一种液体表面波观测系统技术方案

本发明专利技术一种液体表面波观测系统，通过校正单色摄像机和正三角形边界容器的位置和姿态，以及所述单色摄像机的透镜组合的径向失真，使生成的表面波达到理想状态。所述单色摄像机拍摄振动台驱动3分钟后的当前图像和静止时的参考图像，在计算机集群输入图像，以二进制格式输出含时演化的高度数据，所述高度数据排列成数据矩阵，所述矩阵进行奇异值分解得到空间分布模式和时间演化模式，微分各像素点与其近邻的像素点，限定所述图像中像素点的整体高度，得到各像素点的梯度分布，转化成一系列超定方程组，将最小二乘解作为高度分布，得到任一当前图像和参考图像对应像素点的运动信息，重建二维系统的液体表面波波形。二维系统的液体表面波波形。二维系统的液体表面波波形。

【技术实现步骤摘要】
一种液体表面波观测系统


[0001]本专利技术涉及液体表面波观测领域，特别涉及一种液体二维表面波观测系统。

技术介绍

[0002]表面波的运动模式没有集中到固定的或者明显的方向，在实际的观测系统中，需要尽量完整地记录表面波在二维区域上的形态，如三角形容器内的表面波。对于这种表面波的观测记录，以往采用的方法有直接拍摄、准直光折射成像、激光反射法等。
[0003]直接拍摄，其拍摄效果与人眼观测一致，可以大致反映拍摄时波峰波谷的空间分布等简单的信息，但难以做后续的处理，比如，难以通过所拍摄的照片得到较为准确的波矢信息。
[0004]准直光折射成像，是本申请初期主要采用的液体表面波观测方法，本申请主要受光源的准直特性、镜头口径、光圈大小等因素影响。准直系统其核心部件为一面凸透镜，其精度直接影响了光的准直特性，而其直径，则至少大于容器的最长边长，才能使准直光穿过容器的任一位置。某处液面的弯曲程度与相应位置图像的亮度的关系，受多种因素影响，如透镜尺寸、镜头口径、光圈大小、各部分的相对位置等，不同大小、形状的容器，往往要使用不同的设置。这使得实际的亮度分布也会随着不同的设置变化，难以保证其亮度范围恰好与摄像机的动态范围一致。其精度和完整性难以兼顾，波峰波谷的形态与波节的位置分布难以同时精确地记录。难以由最终录制的表面波图像重建高度场，更难以对波形进行进一步的分析。
[0005]使用基于激光在液面折射、反射的检测方法，只能对某一点或沿某一直线处的梯度进行测量，难以对二维液体表面波的各个位置同时测量，也几乎无法重建液体表面波的波形。
[0006]因此，由于现有技术的限制，人们无法定量地测量并记录液体二维表面波。

