位置的像素组成一幅新图像，可以获得M×M幅不同的视差图像，剔除由子图像边缘像素组成的视差图像，从而得到M′×M′幅视差图像。记录标定板角点坐标(X,Y,Z)与对应的每幅视差图像中的像素坐标(rv,sv)，利用下式计算角点的图像坐标(x,y)：式中，p为微透镜的尺寸。步骤三、三维流场空间坐标与视差图像中的图像坐标关系的计算：对每幅视差图像，利用三阶多项式建立由步骤二得到的标定板角点坐标(X,Y,Z)与图像坐标(x,y)之间的关系：式中，已知(X,Y,Z)和(x,y)利用MATLAB拟合工具箱计算出a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20。对于每一幅视差图像需要拍摄至少三幅不同深度位置的标定板图像，每一幅视差图像在不同深度位置计算的a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20的值不同，然后利用线性插值计算出任意深度位置的a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20的值，从而确定三维流场空间坐标与每幅视差图像中的图像坐标关系；步骤四、权重矩阵的计算：将流场沿X轴Y轴Z轴划分成m,n,l个体素，将每个体素的中心坐标(Xc,Yc,Zc)分别代入步骤三中的式(3)、式(4)得到相应的图像坐标，再将图像坐标代入步骤二中的式(2)得到每个体素对应的像素坐标，利用高斯函数计算每个体素对每幅视差图像中的像素的贡献W(权重矩阵)，保存权重矩阵；步骤五、流场的光场原图像的获取与预处理：将标定板移出待测流场，打开双脉冲激光器，使激光经过透镜组产生具有一定厚度的体光源，当激光入射到含有示踪粒子的待测流动对象时，示踪粒子会产生散射光，由光场相机连续两次拍摄三维流场，获得光场原图像，根据步骤二的方法获得一系列三维流场的视差图像的灰度值Iv；步骤六、层析重建计算三维粒子场：根据步骤四计算得到的权重矩阵W及步骤五得到的视差图像的灰度值Iv，利用MART算法反演三维粒子灰度分布E：式中，c为体素的序号，c＝1,2,3,…,m×n×l；Xc,Yc,Zc为体素中心坐标；k为迭代次数；g为像素的序号，g＝1,2,3,…,N×N×M′×M′；μ为松弛因子。步骤七、三维互相关算法计算流速：对步骤六重建所得的三维粒子灰度分布E沿X轴Y轴Z轴分别以xsize,ysize,zsize的尺寸进行网格划分(查询窗口)，然后利用下式计算三维流场速度矢量分布：式中，R为互相关系数；xsize,ysize,zsize表示查询窗口分别在X,Y,Z方向上的尺寸；Et，Et+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的三维粒子灰度分布；σt,σΔ+t分别为t时刻和t+Δt时刻查询窗口内的体素灰度值的标准差；m′,n′,l′为查询窗口内的体素分别在X,Y,Z方向上的坐标索引(体素的序号)。式(8)的最大值对应的Δm′,Δn′,Δl′为粒子分别在X,Y,Z方向上的位移，已知Δt可以获得流场的三维速度矢量分布。所述的基于光场成像的层析PIV测量装置进行测量的方法，步骤二中所述M×M幅不同视差图像的提取方法如公式(1)确定：式中，I(N,N,r,s)为第N行第N列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光场成像的层析PIV测量装置，包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；其特征在于：所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。

【技术特征摘要】
1.一种基于光场成像的层析PIV测量装置，包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；其特征在于：所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的基于光场成像的层析PIV测量装置，其特征在于：所述的微透镜阵列数为N×N，CCD探测器像面关于微透镜的共轭面为主透镜平面，光线经过微透镜在CCD探测器上所成的像称为子图像，每个子图像包含M×M个像素点，其中N和M都大于2。3.一种用上述基于光场成像的层析PIV测量装置进行测量的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一、坐标定义及标定板拍摄：流场及标定板所在的坐标定义为世界坐标O-XYZ，光场原图像中子图像坐标v-om-u为光场原图像中的子图像所在矩阵的行数和列数(v,u)，子图像中像素坐标r-op-s为子图像中像素所在矩阵的行数和列数(r,s)，视差图像中的像素坐标rv-ov-sv为视差图像中像素所在矩阵的行数和列数(rv,sv)，视差图像的图像坐标x-o-y为像素在视差图像中的物理位置(x,y)，原点o位于(rv,sv)＝(1,1)的像素中心位置。实验时，将标定板放置于待测流场所在位置，固定光场相机，使标定板平面平行于光场相机的探测器面，沿着待测流场深度方向等间隔地移动标定板，用光场相机拍摄位于至少三个不同深度位置的标定板，获得光场原图像；步骤二、视差图像的提取：将步骤一拍摄的标定板光场原图像中的像素进行重新组合，使每个子图像中位于相同位置的像素组成一幅新图像，可以获得M×M幅不同的视差图像，剔除由子图像边缘像素组成的视差图像，从而得到M′×M′幅视差图像，记录标定板角点坐标(X,Y,Z)与对应的每幅视差图像中的像素坐标(rv,sv)，利用下式计算角点的图像坐标(x,y)：式中，p为微透镜的尺寸；步骤三、三维流场空间坐标与视差图像中的图像坐标关系的计算：对每幅视差图像，利用三阶多项式建立由步骤二得到的标定板角点坐标(X,Y,Z)与图像坐标(x,y)之间的关系：式中，已知(X,Y,Z)和(x,y)利用MATLAB拟合工具箱计算出a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20，对于每一幅视差图像需要拍摄至少三幅不同深度位置的标定板图像，每一幅视差图像在不同深度位置计算的a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20的值不同，然后利用线性插值计算出任意深度位置的a1,a2,…,a20和b1,b2,…,b20的值，从而确定三维流场空间坐标与每幅视差图像中的图像坐标关系；步骤四、权重矩阵的计算：将流场沿X轴Y轴Z轴划分成m,n,l个体素，将每个体素的中心坐标(Xc,Yc,Zc)分别代入步骤三中的式(3)、式(4)得到相应的图像坐标，再将图像坐标代入步骤二中的式(2)得到每个体素对应的像素坐标，利用高斯函数计算每个体素对每幅视差图像中的像素的贡献W(权重矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，曹丽霞，张彪，宋祥磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32