基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法和系统，方法包括：提供图像采集设备；提供具有一定厚度的介质；液面静止时，利用图像获取方法通过图像采集设备对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像；当液面发生形变时，利用图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面形变后的信息载体畸变图像；求解上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场与下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场；求解液面各个时刻的液体高度数据。本发明专利技术通过记录液面静止时和液面变形后各时刻的双层信息载体图像，运用相关技术，可以实现对静态和动态液面形貌进行快速高精度地测量。面形貌进行快速高精度地测量。面形貌进行快速高精度地测量。

【技术实现步骤摘要】
基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法和系统


[0001]本专利技术涉及光学测量领域，更具体地，涉及一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法和系统。

技术介绍

[0002]液体自由表面受到扰动产生的变形现象，既有重要的科学研究价值，也有实际的工程应用。其中以水黾的漂浮为代表的固体漂浮现象是重力、浮力与表面张力共同作用的结果，而水黾水上运动过程中水对水黾的作用力如何定量分析目前还没有得到明确的结论。不同激励下水波的传递与变形是流体力学中的重要研究方向，尤其是在航空航天领域，携带的大量液体推进剂在任务中会不可避免的发生晃动，容易导致航天器姿态失稳，也因此液体晃动成为重要的研究方向。由于液面的形貌与浮力、表面张力、水波与液体晃动等直接相关，因此完成对液面变形的表征能显著帮助相关研究方向的进展。
[0003]现有的液面形貌测量方法主要有两类方法：一类是透射方法，一类是反射方法。透射方法中，J.C.Wyant使用全息剪切干涉法(J.C.Wyant,Appl Opt,1973；12:2057
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60)与K.D.Hinsch使用全息干涉法(K.D.Hinsch,Appl Opt,1978；17:3101
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7)用于液面测量，变形测量灵敏度达到了纳米量级，但是测量量程较小，无法测量毫米及以上量级的液面变形；汤慧颖等人(Optics and Lasers in Engineering,2017,98:205
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216)提出的双色点阵偏折法能测量微米到毫米量级的单层与双层液面变形，但是不适用于大斜率的液面变形；刘战伟等人(Optics and Lasers in Engineering,2012；51(2)：167
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171)发展的透射条纹法，专利(申请号为CN201310355784.5)“基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法和系统”与专利(申请号为CN201410429656.5)“贮箱液体推进剂液面形貌与剂量动态测量方法和系统”等方法由于均采用了迭代算法，无法避免误差的累积；Qian等人(Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition.2017:1269
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1278)提出的光线追踪法测量精度非常高，但需要多个相机，同时计算复杂，效率低。A.K.Asundi等通过反射法测量了动态液面的三维形貌(Huang L,A.K.Asundi等,Opt Express,2011；12809
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14)，但是液面变形较大会导致反射光线超出相机视场。
[0004]因此，如何在保证测量灵敏度的同时，减少迭代误差，增大测量量程，减少装置制作成本，提高测量效率成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法与系统，以解决现有的液面形貌测量方法难以同时实现高精度，高效率，装置经济，操作简单的问题。
[0006]一方面，本专利技术公开了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，包括步骤：
[0007]提供图像采集设备，将图像采集设备设置在液面远离地面的一侧，且所述图像采
集设备与所述液面具有间隔，并对所述图像采集设备进行标定；
[0008]提供具有一定厚度的介质，并将所述介质置于所述液面底部，在垂直于地面所在平面的方向上，所述介质包括相对设置的上层和下层，所述上层和下层均具有信息载体图形；
[0009]所述液面静止时，利用图像获取方法通过所述图像采集设备对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像，所述图像获取方法包括所述图像采集设备采集双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像采集到同一图像中，利用几何相位分析技术或者彩色阈值提取法将上层信息载体图形的图像和下层信息载体图形的图像分开到两张图像中，形成上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像；
[0010]当所述液面发生形变时，利用所述图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面形变后的信息载体畸变图像，所述信息载体畸变图像包括上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像，采集一张信息载体畸变图像时，最终测量的是采集时刻的液面瞬时形貌，当采集随时间变化的序列信息载体畸变图像时，最终测量得到的是液面随时间变化的形貌；
[0011]以液面静止时获取的上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像作为参考，对所述上层信息载体畸变图像和所述下层信息载体畸变图像进行处理得到所述上层信息载体图像和所述下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据，求解上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场与下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场；
[0012]按照以下方法，根据上层信息载体图像的全场位移矢量场与下层信息载体图像的全场位移矢量场求解所述液面各个时刻的液体高度数据：
