管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法技术

本发明专利技术属于多相流测试领域，为实现不依赖于管道的材料、形状、尺寸以及工作液体的折射率,即使在圆管外不加方形水套也可以实现周向液膜特征的非侵入、高精度测量与分析。本发明专利技术采用的技术方案是，管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法，步骤如下：1)、设计适用于管道内周向液膜测量的圆形校准靶标；2)、将靶标畸变图像与理想靶标图像上的特征点进行匹配；3)、调整片状激光，使其水平照亮靶标平面处的管道横截面；4)、将采集的液膜原始图像进行灰度化、差影及滤波预处理；5)、将畸变校正后的双视角图像中心位置重合。本发明专利技术主要应用于多相流测试场合。

Method of correcting and measuring characteristic optical distortion of circumferential liquid film in pipeline

The invention belongs to the field of multiphase flow test, in order to realize the index does not depend on the pipeline material, shape, size and liquid rate, even in the circular pipe with square water jacket can also achieve circumferential liquid film characteristics of non-invasive, high precision measurement and analysis. The technical scheme of the invention is that the pipe circumferential liquid film characteristics of optical distortion correction steps and measurement method are as follows: 1) design, suitable for pipeline internal circumferential circular membrane measurement calibration target; 2), will feature the target image distortion and the ideal target image in matching; 3), adjustment laser, make the pipe cross section of the target plane at the level of light; 4), the original film image grayscale, poor preprocessing and filtering effect; 5), will be the center of the image overlap after distortion correction of double angle. The invention is mainly applied to multiphase flow testing occasions.

