[发明专利]自由液面表面微幅波三维重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自由液面波高测量方法，尤其是涉及一种自由液面表面微幅波三维重构方法。

背景技术

对于自由液面波高通常采用浪高仪测量，但是浪高仪不仅干扰液面，而且无法测量幅度较小的波动，同时作为单点测试方法，无法获得瞬时表面整场波形。对于液面微幅波动，常用激光方法进行测量，包括声光衍射方法、激光投射成像法、激光干涉法、激光斜率扫描法、激光相位速度扫描法和激光全息法，但是这些方法在原理和设备上都较为复杂，应用灵活性差，测量的成本高。 

发明内容

本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一种自由液面表面微幅波三维重构方法，设备简单，操作方便，应用灵活性高，测量成本低。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种自由液面表面微幅波三维重构方法，在试验室槽体底面设置一基准图像，利用相机或者数字式CCD在液面上方垂直向下拍摄水下基准图像在液面波动前后的图像，将波动前静水图像作为第一帧图像，将液面波动后图像作为第二帧图像，利用粒子图像测速技术互相关分析获得液面波动后图像的扭曲变形量，通过扭曲变形量计算获得自由表面整场的波倾值，通过波倾值的数值积分获得自由液面表面的波幅。

进一步的：

所述基准图像由固定间距的网格线及随机生成的斑点构成。 

所述波倾值为

式中：γ为相对折射率；

   d为图像扭曲量；

      M为图像放大率，即网格线实际间距与静水图像中网格线间距的比值；

L为水深。

本发明的技术效果在于：

本发明公开的一种自由液面表面微幅波三维重构方法，针对试验室环境下自由液面极小幅度的波动提供一种简单有效的整场测量手段，可以同时获得瞬时的整场波动，设备简单，操作方便，应用灵活性高，测量成本低。

附图说明

图1为本发明的实施示意图。

图2为基准图像。

图3为本发明的光学原理图。

图4为利用粒子图像测速（PIV）技术互相关分析获得的图像扭曲量图。

图5为表面横波整场波幅测量值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实施例使用本发明的方法测量水表面受轻微扰动产生的整场表面波形，本实施例的水面波形为微幅的横波。

具体实施按照以下步骤:

1)如图1，在实验室槽体1底部放置一基准图像2，本实施例中采用的基准图像如图2，基准图像由固定间距的网格线及随机生成的白斑点构成，网格线用于物象关系标定，通过网格线的实际间距和在图像中的间距确定物像放大倍率；随机斑点用于图像扭曲计算，本实施例中随机斑点为利用Matlab程序产生50万个位置随机、直径随机(1～10像素)圆斑点数字图像，然后打印成为纸质基准图像。

2)在静水情况下，利用数字式CCD相机3垂直向下拍摄水下基准图像，生成第一帧图像。

3)在存在液面表面扰动的情况下，利用数字式CCD相机3垂直向下拍摄水下基准图像，生成第二帧图像。

4)将波动前静水状态拍摄的图像作为第一帧图像，将液面波动后拍摄的图图像作为第二帧图像，利用粒子图像测速（PIV）技术互相关分析可以获得图像中对应位置处的图像位移，该位移即为图像中对应位置处的扭曲量(见图4)，进行互相关分析可采用商业PIV软件(如 TSI INSIGHT、Lavision DaVis等)，也可以采用Matlab自行编写，本例中采用TSI INSIGHT软件进行分析，通过互相关分析后可获得第二帧图像相对于第一帧图像位置的扭曲量。

5)利用以下公式通过图像扭曲量换算得到表面波倾值(tanθ) (表面波斜率)：

式中：γ为相对折射率，本实施例中为水和空气界面，折射率为1.333；

    d为图像扭曲量，通过步骤4)中互相关分析得到；

M为图像放大率，即网格线实际间距与静水图像中网格线间距的比值，静水图像中网格线间距可从图像中量取；

L为水深。本公式通过图3光学原理图推导得到。

逐点将每一位置的图像扭曲量d代入公式可计算获得测试区域内各点的波倾值。

6)通过步骤5，可以获得测试区域内各点的波动的波倾值(即表面波斜率)，在测试区域内选定一点作为波高零值参考点，从该点出发在测试区域内对波倾值进行数值积分，即可获得表面的整场波幅(见图5)，本实施例中采用Matlab编程实现数值积分。