一种单CCD相机三维粒子图像测速方法技术

一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，单CCD相机三维粒子图像测速技术是基于凸透镜成像原理，在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两并排放置的凸透镜，在像平面或CCD上成两个实像；两个像的距离与物距以及两凸透镜的光轴距离成函数关系；示踪粒子在景深内无需改变像距便可得到清晰的像；在PIV系统应用中BB1为第一幅照片内同一示踪粒子所成的像之间的距离，CC1为第二幅照片内同一示踪粒子像的距离；采用两半凸透镜做相机的镜头，两半凸透镜间填充不透光的密封介质；示踪粒子运动的二维速度，采用当今通用的互相关算法得到。本发明专利技术的优点：采用两个单独的半凸透镜镜头的CCD相机PIV系统测量三维流场速度矢量，可以避免多个相机的调焦过程，简化操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光粒子图像测速技术，特别涉及了一种单CCD相机三维粒子图像测速方法。
技术介绍
粒子图像测速技术是由70年代兴起的激光散斑全场测速技术(Laser SpeckleVelocimetry,简称LSV)演变而来的。基本原理是利用脉冲激光将随流体运动的示踪粒子照亮，利用C⑶相机拍摄运动的粒子图像，通过对粒子图像处理得到粒子运动速度矢量。现今三维粒子图像测速技术(3D-PIV)大多采用2个或3个CCD相机同时拍摄某一区域流场照片通过后处理得到三维速度信息，至今还没有采用单个CCD的相机测量三维速度场的PIV技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了采用单个CCD的相机测量三维速度场，特提供了一种单CCD相机三维粒子图像测速方法。本专利技术提供了一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，其特征在于所述的单CCD相机三维粒子图像测速方法如下单CXD相机三维粒子图像测速技术是基于凸透镜成像原理。当物距大于凸透镜的2倍焦距时，凸透镜所成的像是倒立缩小的实像。物距发生变化时像的大小也会相应的发生改变。根据像大小的改变量可以知道物距的变化量(实际应用中需对像距进行测量)。在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两并排放置的凸透镜(物距大于2倍焦距，在像平面(或(XD)成两个实像)。两个像的距离与物距以及两凸透镜的光轴距离成一定函数关系。这个函数关系可根据几何光学推导得到。下面对推导过程做一简要的介绍。推导过程中所用到的数学参数含义以及相关说明见表I所示表I图I和推导公式中数学参数说明 权利要求1.一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，其特征在于所述的单CCD相机三维粒子图像测速方法如下 单CCD相机三维粒子图像测速技术是基于凸透镜成像原理，当物距大于凸透镜的2倍焦距时，凸透镜所成的像是倒立缩小的实像；物距发生变化时像的大小也会相应的发生改变，根据像大小的改变量可以知道物距的变化量，实际应用中需对像距进行测量； 在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两并排放置的凸透镜，物距大于2倍焦距，在像平面或CXD上成两个实像； 两个像的距离与物距以及两凸透镜的光轴距离成函数关系，这个函数关系根据几何光学推导得到，下面为推导过程半凸透镜(I)的光轴与半凸透镜(2)的光轴平行，全文摘要一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，单CCD相机三维粒子图像测速技术是基于凸透镜成像原理，在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两并排放置的凸透镜，在像平面或CCD上成两个实像；两个像的距离与物距以及两凸透镜的光轴距离成函数关系；示踪粒子在景深内无需改变像距便可得到清晰的像；在PIV系统应用中BB1为第一幅照片内同一示踪粒子所成的像之间的距离，CC1为第二幅照片内同一示踪粒子像的距离；采用两半凸透镜做相机的镜头，两半凸透镜间填充不透光的密封介质；示踪粒子运动的二维速度，采用当今通用的互相关算法得到。本专利技术的优点采用两个单独的半凸透镜镜头的CCD相机PIV系统测量三维流场速度矢量，可以避免多个相机的调焦过程，简化操作。