【技术实现步骤摘要】
管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法
本专利技术属于多相流测试领域，特别涉及一种管道内周向液膜特征的光学畸变校正和测量方法。
技术介绍
对于管道内气液两相流，当气相占据管道截面中心，而液相附着于管道内壁流动时，称为气液环状流。环状流具有较宽的气、液相流速范围，而且液膜流动消耗少，热质交换能力强，广泛存在于石油、化工、水利、能源、冶金、核工业等国民经济重要的工业生产过程、系统和装备中。对于管道内液膜重要的特征参数，如液膜厚度及其分布、波速、液膜与管壁间剪切应力等的准确测量具有非常重要的意义。在高流速下，由于液雾以及气液相间的相互作用，液膜流动呈现非轴对称性，除了沿液膜流动方向的管道轴向液膜流动结构，解析管道圆周截面上的液膜流动特征和流动结构具有更为重要的研究意义。典型的管道内液膜流场测试方法，如基于电导探针的测量方法仅能探测其附近的信号，且具有平均效应，在液膜厚度较大时，信号灵敏度会降低，即使采用多电导电极阵列，对于随时空高速变化的动态液膜而言，仍然难以获得足够高的时空分辨率。平面激光诱导荧光(PLIF)技术是一种具有原理优势的流场诊断方法，具有非侵入、高时空分辨率、场测量以及可视化的突出优势，已成为环状流和液膜研究的前沿和热点。该方法是采用接近荧光物质最大吸收波长的激光作为激发光源，照射空间流场某一截面，诱导溶于液相中的荧光分子发出荧光，利用高速摄像机获取荧光图像并进行诊断的一种先进光学诊断方法。针对基于PLIF的液膜流动测试，由于管道以及气液相折射率的差异，以及管道弯曲形状所带来的影响，摄取到的液膜图像难免失真，采集计算得到的实际液膜厚度大于原始液膜厚度。目前为了克服管道内液膜光路畸变和失真带来的影响，使其易于诊断，一般会建立矩形管道，或通过折射率匹配的方法，即在圆管外安装方形管道，其间充满折射率相近的工作液体来进行光路补偿，这种基于外加结构的折射率匹配方法增加了测量的复杂性，在有些场合也难以实现。因此，如何实现管道内液膜特征的普适性、高精度测量成为具有突破性的关键技术之一。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于靶标校准的管道内周向液膜光学畸变校正和测量方法，不依赖于管道的材料、形状、尺寸以及工作液体的折射率,即使在圆管外不加方形水套也可以实现周向液膜特征的非侵入、高精度测量与分析。本专利技术采用的技术方案是，管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法，步骤如下：1)、设计适用于管道内周向液膜测量的圆形校准靶标，采集液相工质条件下待测周向截面的靶标畸变图像，提取靶标畸变图像上的特征点；2)、将靶标畸变图像与理想靶标图像上的特征点进行匹配，基于多项式函数建立原始图像与畸变图像特征点之间的映射数学模型；3)、调整片状激光，使其水平照亮靶标平面处的管道横截面，激发溶解有特定荧光溶剂的轴向液膜产生荧光，利用高速摄像机摄取圆管内周向液膜的双视角荧光图像；4)、将采集的液膜原始图像进行灰度化、差影及滤波预处理，并基于映射数学模型对预处理后的液膜图像进行畸变校正，具体分为两步，一是对原畸变图像与畸变校正后图像进行映射变换，二是基于灰度插值确定畸变校正后图像的灰度值；5)、将畸变校正后的双视角图像中心位置重合，并对摄取的左、右半周液膜图像有效部分进行融合，准确还原周向液膜的流动状态，以便提取周向液膜特征，并进一步分析管道内液膜的演化特性及传热传质特性。靶标设计为圆形，直径为管道内径2倍，靶标特征由距离靶心不同远近的圆点组成，位于靶心的中心圆点直径为1mm，距离其最近且与竖直方向夹角分别为0°、90°、180°及270°处分别排列4个小圆点，直径为0.25mm，将管道中心作为投影基准，其余圆点按横向与纵向间距1.5mm依次排列，直径为0.5mm，，根据双视角周向液膜的分布特性，采用单台高速摄像机和折光分光光路虚拟两台高速摄像机，将靶标平面置于片状激光照亮的待测圆周截面位置上，在管道内加注液相；将靶标的圆点质心作为待提取特征点，根据光路分析，圆管内靶标中心区域的光路畸变最小，因此可以将中心区域处4个小圆点的位置关系作为已知条件，对靶标畸变图像进行灰度化、差影、滤波以及阈值分割，提取各圆点特征的质心及面积，根据面积属性获取靶标中心位姿关系，并利用已知4个小圆点与中心点之间的位置关系，由近及远依次推导出其余圆点的质心坐标，建立理想靶标图像，并得到其特征点坐标及其位姿关系，根据畸变靶标图像与理想图像特征点之间的畸变投影关系匹配特征点，基于多项式函数建模的方法得到畸变校正的数学模型，其原理如下：设p(u,v)为理想图像，p(x,y)为对应畸变的图像，两者的特征点坐标存在非线性对应关系F，即(x,y)＝F(u,v)(1)上式可用多项式模型来近似，即式中，aij和bij为待定系数，n为多项式次数。通过特征点匹配获得多组匹配对，基于最小二乘拟合得到式(2)中多项式系数。进一步地，基于靶标校正后，利用激光照射该横截面流场，采用高速摄像机摄取并对畸变的液膜荧光图像进行校正处理，即对图像上每一坐标值(u,v)进行变换F，得到在畸变图像上的对应坐标(x,y)，在获得畸变图像与校正图像坐标之间的变换关系后，采用灰度插值法，确定校正后图像灰度值。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术方法通过基于靶标的畸变校正方法，结合平面激光诱导荧光技术，实现了圆管内周向液膜的光学畸变校正与高精度可视化测量。该方法突破了传统测量手段必须建立矩形管道，或通过折射率匹配(在圆管外安装方形透明管，其间充满折射率相近的工作液体)进行光路补偿的局限性，基于畸变校正数学模型实现了管道内周向液膜的高精度、普适性测量，为后续气液环状流中液膜流动结构及演化特性分析奠定了坚实基础。附图说明：图1为管道内周向液膜流动特征不同测量方法示意图(以竖直管道为例)。图中，(a)为传统折射率匹配方法示意图，(b)为本专利技术测量方法示意图。图2为设计的校准靶标与高速摄像机采集的靶标图像。图中，(a)为设计的靶标样式及局部放大图，(b)为实际采集的靶标图像。图3为管道内周向液膜畸变校正前与畸变校正后的图像。图中，(a)为畸变校正前的周向液膜图像(预处理后)，(b)为畸变校正后的液膜图像，(c)为左右视角融合后的液膜图像。具体实施方式本方法适用于环状流圆管内周向液膜特征的光学畸变校正和测量，同样也适用于其他流型或降膜圆管内周向液膜特征的光学畸变校正和测量。针对圆管内周向液膜，本专利技术通过基于靶标的光学畸变校正，结合平面激光诱导荧光技术，实现了周向液膜特征的光学畸变校正与高精度测量。设计了新型圆形校准靶标，基于靶标建立畸变图像与真实图像之间的变换关系，并通过液膜图像预处理、畸变校正及图像融合，即使不采用方形管道或增加水套装置，仍然可以有效重建管道内液膜图像，进而高精度地提取周向液膜时空流动特征。具体校正及测量方法如下：1、设计适用于管道内周向液膜测量的圆形校准靶标，采集液相工质条件下待测周向截面的靶标畸变图像，提取靶标畸变图像上的特征点；2、将靶标畸变图像与理想靶标图像上的特征点进行匹配，基于多项式函数建立原始图像与畸变图像特征点之间的映射数学模型；3、调整片状激光，使其水平照亮靶标平面处的管道横截面，激发溶解有特定荧光溶剂的轴向液膜产生荧光，利用高速摄像机摄取圆管内周向液膜的双视角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法，其特征是，步骤如下：1)、设计适用于管道内周向液膜测量的圆形校准靶标，采集液相工质条件下待测周向截面的靶标畸变图像，提取靶标畸变图像上的特征点；2)、将靶标畸变图像与理想靶标图像上的特征点进行匹配，基于多项式函数建立原始图像与畸变图像特征点之间的映射数学模型；3)、调整片状激光，使其水平照亮靶标平面处的管道横截面，激发溶解有特定荧光溶剂的轴向液膜产生荧光，利用高速摄像机摄取圆管内周向液膜的双视角荧光图像；4)、将采集的液膜原始图像进行灰度化、差影及滤波预处理，并基于映射数学模型对预处理后的液膜图像进行畸变校正，具体分为两步，一是对原畸变图像与畸变校正后图像进行映射变换，二是基于灰度插值确定畸变校正后图像的灰度值；5)、将畸变校正后的双视角图像中心位置重合，并对摄取的左、右半周液膜图像有效部分进行融合，准确还原周向液膜的流动状态，以便提取周向液膜特征，并进一步分析管道内液膜的演化特性及传热传质特性。

