[发明专利]实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法

说明书

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，尤其涉及实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法。

背景技术

现有的河工、港工和水工模型试验中，对水流运动速度的量测方法大致有两类：

第一类方法为单点流速量测方法。如：浮标示踪人工计时法，这一方法费时费力且精度不高；旋桨流速仪量测法，相对于前者其量测精度有所提高，但其测量的最小流速为2.0cm/s，且当泥沙含量较高时其量测精度降低甚至难以使用；类似的仪器量测法还有超声流速仪量测法、电磁流速仪量测法等。这些仪器的共同特征是都只适于单点水流流速的量测，无法用于河工模型试验中大面积水域平面流场的量测。

第二类方法是平面流场量测方法，相对于第一类方法，它们可以被用来进行大面积水域流场的量测。该类方法通常建立在新兴发展起来的图像处理技术之上，如应用颗粒示踪与图像处理技术的量测方法(发明专利号：ZL 94119429.9)，它使用摄像机采集流场信息、录像机记录回放等工序获取平面流场数据，但这一过程通常需要花费半天以上的时间，远远达不到实时量测的要求。随着数字图象处理相关理论及硬件的发展，基于PTV(Particle TrackingVelocimetry，粒子跟踪测速技术)原理(发明专利号：ZL 00130291.4)和PIV(Particle Image Velocimetry，粒子成像测速技术)原理的方法也逐渐被应用于模型试验的平面流场的量测之中，并使得量测效果大为改进。PIV技术较之PTV技术而言，无须采集多帧图像即可满足计算要求即大幅缩减了图像采集的时间延迟，能适应非恒定性更为显著的水流运动的流场量测。现有的基于PIV技术的方法计算速度一般还较慢，处理768×576规模的数字图象通常需要几十秒；另外，现有大多数基于PIV、PTV技术的方法都需要手工处理错误的流速矢，这使得它们的自动化程度不高且严重影响最终流场的生成效率。尤其在防洪实体模型试验中，通常需要在很短时间内对洪水传播及险工处流场发展进行量测和反馈，供防汛指挥部门参考。这就对量测方法的计算效率和自动化程度提出了很高的要求，此时现有大多数量测方法都还难以胜任。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法，解决目前实体模型大面积水域的表面流场量测过程中同类量测方法计算速度慢且错误的流速矢需要手工进行处理的缺陷。

本发明的技术方案是，一种实体模型表面流场实时量测系统，包括图像采集模块、图像管理模块、流场计算及其后处理模块和数据提取模块，其特征是，

所述图像采集模块负责图像的采集和储存；

所述图像管理模块负责图像的旋转、平移和拼接；

所述流场计算及其后处理模块负责流场计算及错误流速矢检测与插补；

所述数据提取模块根据试验目的在所得的流场中提取平面或断面的流速分布。

一种实体模型表面流场后处理方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：在水流表面均匀撒布能紧密跟随水流运动的示踪颗粒；

步骤2：在视频同步器的协助下，用CCD摄像机轮流按照预先设定的帧频和数量采集平面流场信息；

步骤3：将这些信息通过视频线传输至计算机内的图像采集卡，经其处理后以768×576的象素规格保存在计算机硬盘上；

步骤4：图像采集完毕，系统依次对每个CCD摄像机采集的图像序列进行匹配计算，得到初步流场；

步骤5：运用流场后处理算法对初步流场进行错误流速矢的剔除及流场空洞的插补；

步骤6：将各CCD摄像机所代表的流场进行平移、旋转和拼接操作形成整体流场，最后将结果数据存于硬盘上并显示在电脑屏幕上对用户进行反馈。

所述步骤4中，初步流场使用小波变换多尺度匹配法来获取，包括如下步骤：

步骤41：对图像进行n层小波变换，每次变换时原图被分解为4幅较小图像，象素数量为原图的1/4；对于第j层变换：m＝0为图像的低频分量，包含图像的主要信息；m＝1和m＝2分别为图像边缘水平和垂直分量；m＝3为图像对角分量，其中1≤j≤n；其中1≤n≤3；

步骤42：在图像上布设规则排列的诊断窗口，并使它们的中心在平面上成矩阵式排列，每个诊断窗口中心对应着一个潜在的流速矢；

步骤43：利用图像的低频分量进行诊断窗口的匹配计算，并采用直接相关法进行匹配搜索；在第j层上对各诊断窗口进行匹配计算后，依次在第j-1、j-2、...层中在上一层匹配计算所确定的候选目标附近进行更精细的匹配直至原图，最终得到各诊断窗口的精确匹配定位，进而得到初步流场。