本发明专利技术属于风速／风向测量、数字图像处理等技术领域，涉及光纤式二维风速／风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分，在光纤末端的下方固定有摄像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图像计算风速和风向。本发明专利技术同时提供一种采用上述测量装置实现的二维风速／风向测量方法。本发明专利技术具有结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适中等特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风速/风向测量、数字图像处理等
主要适用于环境、气象、军事、科研等领域。
技术介绍
目前用于风速测量的主要方式包括热式、旋转式、超声式和压差式等。热式风速仪 的原理是被电流加热的导体(如金属线、电阻等)放置在气流中，气流会带走被加热导体表 面的热量，而导体散热率与风速的平方根成比例，从而实现对风速的测量。市场上常见的风 杯风速表、桨叶风速表均使用旋转式测风技术，基本原理是风杯及桨叶的旋转速度与风速 成一定的比例，通过将风杯和桨叶的旋转速度转换成电信号实现对风速的测量。超声式风 速仪采用一对对射的超声换能器，利用顺风与逆风两种情况下超声传播的渡越时间差实现 对风速的测量。皮托管式风速计属于压差式风速测量，它在流动面的正面有与之形成直角 方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其压力差(前者为全压、 后者为静压)，就可计算出风速。随着CMOS技术的发展，在半导体材料上用扩散方法形成电 阻，利用半导体的压阻效应感受风压，也可实现对微风速的测量。 从市场占有率看，热式风速仪最高，此种风速仪价格相对较低，可测量较小风速， 但热式风速仪的功耗相对较大。旋转式风速仪主要用于气象观测，测量精度相对较低，不太 适合对微弱风速的测量。超声式风速仪的测量范围较宽，精度较高，但价格相对较高。压差 式风速仪适合对较大风速的测量，精度低，市场占有率不高。 以上所提的风速测量方式均不能直接实现对风向的测量。在超声式的风速仪中， 若有两对超声换能器，则可实现对二维风向的测量。在气象观测上，风向标是一种应用最广 泛的测量风向仪器的部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋 转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。 通过对国内外期刊论文、会议论文、国内学位论文、国内专利的检索，发现如下的 几个专利申请使用了计算机视觉或图像处理用于风速或风向的测量 专利"基于全方位视觉的三维风速风向测量装置"(申请人汤一平，庞成俊，陆海峰等，申请号200710071151.6)给出一种基于全方位视觉的三维风速、风向测量装置，在水平和垂直方向均安装风杯和风标用于检测风速和风向。全方位的视觉传感器包括外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反射镜面上成像的摄像头。通过图像识别与风杯和风标相连的指针和风向方位块上颜色达到测量风速和风向的目的。专利"基于计算机视觉的智能风速风向测量装置"(申请人汤一平，庞成俊，陆海峰等，申请号200710070675. 3)给出了一种基于计算机视觉的智能风速风向测量装置。该两个专利利用风杯和风标感知风速和风向，通过颜色识别来测量风速/风向，需要采集和识别彩色图像，对测量装置和图像处理技术要求较高，从而成本也比较高。 专禾l」"同步双成像云底风速测量方法"(申请人马舒庆，申请号200910301973. 8)给出了一种同步双成像云底风速测量方法，该方法使用相隔一定距离的两个图像采集器同时拍摄云的同一区域，然后纯粹使用图像处理的方法测量云底的风速。 该方法应用条件是天空必须有云，且测量的风速是云底高度的风速，存在测量条件的限制， 且测量误差较大。 专利"测量大气平均风速风向的图像漂移速度法"(申请人黄宏华，姚永帮，朱文 越等，申请号200610097683. 2)公开了一种利用图像漂移速度法测量传输光路上横向平 均风速和风向的方法。在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，目标 的入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经 五角棱镜倒光后光束进入四棱锥光楔分光，再经成像透镜，成像于面阵CCD传感器上，这样 可以得到同一目标的四个像；所得图像可以两两组合成六组不同基线的图像对。