【技术特征摘要】
1.一种管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法，其特征是，步骤如下：1)、设计适用于管道内周向液膜测量的圆形校准靶标，采集液相工质条件下待测周向截面的靶标畸变图像，提取靶标畸变图像上的特征点；2)、将靶标畸变图像与理想靶标图像上的特征点进行匹配，基于多项式函数建立原始图像与畸变图像特征点之间的映射数学模型；3)、调整片状激光，使其水平照亮靶标平面处的管道横截面，激发溶解有特定荧光溶剂的轴向液膜产生荧光，利用高速摄像机摄取圆管内周向液膜的双视角荧光图像；4)、将采集的液膜原始图像进行灰度化、差影及滤波预处理，并基于映射数学模型对预处理后的液膜图像进行畸变校正，具体分为两步，一是对原畸变图像与畸变校正后图像进行映射变换，二是基于灰度插值确定畸变校正后图像的灰度值；5)、将畸变校正后的双视角图像中心位置重合，并对摄取的左、右半周液膜图像有效部分进行融合，准确还原周向液膜的流动状态，以便提取周向液膜特征，并进一步分析管道内液膜的演化特性及传热传质特性。2.如权利要求1所述的管道内周向液膜特征光学畸变校正与测量方法，其特征是，靶标设计为圆形，直径为管道内径2倍，靶标特征由距离靶心不同远近的圆点组成，位于靶心的中心圆点直径为1mm，距离其最近且与竖直方向夹角分别为0°、90°、180°及270°处分别排列4个小圆点，直径为0.25mm，将管道中心作为投影基准，其余圆点按横向与纵向间距1.5mm依次排列，直径为0.5mm，，根据双视角周向液膜的分布特性，采用单台高速摄像机和折光分光光路虚拟两台高速摄像机，将靶标平面置于片状激...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛婷，吴斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12