PIV图像高频采集方法技术

本发明专利技术公开了一种PIV图像高频采集方法，首先在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列；然后，利用同步器控制各台摄像机依次双曝光得到相应视场内的示踪粒子图像；再采用自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据，接着采用坐标转换的方式，以获得处于各摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。故本发明专利技术采用多个摄像机组成摄像机阵列方式对流场中的示踪粒子依次双曝光拍摄，代替了单台摄像机需采用高帧频方式才能进行水流紊动特性的分析，大幅降低摄像机阵列中各台摄像机的帧频，实现了普通帧频摄像机就可进行高频图像采集，减小了PIV图像采集装置因采用高频摄像机导致的昂贵成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
在流体力学领域，PIV用于测量流体速度，可实现全场瞬时测量，其具有不干扰流体形态、无毒无污染等显著优点，因此，得到了广泛应用。为满足水流紊动特性，PIV系统采样频率应达到200HZ 300HZ，但目前PIV多采用双脉冲激光器，每个脉冲对应一幅图像， 双脉冲就对应两幅图像，通过时间调制，可控制两个脉冲光之间的时间间隔非常短，能达到数十纳秒，能很好地获取某个时刻的瞬时流场数据。但对于同一脉冲激光而言，脉冲激光之间的时间间隔受限于激光频率，如激光器频率为15HZ，则对于同一脉冲激光，两个脉冲光之间的间隔就为1/15秒，因此，需要在经过1/15秒后才能获取下一时刻的瞬时流场数据，影响了水流紊动特性分析。当前民用领域，激光器的频率只有数十赫兹，该频率就限制了 PIV 采样频率，数十赫兹难以满足水流紊动特性分析。为此有研究者采用高频摄像机的方式来进行PIV图像高频采集，但高频摄像机价格非常昂贵，因为国内生产的摄像机频率多为几十赫兹，几百赫兹的高频摄像机只能从国外进口，高频摄像机的方式限制了大规模应用，阻碍了水流紊动强度的测量，影响了学科的发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种PIV图像高频采集方法，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，采用同步器控制组成摄像机阵列的各摄像机依次双曝光得到相应视场内的示踪粒子图像，再结合自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据，接着将各台摄像机的相应流场矢量数据坐标统一转换至激光片光平面坐标系，以获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。故本专利技术采用多个摄像机组成摄像机阵列方式对流场中的示踪粒子依次双曝光拍摄，代替了单台摄像机需采用高帧频方式才能进行水流紊动特性的分析，大幅降低摄像机阵列中各台摄像机的帧频，实现了普通帧频摄像机就可进行高频图像采集，减小了 PIV图像采集装置因采用高频摄像机导致的昂贵成本。为实现以上的技术目的，本专利技术将采取以下的技术方案一种PIV图像高频采集方法，首先，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄得到相应视场内的示踪粒子图像，并采用自相关技术处理各摄像机拍摄的示踪粒子图像，以获取各摄像机相应视场内的流场矢量数据；通过标定建立起各台摄像机图像坐标系与参照坐标系之间的坐标转换关系，获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。所述参照坐标系为基于激光片光片面建立的坐标系，该坐标系的原点为激光片光平面的中点；将各摄像机相应的流场矢量数据统一转换至基于激光片光平面建立的坐标系，以获取摄像机视场重叠区域内的流场矢量数据，进而获得摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。所述摄像机阵列由中心轴线相互平行的一组摄像机组成，且摄像机的中心轴线与片光平面垂直；各摄像机具有相同的仪器参数，同时各摄像机与激光片光平面之间的间距相同。根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果本专利技术采用同步器控制两组对称地布置在流场两侧的摄像机阵列的各摄像机依次对流场中的示踪粒子进行双曝光拍摄，然后采用自相关运算的方法对各摄像机所采集图像进行计算，以获得相应流场的矢量数据，并将各摄像机所拍摄图像信息关联到片光平面建立的坐标系中，从而可以获得各摄像机拍摄视场相互重叠部分处于不同时刻的流速数据。