基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于集成成像技术的3D‑3C粒子图像测速系统及方法。该系统包括激光器、激光扩束准直系统、三维流场测速箱、相机阵列、计算机、平面标定板、精密电控平移台。方法为：将平面标定板置于三维流场测速箱内，对相机阵列进行标定；将示踪粒子置于三维流场测速箱内，采用相机阵列从不同角度对示踪粒子成像；将相机阵列的相机图像重投影到世界坐标系中Z已知的平面上，产生重聚焦图像；通过等间隔改变Z值，得出重聚焦图像序列并进行离散化，把灰度值存储到离散化网格中；运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，并确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。本发明专利技术精度高，运算速度快，能够高度还原流场的细节部分。

【技术实现步骤摘要】
基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法
本专利技术涉及流场光学测试系统
，特别是一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法。
技术介绍
三维三分量(3D-3C)粒子图像测速是一种先进的流场光学测试技术，它依据流动性方程，通过观测流场中均匀布撒的示踪粒子的运动情况，进而推算出瞬态三维流场结构以及流场流动趋势，可以用来测量湍流、大尺度、多涡系干扰等三维复杂流场，如直升飞机上升时螺旋桨周围的流场扰动、蜂群飞行时产生的空气扰动等。目前有多种3D-3C流场测量方式，如层析粒子图像测速技术(TomographicParticleImageVelocimetry)，全息粒子图像测速技术(HolographicParticleImageVelocimetry)，散焦粒子图像测速技术(DefocusingParticleImageVelocimetry)。上述流场测量技术对小范围局部流场结构测量有较好的结果，但它们的整体可视深度较小，目前技术中最大可视深度约为3厘米，但这在深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场测量中是远远不够多。此外，目前所存在的3D-3C粒子图像测速系统在高浓度示踪粒子环境中，从不同角度观测示踪粒子时，粒子会前后遮挡，这种情况下会产生较多幽灵粒子，从而影响粒子场重建精度，而当示踪粒子浓度较小时，重建出的粒子场很难显示流场细节部分，也就意味着其相应的空间分辨率非常有限，此外，如果相机相互之间拍摄角度较小，有可能会导致重建出的示踪粒子呈细长型，这些都严重限制了三维粒子图像测速精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种粒子重建精度高、空间分辨率大的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案：一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，包括激光器1、激光扩束准直系统3、三维流场测速箱5、相机阵列6、计算机7、平面标定板8、精密电控平移台9；其中激光扩束准直系统3设置于激光器1和三维流场测速箱5之间；三维流场测速箱5为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器1、激光扩束准直系统3与三维流场测速箱5上的两个光窗口共轴；相机阵列6设置于三维流场测速箱5的高透玻璃面一侧，且相机阵列6的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列6、精密电控平移台9均与计算机7相连，且平面标定板8设置于精密电控平移台9上。进一步地，所述平面标定板8表面均匀设置13×13个白色圆点阵列，白色圆点直径为1mm，间距为1cm；通过计算机7控制精密电控平移台9移动平面标定板8，根据标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，从而用于示踪粒子场重建。进一步地，所述相机阵列6包括纵向设置的4组，每组包括3个位于同一水平面的相机，每组的3个相机呈弧形排列，调节所有相机角度，使待测试场中心均在相机视场中心；所有的相机靠计算机7内的触发板触发同时拍照，并将图像存储到计算机7中。进一步地，所述激光扩束准直系统3包括顺次共光轴设置的鲍威尔棱镜31、柱透镜33、刀口35，激光器1发射的线光2入射至激光扩束准直系统3中鲍威尔棱镜31，鲍威尔棱镜31将线光扩成片光32后入射至柱透镜33，柱透镜33将二维的片光32扩成三维的柱状激光34，柱状激光34经刀口35整形成三维立体激光4。一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速方法，包括以下步骤：步骤1，将平面标定板8置于三维流场测速箱5内，对相机阵列6进行标定；步骤2，将示踪粒子置于三维流场测速箱5内，采用相机阵列6的相机从不同角度对示踪粒子成像；步骤3，根据标定关系，将相机阵列6的相机图像重投影到世界坐标系中Z已知的平面上，将各重投影图像中对应位置的灰度值相加，产生重聚焦图像；通过逐步等间隔改变Z值，得出重聚焦图像序列，所述Z值间隔小于示踪粒子直径；步骤4，将重聚焦图像序列进行离散化，把重聚焦图像上的灰度值存储到离散化网格中，网格大小设置为相机像元大小的10倍；步骤5，运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，通过计算不同深度窗口区域内的Tenengrad函数值来确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。进一步地，步骤1所述对相机阵列6进行标定，标定方法基于小孔模型，公式表示如下：其中，x,y为图像坐标系上的像素坐标，(X,Y,Z)为世界坐标系上的特征点的坐标，根据特征点在图像上和世界坐标系上的对应关系，求得相机外部参数a、b、c、d、e、f、g、h、p、q、r、s。