【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学测量，尤其涉及一种基于多色激光合成新型光谱和光场成像的流场测量方法及系统。
技术介绍
1、流体成像在科学和工程领域有许多重要的应用。三维非定常流动和湍流现象非常常见，因此流体成像的主要任务是探测一系列长度尺度上的流体运动，最终的目标是能够获得速度矢量的三个分量的3d密集测量，即3d-3c。自20世纪80年代开始，二维粒子图像测速技术出现并逐渐拓展其应用范围，该技术可以实现一个二维平面中的多点非接触式瞬态测量，因此该技术被广泛应用于流体力学、燃烧学和生物医学等诸多领域。然而自然界和实际工程问题中的诸多流动现象都是复杂的三维流动，二维速度场不足以完全揭示三维流动现象的机理，因此需要研究如何对流体进行精确的3d-3c速度场测量。
2、层析piv(tomo-piv)是基于多目视觉的piv测试技术，具有测量精度较高、测量区域较大，且适用于粒子浓度较高的优点，但该技术存在诸多不足之处，比如校准操作比较复杂，而且需要多台相机，无法在光学测量窗口比较狭小时使用。由于光场技术的即时体积成像能力，近几年开发了光场piv(lf-piv)系统，只需要单台光场相机，不需要光学或机械扫描，与tomo-piv等传统模式相比，lf-piv大大简化了成像系统。该系统的简单性和光场成像的便利性赋予了其在空间受限、光通道受限的条件下的极大应用自由度。虽然lf-piv可以实现三维位置信息采集，但其轴向分辨率相对较差，并且重构颗粒通常具有细长形状，轴向尺寸比横向尺寸大得多。低轴向分辨率严重限制了lf-piv在粒子位置定位中的准确度，从而影响
3、为提高光场piv技术轴向分辨率，近期开发了彩色和深度编码(cade)方法。原理是通过改变光束颜色，使不同深度的颗子受到不同波长的照射。当使用彩色相机拍摄时，不同深度的颗粒呈现出不同的颜色，形成了颗粒图像中的颜色和深度编码。通过精确解析颜色和深度之间的关系，可以比单色piv更准确地确定颗粒的轴向位置。目前已经提出的cade生成光谱的方法，存在光源功率较低、不适用于变尺度光场、定制衍射光学元件复杂的问题，且其应用仅限于低速流成像。
技术实现思路
1、专利技术目的：针对现有技术轴向分辨率差的缺点，本专利技术提供一种基于多色激光合成新型光谱和光场成像的流场测量方法及系统。
2、技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种基于多色激光合成新型光谱和光场成像的流场测量方法，包括以下步骤：
3、步骤1、搭建多色激光合成的实验光路，利用发出rgb三色的三台激光器作为激发源，三台激光器的波长分别为405nm、532nm、650nm，所述三台激光器发出的激光束分别经过三台空间光调制器的调制，合成得到颜色沿深度方向变化的新型激光光谱；
4、步骤2、进行标定校准实验，提取新型激光光谱轴向深度点扩散函数；
5、步骤3、用新型激光光谱对待测流场进行激发，并用光场相机对待测流场进行成像，采集光场图像；
6、步骤4、对光场图像进行三维光场重建，得到具有颜色编码信息的光场三维粒子场；
7、步骤5、对具有颜色编码信息的光场三维粒子场进行颜色/深度解码，得到不同深度下粒子三维分布图像；
8、步骤6、重建三维速度场，采用一种基于物理模型的变分光流模型求解得到待测流场的三维速度矢量场。
9、本专利技术还提供所述测量系统，包括:
10、(1).光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列、主镜头和工业相机；
11、(2).多色激光合成新型光谱的成像系统，包括波长为405nm、532nm、650nm的三色激光器、三台空间光调制器(dmd)、光学透镜组合；
12、(3).数据处理器，通过获得的时序粒子光场图像，用数据处理器来重构出三维流场速度矢量场。
13、有益效果：本专利技术相对于现有技术，其显著优点是：
14、(1)测量所需设备少，通过单光场相机替代多个相机系统或特殊光学元件，降低了系统成本，极大简化了系统的配置和操作；
15、(2)成像空间分辨率高，利用颜色深度编码方法提高了轴向空间分辨率；
16、(3)可更好地适用于变尺度成像中，通过三台dmd分别调制三色激光生成的新型激光光谱，增加单位深度上的颜色变化率，有利于深度识别；同时光束宽度和颜色变化率可通过不同的dmd调制图案进行自由调整，以匹配实验场的成像深度，使系统更容易适应不同的实验场景。
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1.一种基于多色激光合成新型光谱和光场成像的流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤1中三台激光器发出的激光束分别经过三台空间光调制器预先加载的渐变图案调制。
3.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤1中所述新型激光光谱的光束宽度、颜色变化率通过空间光调制器的调制图案及透镜组合调节。
4.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将单个示踪粒子放置在支架的顶端，并将支架固定在电动位移台上，沿深度方向依次移动，得到不同深度的光场图像数据，从中提取每个深度的PSF颜色信息，完成深度和颜色的校准，作为估算粒子所在深度时的对应颜色依据。
5.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在待测流场中均匀播撒示踪粒子，利用校准后的新型激光光谱对待测流场进行激发，并用光场相机对待测流场进行成像，采集流场中示踪粒子的时序光场图像。
6.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤4所述三维光场重建具体为：将采集的光场图像经过光场重
7.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤5所述进行颜色/深度解码具体为：将识别到的颜色编码信息与系统标定的颜色/深度编码指数进行比对，通过交替方向乘子法(ADMM)求解器对深度估计函数进行求解并进行迭代计算，得到高精度的三维粒子场强度分布；所述与系统标定的颜色/深度编码指数进行比对过程如下：
8.如权利要求7所述的流场测量方法，其特征在于，所述深度估计函数p*表示为：
9.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤6所述变分光流模型的目标函数为包含一个数据项和一个平滑项的能量函数的最小化表示，数据项基于亮度守恒假设，即同一个像素点的亮度(灰度值)在相邻两帧图像内保持不变，即：
10.一种实现权利要求1至9任一项所述流场测量方法的测量系统，其特征在于，包括:
...【技术特征摘要】
1.一种基于多色激光合成新型光谱和光场成像的流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤1中三台激光器发出的激光束分别经过三台空间光调制器预先加载的渐变图案调制。
3.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，步骤1中所述新型激光光谱的光束宽度、颜色变化率通过空间光调制器的调制图案及透镜组合调节。
4.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将单个示踪粒子放置在支架的顶端，并将支架固定在电动位移台上，沿深度方向依次移动，得到不同深度的光场图像数据，从中提取每个深度的psf颜色信息，完成深度和颜色的校准，作为估算粒子所在深度时的对应颜色依据。
5.如权利要求1所述的流场测量方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在待测流场中均匀播撒示踪粒子，利用校准后的新型激光光谱对待测流场进行激发，并用光场相机对待测流场进行成像，采集流场中示踪粒子的时序光场图像。
6.如权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王德鹏，王乙竹，邢丰，谭慧俊，何小明，苏利威，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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