由此可知本专利技术采用同步器控制多台摄像机的顺序拍摄，代替单台摄像机需要采用高频的方式才能进行水流紊动特性的分析，因此，本专利技术将单台高频摄像机的频率分配到摄像机阵列中的各个摄像机中，大幅降低了摄像机阵列中各台摄像机的拍摄频率。从而降低PIV 图像采集因采用高频摄像机的昂贵价格。附图说明图1是摄像机阵列拍摄效果图2是摄像机阵列曝光时间控制示意其中第一台摄像机11 ；第二台摄像机12 ；第三台摄像机21 ；第四台摄像机22 ；片光平面3 ；摄像机安装支座4 ；A、C为第二台摄像机以及第三台摄像机的拍摄视场与片光平面的交点；B、D为第一台摄像机以及第四台摄像机的拍摄视场与片光平面的交点。具体实施例方式附图非限制性地公开了本专利技术所涉及优选实施例的结构示意图。以下将结合附图详细地说明本专利技术的技术方案。如图1所示，本专利技术所述的PIV图像高频采集方法，首先，对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄处于相应拍摄视场内的流场中的示踪粒子，并将各摄像机所拍摄的图像输入计算机； 利用自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据，同时，通过标定建立起各台摄像机所拍摄图像信息与片光平面3之间的坐标转换关系， 以将各台摄像机所拍摄图像的相应流场矢量数据转换到片光平面3坐标系中，从而获得各摄像机拍摄视场相互重叠部分处于不同时刻的流速数据。所述摄像机阵列由轴向法线相互平行的一组摄像机组成，且组成摄像机阵列的各摄像机与流场之间的间距一致，同时各摄像机的轴向法线均与片光光面垂直。每组摄像机阵列的各台摄像机均与同一往复直线移动装置的输出端连接，所述往复直线移动装置的移动方向与片光平面3相垂直。采用本专利技术所述的技术方案进行PIV实验的过程如下如图2所示，同步器在、时段控制第一台摄像机11进行双曝光，双曝光时间间隔为 Δ t，第一台摄像机11完成双曝光采集图像后，经过Δ T时间，同步器在t2时段控制第二台摄像机12进行双曝光，双曝光时间间隔为Δ t，第二台摄像机12完成双曝光采集图像后，经过Δ T时间，控制第三台摄像机21，依次控制各台摄像机进行双曝光采集图像，摄像机阵列完成时间序列上图像采集。对tl时段第一台摄像机11采集的双曝光图像进行自相关运算，得到、时段的平均流速V11,控制Δ t时间足够短，即、时段很短，V11可认为、时刻的是瞬时流速。同理得到第二、第三、第四台摄像机22的瞬时流速V22、V23、V24。同样，可获得整个时间序列上的流速V11、V22、V23、V24、V15、V26、V27> V28......如果摄像机的采样频率为f，同步器控制后，Piv的采样频率将为4Xf，例如国产的常规摄像机的频率在10M*768的分辨率情况下可为60HZ，采用该种摄像机阵列布置形式后，PIV的采样频率可达对0，可满足大部分水流紊动分析，国产分辨率10M*768情况达到 200HZ摄像机暂无，国外一般的摄像机机价格已近十万，而该普通摄像机价格只有五千元左右，4台同样的摄像机价格也远远低于高频摄像机。通过标定建立起各台摄像机图像与片光平面3坐标转换关系。片光原点在第一台摄像机11图像中的坐标为( ,Jio)，一般将片光平面3与流场的轴线相交的点定为片光平面3坐标系原点；第一台摄像机11 的每一个像素代表的片光片面的实际尺寸为約，( , )为第一台摄像机11图像坐标I X = ( ~~ Xj η ),、转换至片光平面3的坐标‘, 、同理可得第二台摄像机12与片光平面3坐标转换关系为/作=α4 O* — 7 m)在保证各台摄像机的技术参数一致的情况，如果各台摄像机距离片光平面3的距离相等，则有約=S2=Oi=S4o 第一台摄像机11和第二台摄像机12处于同一个阵列中，轴线法线平行，则轴线本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＰＩＶ图像高频采集方法，其特征在于：首先，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄得到相应视场内的示踪粒子图像，并采用自相关技术处理各摄像机拍摄的示踪粒子图像，以获取各摄像机相应视场内的流场矢量数据；通过标定建立起各台摄像机图像坐标系与参照坐标系之间的坐标转换关系，获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈红，王得祥，鲁娟娟，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：84