文档编号G01P5/22GK102749475SQ20121026012公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月26日 优先权日2012年7月26日专利技术者张宝华, 胡文成 申请人:中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，其特征在于：所述的单CCD相机三维粒子图像测速方法如下：单CCD相机三维粒子图像测速技术是基于凸透镜成像原理，当物距大于凸透镜的2倍焦距时，凸透镜所成的像是倒立缩小的实像；物距发生变化时像的大小也会相应的发生改变，根据像大小的改变量可以知道物距的变化量，实际应用中需对像距进行测量；在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两并排放置的凸透镜，物距大于2倍焦距，在像平面或CCD上成两个实像；两个像的距离与物距以及两凸透镜的光轴距离成函数关系，这个函数关系根据几何光学推导得到，下面为推导过程：半凸透镜（1）的光轴与半凸透镜（2）的光轴平行，∴ΔAA2O1∽ΔBE1O1···BE1AA2=Vu1---(1)B1E2AA1=Vu1---(2)···BE1=Vu1AA2=Vu1(AA1+D)B1E2=Vu1AA1示踪粒子在A位置时其散射光通过透镜1和透镜2所成的像B和B1的距离为：BB1=BE2-B1E2=BE1+D-B1E2=Vu1(AA1+D)+D-Vu1AA1=Vu1D+D···Vu1=BB1-DDu1=vDBB1-D又∵ΔWW2O1∽ΔCG1O1则同理可得u2=v2DCC1-D物距改变量Δu=u2-u1=v2DCC1-D-v1DBB1-D假设景深足够大，示踪粒子在景深内无需改变像距便可得到清晰的像，景深与相机的光圈、镜头的焦距以及物距有关；则有v2＝v1＝v此时Δu=vD(1CC1-D-1BB1-D)---(3)公式（3）中的BB1为示踪粒子在位置A时其散射光通过凸透镜（1）和凸透镜（2）所成的两个像之间的距离，CC1为示踪粒子在位置W时其散射光通过凸透镜（1）和凸透镜（2）所成的两个像间的距离；凸透镜（1）与凸透镜（2）光轴间的距离D固定不变，像距v可以测量，只要得到BB1和CC1的值就可以通过计算得到物距的变化量Δu；在PIV系统应用中BB1为第一幅照片内同一示踪粒子所成的像之间的距离，即同一示踪粒子的散射光通过并排放置的双凸透镜所成的两个像间的距离，CC1为第二幅照片内同一示踪粒子像的距离；为使粒子通过并排放置的双凸透镜镜头所成的两个像在同一查询区内，且两个像的间距不大于查询区尺寸的一半，则需要减小凸透镜1和凸透镜2间的光轴距离；为此采用两半凸透镜做相机的镜头，两半凸透镜间的距离即光轴距离，以像素为单位；两半凸透镜间填充不透光的密封介质；下面为自相关算法求解双凸透镜所成的两个像间的距离BB1示踪粒子在位置A通过两个单独凸透镜后的成像效果，每个示踪粒子成两个像，其间距为d(BB1)，不同示踪粒子所成的两个像间的距离相同，一部分像能够看成是另一部分像平移距离d后得到，将一部分像用图像函数g1(x,y)表示，另一部分像用图像函数g2(x,y)表示，整体像用图像函数G(x,y)表示；则有g2(x,y)＝g1(x+Δx,y+Δy)d=Δx2+Δy2G(x,y)＝g1(x,y)+g2(x,y)？？？？？？？？？（1）对G(x,y)做第一次傅立叶变换G^(ωx,ωy)=12π∫∫G(x,y)ej(ωxx+ωyy)dxdy---(2)将（1）代入（2）并利用傅立叶变换的平移特性，可以得到式（3）中为g1(x,y)的傅立叶变换对（3）求模则有|G^(ωx,ωy)|2=|g^1(ωx,ωy)|24cos2[12(ωxΔx+ωyΔy)]---(4)对式（4）做傅立叶变换并利用其平移特性得到G(x,y)=12π∫∫|G^(ωx,ωy)|2e-j(ωxx+ωyy)dωxdωy---(5)将（4）式代入（5）式得G(x,y)＝g(x？Δx,y？Δy)+2g(x,y)+g(x+Δx,y+Δy)（6）（6）式中G和g分别为和的傅立叶变换，G在(x,y)点有一最大值，在(x？Δx,y？Δy)和(x+Δx,y+Δy)有两个次大值，在图像中找到最大值和次大值间的距离Δx,Δy即可求得两图像间的距离d（即BB1）；B...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文成，张宝华，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，
类型：发明
国别省市：