【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及透明气体燃料流场测试，尤其涉及一种基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置及方法。
技术介绍
1、气体燃料的流场通常具有复杂且难以预测的流动特性，而气体的流动特性与燃烧特性直接相关，可视化观察气体燃料流场的发展过程对理解其中的物理过程、获取气体燃料的分布状态和提升燃料的效率等方面起着至关重要的作用。但是，氢气、甲烷等气体燃料往往是无色、透明的，难以直接用肉眼或普通的摄像手段观察，在工程研究中常常需要使用流场可视化方法对透明无色气体的流场进行测量。
2、相关的可视化测量方法主要有激光干涉法、纹影法、阴影法和背景导向纹影法等，这些可视化方法被广泛应用于空气动力学研究和气体燃料开发利用等领域。激光干涉法提供关于介质折射率的信息，纹影法和背景导向纹影法提供介质折射率的一阶导数信息，阴影法提供关于介质折射率的二阶导数信息。激光干涉法可以进行定量测量，但其设置成像装置的过程复杂，且容易受到振动影响。纹影法和阴影法依赖于精确的光路搭建，可以实时成像，拥有更高的成像分辨率，但定量计算较为困难，且无法处理过大的视场范围。相对于其他可视化技术，背景导向纹影法的实验配置简单，不需要高质量的光学窗口等光学仪器，设备成本较低；可以直接使用一般的非干涉光照明，例如高亮度led光源照明；具有较大的视场，特别是使用自然背景时，可以对较大的目标区域进行分析处理；此外，还可以实现精确的定量测量。
3、得益于简单的实验设置条件，背景导向纹影法相对于其他方法更容易应用多相机设置进行多视角立体测量；在相机标定的基础上，该方法结合
4、因此，本领域的技术人员致力于提供一种基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置及方法，以减小基于背景导向纹影法的实验中的系统误差，并构建相应的优化求解方法。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术上的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置及方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，包括：
3、气源，其用于提供透明气体燃料；
4、气体喷嘴，其与所述气源通过管道连接，用于喷射气流；
5、摄像装置，其摄像端朝向所述气体喷嘴，用于采集图像；
6、背景板，其设于所述摄像装置远离所述气体喷嘴的一侧；
7、数据采集装置，其与所述摄像装置电连接，用于收集图像数据；
8、控制装置，其与所述气体喷嘴、摄像装置电连接，向所述气体喷嘴、摄像装置发送控制信号。
9、优选地，所述摄像装置为工业相机，所述摄像装置设置若干台，若干台所述摄像装置非均匀地环绕在所述气体喷嘴的周向。
10、优选地，所述数据采集装置包括计算机和交换机，所述摄像装置电连接至所述交换机，所述交换机电连接至所述计算机。
11、进一步地，所述控制装置为数字延迟发生器，所述控制装置向所述气体喷嘴、摄像装置发送延迟信号。
12、进一步地，所述背景板为半随机噪声背景，所述背景板由黑白两色构成，白色为底，黑色为噪声点，所述噪声点随机分布，所述噪声点的分布密度相同；所述背景板上设置有标志物。
13、本专利技术还提供了一种基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化方法，包括以下步骤：
14、步骤1、建立基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，对摄像装置的内外参数及背景板的空间位置进行标定；
15、步骤2、使用信号发生器单独触发摄像装置，捕捉各相机视角下的无射流流场影响的背景板图像；然后设置数字延迟发生器在指定延迟时间一次触发气体喷嘴和所有摄像装置，捕捉各个相机视角下的有射流流场影响的背景板图像；
16、步骤3、根据所述无射流流场影响的背景板图像和有射流流场影响的背景板图像，手动绘制每个相机视角下的图像掩膜，约束每个相机视角下的图像像素位移场的求解范围；
17、步骤4、利用互相关算法计算每个相机视角划分的子区域图像的位移矢量；
18、步骤5、在需重建的流场区域的指定位置构造指定大小和数量的体素，初始化体素值为环境中稳定的折射率值；
19、步骤6、基于所有视角下的二维掩膜覆盖的有效光线传播范围构建三维体素的掩膜；
20、步骤7、根据摄像装置标定的结果、反投影的二维图像掩膜和小孔成像原理，初始化对应相机视角下的有效成像像素位置的光线传播参数；
21、步骤8、在有效成像像素位置进行包含光线直线传播过程和连续偏转传播过程光路计算，获取光线与背景板所在平面相交的交点，并通过摄像装置内外参数反投影回相机像素坐标系，计算像素位移量；
22、步骤9、选取近似最优的目标流场折射率数值，计算流场密度数值，实现流场可视化。
23、进一步地，所述步骤4中，互相关值的计算方式为：
24、
25、其中，i1(i,j)为位置(i，j)处的像素值，i2(i+u,j+v)为位置(i+u，j+v)处的像素值；在计算结果中选取与最大互相关值的对应位移矢量作为对应像素点处捕获图像的位移矢量。
26、进一步地，所述步骤4中计算获取的目标像素位移量和所述步骤8中计算的像素位移量作为输入，计算优化问题的损失函数值。
27、进一步地，所述步骤8中，光程积分s满足：
28、
29、
30、其中，n(r)是折射率路径，a、b分别为光线传播路径的起点和终点，δ是变分运算符；
31、根据变分法获取欧拉-拉格朗日方程如下：
32、
33、
34、
35、其中，n、△n和r都是位置的函数，t为引入的新变量；
36、引入光线在迭代过程中不断更新的位置变量r和方向变量t，构造一个新的变量d，得到标准常微分方程：
37、r＝[x,y,z]t
38、
39、
40、d＝t′
41、根据三阶龙格-库塔表达式可获得所述标准常微分方程的数值迭代计算方程组：
42、
43、根据光线传播过程，构建优化问题损失函数：
44、
45、其中，p'是每根光线与背景板的交点对应的投影像素位置，p0是光线从光心发出口与成像平面的交点像素坐标，u'是像素位置在x方向上产生的位移量，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述摄像装置为工业相机，所述摄像装置设置若干台，若干台所述摄像装置非均匀地环绕在所述气体喷嘴的周向。
3.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述数据采集装置包括计算机和交换机，所述摄像装置电连接至所述交换机，所述交换机电连接至所述计算机。
4.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述控制装置为数字延迟发生器，所述控制装置向所述气体喷嘴、摄像装置发送延迟信号。
5.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述背景板为半随机噪声背景，所述背景板由黑白两色构成，白色为底，黑色为噪声点，所述噪声点随机分布，所述噪声点的分布密度相同；所述背景板上设置有标志物。
6.基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6
8.根据权利要求7所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化方法，其特征在于，所述步骤4中计算获取的目标像素位移量和所述步骤8中计算的像素位移量作为输入，计算优化问题的损失函数值。
9.根据权利要求8所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化方法，其特征在于，所述步骤8中，光程积分S满足：
10.根据权利要求6所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化方法，其特征在于，所述步骤9中，流场密度的计算方式为：
...【技术特征摘要】
1.基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述摄像装置为工业相机，所述摄像装置设置若干台，若干台所述摄像装置非均匀地环绕在所述气体喷嘴的周向。
3.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述数据采集装置包括计算机和交换机，所述摄像装置电连接至所述交换机，所述交换机电连接至所述计算机。
4.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述控制装置为数字延迟发生器，所述控制装置向所述气体喷嘴、摄像装置发送延迟信号。
5.如权利要求2所述的基于背景导向纹影法的气体燃料流场的可视化装置，其特征在于，所述背景板为半随机噪声背景，所述背景板由黑白两色构成，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李雪松，许敏，张富豪，龚水成，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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