基于面阵CCD空间滤波器的流动二维速度场测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置及测量方法，其中测量装置包括一激光器、一透镜组、一面阵CCD及一图像处理器。与现有技术相比，本发明专利技术具有以下优点：无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现被测对象全场速度测量；充分利用面阵CCD传感器作为空间滤波器和探测器，与图像处理器相结合，系统设备简单，数据处理方便，避免了相关法图像处理计算工作量大，搜索速度慢以及传统空间滤波法无法实现流动速度场测量等问题，对仪器的安装、调试及其使用环境都有较低的要求，可适合不同场合下的流体流场测量。?

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置及测量方法，其中测量装置包括一激光器、一透镜组、一面阵CCD及一图像处理器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现被测对象全场速度测量；充分利用面阵CCD传感器作为空间滤波器和探测器，与图像处理器相结合，系统设备简单，数据处理方便，避免了相关法图像处理计算工作量大，搜索速度慢以及传统空间滤波法无法实现流动速度场测量等问题，对仪器的安装、调试及其使用环境都有较低的要求，可适合不同场合下的流体流场测量。【专利说明】基于面阵CCD空间滤波器的流动二维速度场测量方法及装
本专利技术属于速度测量
，具体涉及一种基于面阵CCD空间滤波器的流动二维速度场测量方法及装置。
技术介绍
对于二维平面速度的测量，主要有粒子示踪速度法(Particle TracerVelocimetry,简称 PTV),粒子图像速度法(Particle Image Velocimetry,简称 PIV)和激光散斑测速法(Laser Speckle Velocimetry,简称LSV)。PTV/PIV是20世纪80年代发展起来的研究流体力学的一种非常重要的仪器，但是目前商品化的PIV仪器设备复杂，价格昂贵，这就极大地限制了 Piv测量仪的应用和发展。1977年，散斑计量技术被引进到流体力学领域，用来测量流场的运动速度，称之为激光散斑测速法，并逐渐发展成为粒子图像测速法，在流场流速测量中应用尤为广泛。其基本过程是利用激光照射待测流动对象形成散斑，用光电接收器接受散斑，最后对散斑图进行处理分析，继而得到所需的速度信息。在该技术中，散斑图像处理是重点，也是难点。目前，多采用数字图像相关法进行处理，其基本原理是通过图像匹配的方法分析散斑图像，在此基础上分析得到所测速度。应用数字图像相关法进行待测对象速度测量时，对图像的质量要求较高，当待测对象速度过快时，图像就会变的模糊，因此该方法用于测量待测对象时测量的速度范围小；在算法方面，有些算法简单但计算量大，如早期的粗细搜索法，编程简单，易于实现，但搜索速度慢。现有空间滤波器，如平行狭缝光栅、线性光纤束、线性光电探测器阵列，也能实现对流动速度的测量，只是这些滤波器结构间隔g难以保证具有较高的准确性，同时需要后续放大电路，相对较为复杂，不便于系统集成，更为重要的是现有空间滤波法往往仅能实现流体单点速度的测量，而无法实现流动速度场测量。
技术实现思路
技术问题:本专利技术针对粒子图像法和现有空间滤波法流场测量时存在的不足，提出了基于CCD空间滤波器的流体速度场测量的方法和装置，对拍摄的流动图像进行选择性隔行和隔列采样，以模拟光栅的空间滤波特性，进而通过频谱分析的方法可实现流体二维速度场测量。本专利技术方法及装置只需利用低功率、小型连续发光的气体激光器作为光源，利用高速CCD摄像机获取待测流动对象的图像，进而分析得到流动对象的速度场，具有易于实现、数据处理简便、测量范围大、成本低等优点。技术方案:本专利技术基于空间滤波测速原理，提出了一种利用面阵CCD空间滤波器进行二维速度场的测量方法及装置，其基本思路:激光器作为线光源，激光线光源照射含有粒子的待测流动对象，利用面阵CCD传感器作为图像探测器对流体进行拍摄，获得含有速度信息的流动图像，对CCD拍摄的流动图像进行选择性隔行和隔列采样，并通过频谱分析的方法，进而可获得流动二维速度场，从而实现了对待测流动对象速度的光学非接触测量。—种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置，其特征在于，包括:一激光器，用于发出出射光；一透镜组，用于对所述出射光照射的示踪粒子成像；一面阵CCD，用于采集所述透镜组成像的图像；一图像处理器，将面阵CCD划分成不同的子区域，每一子区域作为一空间滤波器，然后把采集获得的每帧图像转换为灰度值矩阵；在此基础上将该灰度值矩阵也划分成不同的敏感子区域，每一敏感子区域作为一空间速度测量区域，分别对所有敏感子区域像素灰度值，进行选择性隔行和隔列累加的方式来模拟传统光栅滤波器的遮光和透光作用，最后对采集的所有图像的同一敏感区域内累加的灰度原始信号序列进行傅里叶变换，获得信号的尖峰频率；根据获得信号的尖峰频率计算每个敏感子区域的矢量速度；对所有敏感子区域进行上述处理，即可实现面阵CCD视场范围内，流体二维速度分布测量。