一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，通过分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；根据已知油膜厚度与灰度值计算得到油膜厚度‑灰度值关系；以及根据水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的硅油的荧光图像和油膜厚度‑灰度值关系计算出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。本发明专利技术的方法增强了检测的直观性，成本低，需要处理的数据量少，后处理的步骤简单，难度大大降低。便于对表面流体辐聚辐散波动的剧烈程度进行定量分析，对总结水下或水面航行体引起流体表面辐聚辐散现象的规律具有一定的帮助。

A measurement method of flow field convergence divergence based on oil film fluorescence brightness

【技术实现步骤摘要】
一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法
本专利技术涉及水动力分析领域，具体涉及一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法。
技术介绍
自然界中，海水因为风、引力和地质条件等自然因素会产生各种各样的波动。当有水下或水面航行体经过时，就会在水表面形成具有明显纹理特征的辐聚辐散现象(例如kelvin波和内波映波)。这些由于航行体经过产生的痕迹空间尺度往往很大，所以这些特殊的流场特征可以成为判断是否有水下或水面运动目标经过的重要信号源，因此该领域相关技术对于水下和水面运动目标的探查和追踪具有重大的军事意义和工程实际意义。现有关于探索流体表面波动形态的实验方法中，光学方法因为其抗干扰性、无接触性和瞬时性备受研究人员青睐。传统的光学方法有染色显性技术、阴影摄影技术、纹影技术等，这些传统的光学方法观测流场产生的实验结果为直观图像，所以不适合对其进行精确的定量计算和分析。新的光学流场测量技术应运而生，其中使用粒子图像测速法(PIV)对流场波动进行实验观测是较为主流的方法。PIV技术主要依赖于在流体表面布撒跟随流体运动的示踪粒子，通过平行于流体表面的激光片光源照亮被探测流场区域，光线从这些微小的粒子上散射进垂直于流体表面的相机中，经过处理后即得到关于流场的流动信息。该技术目前已经较为成熟且普遍应用于流体力学领域和海洋动力学领域，实验的效果和优势不言而喻。但其缺点也非常明显：PIV技术具有一定的局限性，不能对波动振幅进行精确的测量；PIV技术对收集流场信息的实验仪器要求非常高，往往需要昂贵的双快门相机，这使实验成本加大；PIV技术得到的实验数据较为繁杂，后处理的步骤比较复杂，往往需要很长的时间处理数据才会得到实验最终结果。目前，流体表面波动形态的检测方法基本为粒子图像测速法(PIV)。其原理是在被测量的流场中人为加入示踪粒子，将紫外光调整为片状光源，平行流场方向照亮流场，使跟随流场运动的示踪粒子散射激光至垂直水面方向的相机中，再对相机获得的示踪粒子图像进行处理得出流场速度图像。所以PIV技术是通过示踪粒子的运动情况来反映流体表面的波动情况，仅能对流体表面波动的形态进行分析，而对波动的振幅等方面不能做出精确判断；此外PIV技术需要较高精度的图像收集装置(相机)和高跟随性的示踪粒子，导致实验成本加大；加之PIV实验步骤复杂，实验结束后得到的数据较为繁杂，所以在后处理阶段需要的时间更多，后处理的难度也越大。有鉴于此，设计出一种新的流场波动形态的检测方法是至关重要的。
技术实现思路
针对上述提到的现有的检测方法实验成本高、步骤复杂，最后得到的数据繁杂，后处理难度大等问题。本申请的实施例的目的在于提出了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，来解决以上
技术介绍
部分提到的技术问题。本申请的实施例提供了一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，包括以下步骤：S1：分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；S2：根据已知油膜厚度与灰度值计算得到油膜厚度-灰度值关系；以及S3：根据水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的硅油的荧光图像和油膜厚度-灰度值关系计算出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。当液面波动使油膜厚度发生变化时，就会使得紫外诱导荧光强度发生变化，通过测量荧光强度，达到观测流体表面辐聚辐散现象的目的。该方法成本低、步骤简单，更能直观反映流体表面的波动特征，同时便于研究人员对波动特征进行定量分析，对水下和水面航行器的搜索检测具有一定的参考价值。在一些实施例中，步骤S1具体包括：S11：在透明器皿中配置一定高度的具有荧光颜料的硅油，将透明器皿放置在容器中使透明器皿中的硅油的水平对称线与容器中的水体的表面平齐；S12：通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄被紫外光照射下硅油产生荧光的图像；S13：分析图像中与荧光所对应的灰度值；以及S14：在至少两个不同已知油膜厚度下分别进行步骤S11-S13，得到在不同已知油膜厚度下的所对应的不同灰度值。