利用图像 到达角运动速度结构函数，在得到四个方向上的图像到达角运动漂移速度结构函数后，根 据它们之间的数学关系得到传输光路上横向平均风速和风向。该方法存在测量装置复杂和 测量技术难以实现的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适中的风速/风向测量装置，能够实现对二维平面上的瞬时和一段时间内 的平均风速和风向的测量，其中风速的范围在0-5m/s，风向0-360° 。为此，本专利技术采用如下的技术方案 —种光纤式二维风速/风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固 定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为 两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分， 垂直部分光纤的长度可调，以适应0-5m/s范围内不同的风速，在光纤末端的下方固定有摄 像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像 头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图 像计算风速和风向。 作为优选实施方式，所述上板与底板平行，在上板上还固定有用于固定光纤的固 定板，在固定板上开设有与点光源同轴的孔；摄像头的光轴与底板相垂直；所述的点光源 为单色光点状激光灯，所述的光纤为多模数据传输用光纤；所述的图像处理单元通过对所 采集的视频图像进行二值处理后，获取光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标，据此计 算风向和风速。 本专利技术同时提供一种采用上述测量装置实现的二维风速/风向测量方法，其特征 在于，包括下列步骤 (1)安装测量装置，使底板水平放置，使摄像头的光轴与底板相垂直； (2)采用下列方法标定装置在无风条件下，由图像处理和计算单元对面阵光敏器件采集图像进行二值处理，获得光纤末端投射的亮斑位置并记录为(O，O)点；在标准风速/风向的条件下，通过改变风速，记录实际情况下不同的风速与光纤末端亮斑在面阵光敏器件上得到的不同投影坐标，最后通过曲线拟合的方法得到风速与投影坐标的对应关系，实现对光纤式二维风速测量装置的标定； (3)实际风速/风向测量时，采集视频图像，并根据给定的灰度阈值进行二值处理，得到光纤末端在面阵光敏器件上的投影点坐标(X，Y); (4)根据模长Ar二VF7F及经过标定后的曲线拟合公式，获得风速的大小，风向 通过9 = arctan(Y/X)计算得出。 本专利技术给出的基于光纤形变检测的新型二维风速/风向测量装置和方法，基于光 学原理，将点光源通过光纤投射到面阵光敏器件上。当光纤处于不同流速的流场中时，可认 为光纤受均匀载荷，载荷随流速的增加而增大，经计算在均匀载荷下其末端偏移量与载荷 成正比。将这一偏移量用面阵光敏器件识别，通过二值图像处理得到偏移值和偏移方向，然 后经过非线性校正转换成二维的风/速风向值。光纤作为敏感元件具有电绝缘性、抗电磁 干扰、非侵入性、高灵敏度的特点。本专利技术具有结构简单、造价低、功耗小、灵敏度高、体积适 中等特点。附图说明 图1光纤式二维风速/风向测量装置模型图。 图2光纤的一维受力分析图。具体实施例方式本专利技术的光纤式二维风速/风向测量装置的结构如图l所示。包含的主要部件有 电源1 ;显示屏2 ;固定板3 ;点光源4 ;上板5 ;光纤6 ;支撑杆7 ;摄像头8 ;电路板9 ;底板10。 电源l用于给整本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤式二维风速／风向测量装置，包括底板、与底板平行的上板，在上板上固定有点光源，点光源与光纤的始端相连，在上板开设有用于穿过并固定光纤的孔，光纤分为两部分，从点光源到上板的部分用于引入点光源，从上板向下的垂直部分为感测气流部分，垂直部分光纤的长度可调，以适应０－５ｍ／ｓ范围内不同的风速，在光纤末端的下方固定有摄像头，摄像头包括微距透镜组和面阵光敏器件，点光源发出的光点经过光纤后投射到摄像头上，摄像头采集的图像被送入图像处理和计算单元，由图像处理和计算单元根据光点图像计算风速和风向。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆浩，吴凯，齐欣，韩天奇，朱少辉，王钊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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