所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器或二极管激光器。所述透镜组包括两个普通光学镜头，透镜组的放大率为0.8，焦距为69mm，f数1.4。一种基于面阵CXD空间滤波器的二维速度场的测量方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤一、在待测流动对象中加入体积浓度为0.0005%~0.005%的示踪粒子，激光器线光源出射光照射在含有示踪粒子的待测流动对象，由于光的散射作用，利用面阵CCD传感器可获取一系列的粒子运动图像，利用图像处理器的图像采集单元采集并储存在图像处理器的储存单元内；第二步、将面阵CCD传感器阵列划分成不同的子区域，每一子区域作为一空间滤波器，然后把采集获得的图像转换为灰度值矩阵，在此基础上该灰度值矩阵也被划分成不同的敏感子区域，每一敏感子区域作为一空间速度测量区域；第三步、分别对所有敏感子区域像素灰度值，进行选择性隔行和隔列累加的方式来模拟传统光栅滤波器的遮光和透光作用，最后对采集的所有图像的同一敏感区域内累加的灰度原始信号序列进行傅里叶变换，获得信号的尖峰频率；水平速度Vx由敏感子区域内隔列列像素灰度值累加和序列的时域频谱尖峰频率fx获得，而垂直速度Vy由敏感子区域内隔行行像素灰度值累加和序列的时域频谱尖峰频率fy获得，具体的速度测量关系为:Vx = g.fx/M (I)Vy = g.fy/M (2)式中，g为敏感子区域内列或行之间的间隔，M为图像的比例放大系数，由透镜组的光学镜头参数确定；第四步、对敏感子区域内获得的水平方向速度Vx和竖直方向速度Vy，求矢量和，SP可得到该敏感子区域的矢量速度V:V = Vx+Vy(3)第五步、对面阵CXD传感器阵列划分的每一敏感子区域重复上述步骤三和四，即可得到每个敏感子区域内的矢量V，因此可实现面阵CCD视场范围内流体二维速度分布测量。本专利技术基于上述面阵CCD传感器的流动二维速度场测量方法的测量装置，包括激光器、透镜组、面阵CCD和带图像采集单元(图像采集卡)以及存储单元的图像处理器，其中图像处理器可选常用的计算机，激光器为线光源，其内部带有柱面镜，实现点光源到线光源的扩展；透镜组通过卡口与面阵CCD连接，面阵CCD通过信号电缆与计算机的图像采集卡连接。有益效果:与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:无需大功率的激光器、高分辨率的CCD和复杂的同步装置的情况下，可以实现被测对象全场速度测量；充分利用面阵CCD传感器作为空间滤波器和探测器，与图像处理器相结合，系统设备简单，数据处理方便，避免了相关法图像处理计算工作量大，搜索速度慢以及传统空间滤波法无法实现流动速度场测量等问题，对仪器的安装、调试及其使用环境都有较低的要求，可适合不同场合下流体流场测量。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术所述基于CCD空间滤波器的流动二维速度场测量装置的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于面阵CCD空间滤波器的二维速度场测量装置，其特征在于，包括：一激光器，用于发出出射光；一透镜组，用于对所述出射光照射的示踪粒子成像；一面阵CCD，用于采集所述透镜组成像的图像；一图像处理器，将面阵CCD划分成不同的子区域，每一子区域作为一空间滤波器，然后把采集获得的每帧图像转换为灰度值矩阵；在此基础上将该灰度值矩阵也划分成不同的敏感子区域，每一敏感子区域作为一空间速度测量区域，分别对所有敏感子区域像素灰度值，进行选择性隔行和隔列累加的方式来模拟传统光栅滤波器的遮光和透光作用，最后对采集的所有图像的同一敏感区域内累加的灰度原始信号序列进行傅里叶变换，获得信号的尖峰频率；根据获得信号的尖峰频率计算每个敏感子区域的矢量速度；对所有敏感子区域进行上述处理，可实现CCD面阵视场范围内，流体二维速度分布测量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，王胜南，何陆灿，宋飞虎，李健，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：