通过测量不同油膜厚度下具有荧光颜料的硅油被紫外激发产生荧光的图像及其灰度值，便于建立油膜厚度和灰度值的关系。在一些实施例中，记录硅油的水平对称线相对于在容器上的高度为基准高度。因为荧光的光强和紫外照射距离有关，在相同的基准高度下测量可以减少照射距离对测量带来的影响和误差。在一些实施例中，步骤S3具体包括：S31：将透明器皿中具有荧光颜料的硅油平铺在水体的表面，使硅油的表面高度与基准高度保持一致；S32：分别在水体在静止时和被扰动的情况下通过紫外光照射硅油，通过垂直于硅油的表面的光学相机拍摄得到静止时和被扰动时硅油的荧光图像，并计算得到静止时和被扰动时荧光图像的灰度值；S33：结合油膜厚度-灰度值关系，根据静止时和被扰动时荧光图像的灰度值，计算出相应的油膜厚度；以及S34：对静止时和被扰动时荧光图像的灰度值进行后处理，得出具有荧光颜料的硅油在水体表面辐聚辐散的波动情况。通过测量水体静止时和被扰动时的油膜厚度变化，进一步得到水体表面辐聚辐散的波动情况。在一些实施例中，步骤S32和步骤S12的光学相机拍摄的高度保持一致，紫外光照射的高度也保持一致。因此可以减少光学相机拍摄及紫外光照射距离所带来的误差。在一些实施例中，光学相机为彩色相机时，分别提取彩色相机的RGB通道数据作为灰度值进行分别计算，水体被扰动时的硅油的油膜厚度为根据分别根据RGB通道数据计算得到的水体被扰动时的硅油的油膜厚度的平均值。通过彩色相机同样可以拍摄，与PIV技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本方法大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。在一些实施例中，油膜厚度-灰度值关系包括线性关系常数。根据Lambert-Beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚。因此根据荧光强度就可以得到流体表面波动情况，使实验需要处理的数据更少，后处理的步骤更简化，相比PIV技术需要处理大量繁杂的数据，本专利技术大大缩短了后处理的时间。在一些实施例中，具有荧光颜料的硅油中荧光颜料的浓度为0.3g/L。在此浓度下，硅油溶液呈现半透明状且受激发后有明显的荧光现象，视为最优状态。在一些实施例中，水体包括具有稳定的密度分层的盐水溶液。在此条件下可以模拟海洋中海水的环境，使得测量更加准确。本专利技术利用荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，间接检测流体表面辐聚辐散现象，相较于现有的粒子图像测速法(PIV)，本专利技术在溶剂硅油中溶入少计量的荧光颜料即可产生较强的荧光，现象直观明显，使用普通光学相机就可得出被检测水域的波动情况，与PIV技术需要使用价格昂贵的双快门相机相比，本专利技术大大降低了检测成本，增加了实验的可行性。根据Lambert-Beer定律中荧光信号强度与荧光油膜厚度成线性关系的规律，荧光信号强度越强，荧光油膜相对越厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对所述图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；/nS2：根据所述已知油膜厚度与所述灰度值计算得到油膜厚度-灰度值关系；以及/nS3：根据所述水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的所述硅油的荧光图像和所述油膜厚度-灰度值关系计算出具有所述荧光颜料的所述硅油在所述水体表面辐聚辐散的波动情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别获得具有荧光颜料的硅油在水体上方的至少两个不同已知油膜厚度下经紫外光照射产生荧光的图像，并对所述图像进行分析得到与荧光强度对应的灰度值；
S2：根据所述已知油膜厚度与所述灰度值计算得到油膜厚度-灰度值关系；以及
S3：根据所述水体分别在静止时和被扰动时的情况下所拍摄的所述硅油的荧光图像和所述油膜厚度-灰度值关系计算出具有所述荧光颜料的所述硅油在所述水体表面辐聚辐散的波动情况。


2.根据权利要求1所述的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：在透明器皿中配置一定高度的具有所述荧光颜料的所述硅油，将透明器皿放置在容器中使所述透明器皿中的所述硅油的水平对称线与所述容器中的所述水体的表面平齐；
S12：通过垂直于所述硅油的表面的光学相机拍摄被紫外光照射下所述硅油产生荧光的所述图像；
S13：分析所述图像中与荧光所对应的所述灰度值；以及
S14：在至少两个不同已知油膜厚度下分别进行所述步骤S11-S13，得到在不同已知油膜厚度下的所对应的不同所述灰度值。


3.根据权利要求2所述的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，其特征在于，记录所述硅油的所述水平对称线相对于在所述容器上的高度为基准高度。


4.根据权利要求3所述的基于油膜荧光亮度的流场辐聚辐散测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：将所述透明器皿中具有所述荧光颜料的所述硅油平铺在所述水体的表面，使所述硅油的表面高度与所述基准高度保持...

【专利技术属性】
技术研发人员：许多，王成安，高继鹏，谭建宇，周志权，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37