[发明专利]基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种明渠水流监测仪器，尤其涉及一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，属于非接触式明渠测流技术领域。

背景技术

洪水期间精确的流速、流场、时序信息以及总径流变化速率的高分辨率估计，是河流水文学、河流地貌学以及河流生态学研究的重要依据。然而，高洪时期的水流往往具有含沙量高，混杂物多，流速快等特点，导致传统测流仪器无法正常施测。大尺度粒子图像测速（Large-Scale Particle Image Velocimetry，LSPIV）是一种安全、高效的全场流速测量技术。它采用模式识别的方法匹配、跟踪无畸变连续视频图像中的水面示踪物，实现流场的定量表示及可视化。作为实验室环境下的粒子图像测速（PIV）技术在大尺度现场环境下的扩展，不仅可用于常规条件下天然河道水流紊动特性的研究，其非接触特性更使之成为极端条件下河流流量测量少数可行的方法之一。

在LSPIV发展与应用的十多年中，各研究团队在原型系统开发方面开展了积极的研究，构建的实验样机验证了LSPIV在现场应用的可行性。但现有系统多是水文或水利学专家采用电子消费类数码相机或监控摄像机产品和其他测量设备组合而成，没有形成产品化的专用仪器。这些基于可见光成像的系统难以满足复杂水面光学环境下可靠、稳定、连续检测水面弱小示踪物的要求，易造成流场估计误差过大；并且在图像采集能力、系统处理能力、数据传输能力以及集成度和便携性等方面都存在不足，限制了LSPIV技术的推广。因此，有必要根据LSPIV在现场环境下的应用特点以及水体和示踪物的光谱特性开发一套专用仪器。

发明内容

本发明针对现有大尺度粒子图像测速系统存在的不足，提供了一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪。

本发明通过以下技术方案实现：

基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，采用智能相机的系统架构，由处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成。其特征在于：处理器模块以一片32位定点DSP芯片TMS320DM642为核心，用于图像数据的处理及传输；图像传感器模块采用分辨率为130万像素的单色CMOS图像传感器MT9M001，用于图像数据的采集；光学系统由双滤镜切换器、电动三可变镜头、红外LED补光灯、电机驱动模块及照明控制模块构成，用于实现近红外波段或全光谱波段下光学成像的远程控制；采用PoE方式供电，可以和数据传输共用一根电缆。

所述的处理器模块在DSP内集成了视频口VPORT1、外部存储器接口EMIFA、增强型媒体存取控制器EMAC和I²C总线等功能模块用于连接各种外设；在DSP的CE0空间通过EMIFA接口外扩四片32M×16bit的SDRAM存储芯片MT48LC32M16A2，使数据存储器空间达到256MB；在DSP的CE1空间外扩一片4MB的FLASH存储芯片AM29LV033C作为程序存储器；采用一片CPLD芯片EPM570扩展连接外设的数字接口，包括三根译码控制线用于扩展FLASH芯片的地址总线，四路PWM信号分别用于电动三可变镜头的变焦、对焦、光圈调节和双滤镜切换器控制，一组开关信号用于照明控制模块的驱动。

所述的图像传感器模块中CMOS图像传感器通过10-bit并行数字接口和DSP的视频口VPORT1相连，输出像素数据D[9:0]；通过SCL和SDA接口和DSP的I²C接口相连，用于内部寄存器的配置，实现图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的调节；CMOS传感器的像素时钟信号PIXCLK和行同步信号LINE_VALID分别和DSP的VPORT1接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引脚相连；CPLD向CMOS传感器提供48MHz的主时钟CLKIN，通过内嵌的可编程脉冲信号发生器输出快门触发信号TRIGGER，并接收来自CMOS传感器的补光灯触发信号STROBE。

所述的双滤镜切换器安装于CMOS传感器前，具有C型标准镜头座用于连接光学镜头；内嵌8mm（长度）×8mm（宽度）×0.5mm（厚度）的近红外长通滤光片（波长850-1050nm）和全光谱滤光片（波长400-1050nm）各一片，分别用于光照充足和光照不足的场合。

所述的电动三可变镜头具有1/2-inch的C型标准接口，焦距调节范围为8mm-80mm，对焦调节范围为1.5m-∞，光圈调节范围为F1.2-F22。