技术实现思路

[0007]（一）专利技术目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种液体表面波的观测系统，重建液体表面波波形。
[0008]（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种液体表面波观测系统，包括观测单元、容器、振动单元、图像分析单元、数据处理单元和波形重建单元；所述容器包括正三角形边界容器；所述振动单元包括振动台，所述正三角形边界容器放置在所述振动台台面上；所述观测单元包括单色摄像机，第一平面镜，平板电脑；所述第一平面镜45度倾斜放置在所述容器下方，朝向所述单色摄像机，所述平板电脑放置在所述容器上，所述单色摄像机经过第一平面镜反射后，从所述容器底部向上观测，经过所述容器内的液体，拍摄所述平板电脑的散斑图像；所述图像分析单元包括多个计算机组建的计算机集群，通过输入图像名称，所述计算机集群提取所述图像名称的图像，输出二进制格式的各像素点的高度数据；
所述数据处理单元将所述图像分析单元的所述高度数据排列成数据矩阵，所述数据矩阵进行奇异值分解，得到各像素点的位移分布数据，分别与其近邻的像素点微分，得到各像素点的梯度分布，通过限定整体高度，转化成超定方程组进行求解，将最小二乘解作为高度分布；所述波形重建单元将所述数据处理单元的各像素点的高度分布在所述计算机集群进行线性连接，得到所述液体表面波波形曲线。
[0009]其中，所述振动台产生竖直振动波，传导到所述容器内液体，所述液体表面产生液体表面波。
[0010]其中，采用自由表面合成纹影法得到所述液体表面波。
[0011]其中，在与所述单色摄像机距离所述正三角形边界容器一致的位置进行校正径向失真；使用采集卡的子区域标记功能来调整所述单色摄像机的位置和姿态，得到理想状态的观测条件。
[0012]其中，所述图像分析单元的计算机集群同时计算一幅当前图像相对于参考图像的高度数据，所述高度数据是表面波随时间演化的数据。
[0013]其中，所述图像分析单元将图像连续的8个像素点的计算情况进行二进制编码，用无符号整型变量来保存编码后的高度数据。
[0014]其中，所述高度数据的横向和纵向分量分别保存至两个二进制文件中。
[0015]其中，所述数据处理单元对所述图像分析单元得到的高度数据从左向右逐列按照原来的顺序自上而下排列成数据矩阵，任意一列包含了某一时刻下高度数据的全部信息，不同的列则对应不同的时刻；任意一行则对应区域内某一像素点的高度随时间的变化。
[0016]其中，所述数据处理单元的一个内部像素点的梯度分布对应两个超定方程，所述超定方程体现了各像素点与其近邻像素点的微分信息。
[0017]其中，所述波形重建单元得到波形光滑的二维液体表面波波形曲线。
[0018]（三）有益效果：本专利技术提供一种液体表面波观测系统，搭建了液体表面波观测和表面波重建方法，能够在较为理想的情形下得到预期的表面波波形；将液体表面波的高度变化与背景所成图像的变化联系在一起，通过计算机集群，编写C++代码，将任一图像的像素点转化成数据，得到液体表面波的高度数据，将该高度数据排列成矩阵，奇异值分解，得到对应的空间分布模式和时间演化模式，得到位移分布，并将任一像素点与其近邻的像素点微分，限定整体高度，将梯度分布转化成超定方程组的问题，将超定方程组的最小二乘解作为对应像素点的高度分布，将该高度分布进行线性连接，得到二维液体表面波波形曲线。
附图说明
[0019]图1是本专利技术一种液体表面波观测系统的流程图；图2是本专利技术一种液体表面波观测系统的观测装置图；图3是本专利技术校正单色摄像机径向失真制作的棋盘格；图4是单色摄像机拍摄的棋盘格图像中识别到的角点和坐标轴；图5是前100个奇异值的分布图；图6是第一时间演化模式曲线；图7是重建的液体表面波的立体图像的左侧截面波形曲线；
图8是重建的液体表面波的立体图像的底面截面波形曲线。
[0020]附图标记：1
‑
正三角形边界容器、2
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第一亚克力板、3
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第一平面镜、4
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装有45度倾斜第一平面镜3的亚克力盒子、5
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振动台、6
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单色摄像机、7
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第二平面镜、8
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第二亚克力板、9
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棋盘格、10
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第三亚克力板、11
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平板电脑。
具体实施方式
[0021]下面结合优选的实施例对本专利技术做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本专利技术的保护范围。
[0022]附图是本专利技术的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本专利技术的实际要求保护范围构成限制。
[0023]一种液体表面波观测系统，如图1所示，包括容器，振动单元，观测单元。所述容器包括正三角形边界容器，所述振动单元包括振动台，所述观测单元包括单色摄像机，第一平面镜，平板电脑。
[0024]一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液体表面波观测系统，其特征在于，包括观测单元、容器、振动单元、图像分析单元、数据处理单元和波形重建单元；所述容器包括正三角形边界容器；所述振动单元包括振动台，所述正三角形边界容器放置在所述振动台台面上；所述观测单元包括单色摄像机，第一平面镜，平板电脑；所述第一平面镜45度倾斜放置在所述容器下方，朝向所述单色摄像机，所述平板电脑放置在所述容器上，所述单色摄像机经过第一平面镜反射后，从所述容器底部向上观测，经过所述容器内的液体，拍摄所述平板电脑的散斑图像；所述图像分析单元包括多个计算机组建的计算机集群，通过输入图像名称，所述计算机集群提取所述图像名称的图像，输出二进制格式的各像素点的高度数据；所述数据处理单元将所述图像分析单元的所述高度数据排列成数据矩阵，所述数据矩阵进行奇异值分解，得到各像素点的空间分布模式，所述空间分布模式的数据分别与其近邻的像素点微分，得到各像素点的梯度分布，通过限定整体高度，转化成超定方程组进行求解，将所述超定方程组的最小二乘解作为所述液体表面波各像素点的高度分布；所述波形重建单元将所述数据处理单元的各像素点的高度分布按照原来的排列顺序进行线性连接，得到所述液体表面波波形曲线。2.根据权利要求1所述的一种液体表面波观测系统，其特征在于，所述振动台产生竖直振动波，传导到所述容器内液体，所述液体表面产生液体表面波。3.根据权利要求1所述的一种液体表面波观测系统，其特征在于，采用自由表面合成纹影法得到所述液体表面波。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋亚磊，黄亮，刘小楠，朱志刚，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：