一种基于广角散斑成像技术的流速检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于广角散斑成像技术的流速检测方法，基于相干光场散斑效应，采用离焦广角散斑散斑成像分析技术，相干光场经过整形后射向所需测量水体区域，形成水体散斑柱；在水体散斑柱侧面设置有广角成像镜头组和二维光电传感器；二维光电传感器处于广角成像镜头组的离焦平面，对水体散斑柱进行离焦成像；分析控制模块分析得到在时间维度上的散斑图像移动速度，基于广角成像镜头组物像度应关系，得到测量水体区域的流速值和被照水体空间流速分布，实现流速检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电检测
，涉及一种流速检测方法，特别是，主要应用于水文监测、流体管网、环境感知、水下导航、河流监测、环境监测、海洋科考、海洋预报、资源勘探、水下机器人、水文物联网、农业灌溉、市政给排水、工业污水等领域中的流速检测。
技术介绍
流速检测需求广泛存在于水文监测、流体管网、环境感知、水下导航、河流监测、环境监测、海洋科考、海洋预报、资源勘探、水下机器人、水文物联网、农业灌溉、市政给排水、工业污水等领域，并且对检测精度要求越来越高。目前，根据公开资料显示，流速仪由有多种种类式样，比如在水文站中常用的有旋杯式及旋浆式流速仪两类，旋杯式流速仪由多个对称于旋盘中心的锥形杯子构成转子，当仪器放进水流时，杯子迎向水流方向的形状各不相同，造成旋转轴两侧所受的水流压力不同，遂使旋盘旋转，转速与流速的关系;旋浆式流速仪则是用螺旋浆的转子感受水流动力来测量流速，测量时以钢索或悬杆悬吊流速仪沉入水面下一定深度。旋杯式及旋浆式流速测量方法均破坏了原来的水流状态，对测量精度有一定影响。近年来国内外已开始应用激光测流速，这种测速方法的优点是不干扰水流状态，量测精度较高。在先技术中存在一种流速检测方法，参见美国授权专利(United StatesPatent)，Laser Doppler velocimeter，专利号为US 8508722B2，专利日期为2013年08月13日，专利技术人为Phillip L.Rogers等七人。此在先技术虽然具有一定的优点，但是仍然存在本质不足:1)采用多普勒效应作为测量原理，本质上利用光束的频移，流速测量精度有频移测量精度决定，此类方法流速测量精度不高;2)系统中光源需要调制，限制可用光源范围，并且影响系统构建性能和灵活性;3)在光源调制前提下，检测和分析光束频移信息，根据多普勒公式，将频移信息与流速信息关联，系统分析和处理方法复杂，容易受到外界因素干扰;4)检测空间流速分布信息有限，根据光束照射点进行频移检测，对于截面流速和广区域流速分布测量，在先技术能力有限，不能很好完成截面流速和广区域流速分布测量。
技术实现思路
专利技术针对现有技术中存在的技术问题提出了，具体方案如下:—种基于广角散斑成像技术的流速检测方法，其特征在于，具体步骤如下:步骤(1):在被测量水体的水面下设置相干光源，相干光源向被检测区域出射相干光束，形成水体散斑柱；步骤(2):在水体散斑柱侧面设置广角成像镜头组和二维光电传感器，二维光电传感器处于广角成像镜头组的离焦平面，对水体散斑柱进行离焦散斑成像；步骤(3):二维光电传感器连接设置有分析控制模块，分析控制模块得到水体散斑柱的离焦散斑图像视频，并通过分析得到时间维度上散斑图像移动速度，同时基于广角成像镜头组物像对应关系得到测量水体区域的流速值和被照水体空间流速分布，实现流速检测。上述方案基于相干光场散斑效应，采用离焦广角散斑散斑成像分析技术，相干光场经过整形后射向所需测量水体区域，形成水体散斑柱;在水体散斑柱侧面设置有广角成像镜头组和二维光电传感器;二维光电传感器处于广角成像镜头组的离焦平面，对水体散斑柱进行离焦成像;分析控制模块分析得到在时间维度上的散斑图像移动速度，基于广角成像镜头组物像度应关系，得到测量水体区域的流速值和被照水体空间流速分布，实现流速检测。作为优选，步骤(1)中相干光源的出射光路上设置光束整形部件。用于对相干光源出射光束整形，以适应被检测水体流速检测需求，相干光场经过整形后射向所需测量水体区域，形成水体散斑柱；作为优选，步骤(1)中相干光源为半导体激光器、固体激光器、二极管激光器的一种。作为优选，步骤(2)中二维光电传感器为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体电传感器的一种。作为优选，步骤(3)中分析控制模块与相干光源相连接。用于控制优化相干光源光场输出特性。作为优选，步骤(3)中分析控制模块分析散斑图像的算法为散斑相关算法、散斑中心峰值算法的一种。本专利技术中的散斑相关算法是指对不同散斑图形进行相似度分析，得到散斑图像的特征相似点，确定特征相似点的位移，在基于散斑图像采样时间间隔，位移除以时间，就得到了被测参数流速与现有技术相比，本专利技术具有如下优点:1)在先技术采用多普勒效应作为测量原理，本质上利用光束的频移，流速测量精度有频移测量精度决定，此类方法流速测量精度不高。本专利技术基于相干光场散斑效应进行测量，散斑演化与亚光波长量级的光程变化存在显著关联，因此在流速测量上具有测量精度高的特点；2)在先专利系统中光源需要调制，限制可用光源范围，并且影响系统构建性能和灵活性。本专利技术利用光源的相干特性，光源出射光束用于激发激光散斑，无需对光源进行调制，拓展了可用光源的范围，根据具体情况可以选择更适合的光源，提高了系统构建的灵活性和检测性能；3)在先技术在光源调制前提下，检测和分析光束频移信息，根据多普勒公式，将频移信息与流速信息关联，系统分析和处理方法复杂，容易受到外界因素干扰。本专利技术采用离焦广角散斑散斑成像分析技术，相干光场经过整形后射向所需测量水体区域，形成水体散斑柱，二维光电传感器处于广角成像镜头组的离焦平面，对水体散斑柱进行离焦成像，分析控制模块分析散斑离焦成像，位移与流速关联，测量方法简单，并且抗外界因素干扰性能好；4当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于广角散斑成像技术的流速检测方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤(1)：在被测量水体的水面下设置相干光源，相干光源向被检测区域出射相干光束，形成水体散斑柱；步骤(2)：在水体散斑柱侧面设置广角成像镜头组和二维光电传感器，二维光电传感器处于广角成像镜头组的离焦平面，对水体散斑柱进行离焦散斑成像；步骤(3)：二维光电传感器连接设置有分析控制模块，分析控制模块得到水体散斑柱的离焦散斑图像视频，并通过分析得到时间维度上散斑图像移动速度，同时基于广角成像镜头组物像对应关系得到测量水体区域的流速值和被照水体空间流速分布，实现流速检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高秀敏，逯鑫淼，赵巨峰，
申请(专利权)人：嘉兴科崎光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33