[0013][0014]其中，S1为上层信息载体图像的全场面内位移，S2为下层信息载体图像的全场面内位移，d为所述介质的上层与下层之间的厚度，α为图像采集设备所采集图像对应位置的光线与竖直方向的夹角，n1为液体的折射率，n2为所述介质的折射率。
[0015]可选的，所述信息载体图形包括条纹、散斑和点阵信息。
[0016]可选的，采用数字云纹技术、数字散斑技术或几何相位分析技术对所述对上层信息载体畸变图像和所述下层信息载体畸变图像进行处理得到所述上层信息载体图像和所述下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据。
[0017]可选的，所述介质包括透明玻璃、或透明塑料，所述介质的折射率与所述液体的折射率相等或不相等。
[0018]可选的，所述上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场，包括所述上层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和，所述下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场包括下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和。
[0019]另一方面，本专利技术还公开了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量系统，包括图像采集设备、介质、面内位移矢量处理模块以及液面三维形貌处理模块，其中，
[0020]所述介质具有一定厚度，设置在液面底部，在垂直于地面所在平面的方向上，所述介质包括相对设置的上层和下层，所述上层和下层均具有信息载体图形；
[0021]所述图像采集设备，设置在液面远离地面的一侧，且所述图像采集设备与所述液面具有间隔，并对所述图像采集设备进行标定，与所述面内位移矢量处理模块相耦接，用于所述液面静止时利用图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像，所述图像获取方法包括：所述图像采集设备采集双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像采集到同一图像中，利用几何相位分析技术或者彩色阈值提取法将上层信息载体图形的图像和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，其特征在于，包括步骤：提供图像采集设备，将图像采集设备设置在液面远离地面的一侧，且所述图像采集设备与所述液面具有间隔，并对所述图像采集设备进行标定；提供具有一定厚度的介质，并将所述介质置于所述液面底部，在垂直于地面所在平面的方向上，所述介质包括相对设置的上层和下层，所述上层和下层均具有信息载体图形；所述液面静止时，利用图像获取方法通过所述图像采集设备对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像，所述图像获取方法包括所述图像采集设备采集双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像采集到同一图像中，利用几何相位分析技术或者彩色阈值提取法将上层信息载体图形的图像和下层信息载体图形的图像分开到两张图像中，形成上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像；当所述液面发生形变时，利用所述图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面形变后的信息载体畸变图像，所述信息载体畸变图像包括上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像，采集一张信息载体畸变图像时，最终测量的是采集时刻的液面瞬时形貌，当采集随时间变化的序列信息载体畸变图像时，最终测量得到的是液面随时间变化的形貌；以液面静止时获取的上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像作为参考，对所述上层信息载体畸变图像和所述下层信息载体畸变图像进行处理得到所述上层信息载体图像和所述下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据，求解上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场与下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场；按照以下方法，根据上层信息载体图像的全场位移矢量场与下层信息载体图像的全场位移矢量场求解所述液面各个时刻的液体高度数据：其中，S1为上层信息载体图像的全场面内位移，S2为下层信息载体图像的全场面内位移，d为所述介质的上层与下层之间的厚度，α为图像采集设备所采集图像对应位置的光线与竖直方向的夹角，n1为液体的折射率，n2为所述介质的折射率。2.根据权利要求1所述的基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，其特征在于，所述信息载体图形包括条纹、散斑和点阵信息。3.根据权利要求1所述的基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，其特征在于，采用数字云纹技术、数字散斑技术或几何相位分析技术对所述对上层信息载体畸变图像和所述下层信息载体畸变图像进行处理得到所述上层信息载体图像和所述下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据。4.根据权利要求1所述的基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，其特征在于，所述介质包括透明玻璃、或透明塑料，所述介质的折射率与所述液体的折射率相等或不相等。5.根据权利要求1所述的基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法，其特征在于，所述上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场，包括所述上层信息载体图像各
个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和，所述下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场包括下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和。6.一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量系统，其特征在于，包括图像采集设备、介质、面内位移矢量处理模块以及液面三维形貌处理模块，其中，所述介质具...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘战伟，黄耀，黄先富，吴东亮，钟梦林，李鲜，董慧敏，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：