进一步地，步骤5所述运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，具体如下：在重聚焦图像序列上，选择一个诊断窗口，诊断窗口的长和宽分别为10个离散网格大小，窗口深度贯穿所有的重聚焦图像，计算重聚焦图像序列上诊断窗口部分的Tenengrad函数，作为判断该诊断窗口区域有没有示踪粒子的标准T(k)，具体公式为：其中，G是诊断窗口区域部分的Sobel算子梯度，x、y分别表示图像坐标系中x轴、y轴方向，k表示第k个窗口；通过计算诊断窗口中的所有平面上的T值，建立一个T值函数图，该图形中极大值位置处就是存在示踪粒子的区域，提取出该区域的深度信息和相应层面上诊断窗口里面的灰度值数据；在选择诊断窗口时，相邻两个诊断窗口挨着，依次遍历完所有的离散网格点；提取到的诊断窗口数据根据分层，依次按照提取之前的位置信息排列，最后便得出在重聚焦图像序列所在平面上聚焦的粒子图，以及相应的粒子位置和大小，根据重聚焦图像序列中的图像坐标系与世界坐标系的坐标变换，得到三维示踪粒子场。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于集成成像技术，能够测量高浓度示踪粒子下的流场，还能够重建被前面粒子遮挡的示踪粒子，从而提高了流场重建精度，还能够测量深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场；(2)能够有效去除示踪粒子细长型化，在高浓度示踪粒子环境中对示踪粒子进行精确地三维重建，有效减少幽灵粒子的影响，提高粒子重建精度，同时还能重建出流场的细节部分，增大了空间分辨率；(3)在示踪粒子重建过程中，能够避免细长型畸形示踪粒子的出现，具有精度高，运算速度快，不需要进行复杂的迭代，可以高度还原流场的细节部分。附图说明图1是本专利技术基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统的结构示意图。图2是本专利技术基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统中的标定结构图。图3是本专利技术基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统中的激光扩束图。图4是本专利技术三维粒子场基于集成成像原理的重聚焦原理图。图5是本专利技术12幅重聚焦图叠加原理图。图6是本专利技术重聚焦平面离散图。图7是本专利技术基于窗口梯度变化提取深度图。图8是本专利技术基于窗口梯度变化方法中的一个窗口中沿Z方向的T值变化曲线图。具体实施方式本专利技术基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法，包括：1)立体光照明部分，将一束从激光器中射出的激光通过鲍威尔棱镜与柱透镜进行扩束，再利用刀口进行整形，形成平行三维立体光，立体光照射到待测流场中，将三维流场测速箱中事先布撒好的示踪粒子照亮。2)图像采集部分，根据集成成像原理，采用多个CCD相机，弧形排列组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于集成成像技术的3D‑3C粒子图像测速系统，其特征在于，包括激光器(1)、激光扩束准直系统(3)、三维流场测速箱(5)、相机阵列(6)、计算机(7)、平面标定板(8)、精密电控平移台(9)；其中激光扩束准直系统(3)设置于激光器(1)和三维流场测速箱(5)之间；三维流场测速箱(5)为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器(1)、激光扩束准直系统(3)与三维流场测速箱(5)上的两个光窗口共轴；相机阵列(6)设置于三维流场测速箱(5)的高透玻璃面一侧，且相机阵列(6)的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列(6)、精密电控平移台(9)均与计算机(7)相连，且平面标定板(8)设置于精密电控平移台(9)上。

【技术特征摘要】
1.一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，其特征在于，包括激光器(1)、激光扩束准直系统(3)、三维流场测速箱(5)、相机阵列(6)、计算机(7)、平面标定板(8)、精密电控平移台(9)；其中激光扩束准直系统(3)设置于激光器(1)和三维流场测速箱(5)之间；三维流场测速箱(5)为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器(1)、激光扩束准直系统(3)与三维流场测速箱(5)上的两个光窗口共轴；相机阵列(6)设置于三维流场测速箱(5)的高透玻璃面一侧，且相机阵列(6)的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列(6)、精密电控平移台(9)均与计算机(7)相连，且平面标定板(8)设置于精密电控平移台(9)上。2.根据权利要求1所述的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，其特征在于，所述平面标定板(8)表面均匀设置13×13个白色圆点阵列，白色圆点直径为1mm，间距为1cm；通过计算机(7)控制精密电控平移台(9)移动平面标定板(8)，根据标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，从而用于示踪粒子场重建。3.根据权利要求1所述的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，其特征在于，所述相机阵列(6)包括纵向设置的4组，每组包括3个位于同一水平面的相机，每组的3个相机呈弧形排列，调节所有相机角度，使待测试场中心均在相机视场中心；所有的相机靠计算机(7)内的触发板触发同时拍照，并将图像存储到计算机(7)中。4.根据权利要求1所述的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，其特征在于，所述激光扩束准直系统(3)包括顺次共光轴设置的鲍威尔棱镜(31)、柱透镜(33)、刀口(35)，激光器(1)发射的线光(2)入射至激光扩束准直系统(3)中鲍威尔棱镜(31)，鲍威尔棱镜(31)将线光扩成片光(32)后入射至柱透镜(33)，柱透镜(33)将二维的片光(32)扩成三维的柱状激光(34)，柱状激光(34)经刀口(35)整形成三维立体激光(4)。5.一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将平面标定板(8)置于三维流场测速箱(5)内，对相机阵列(6)进行标定；步骤2，将示踪粒子置于三维流场测速箱(5)内，采用相机阵列(6)的相机从不同角度对示踪粒子成像；步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋旸，渠向举，张芬，金莹，李振华，纪运景，许亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32