[发明专利]分层同步三维粒子图像测速方法与装置

权利要求书

1.一种分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，利用一个三棱镜分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域；被照亮的粒子图像在不同断面呈现不同颜色特征；在测试区域附近，设置一组CCD摄像机，每台摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，具体与片光源颜色相一致，使得该台摄像机仅能拍摄到对应颜色的断面；所有摄像机同时工作，同步获取不同断面上的粒子图像，并对每个断面进行二维PIV图像分析，对不同断面间的图像进行相关分析，获取三维流场信息。

2.如权利要求1所述的分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，所述方法进一步细化为：

(1)计算机通过数据采集与控制器，控制激光器发出多色复合激光；

(2)多色激光通过三棱镜分光作用，色散为红、黄、蓝等不同的单色激光；

(3)单色激光经透镜、反射镜调制，形成一系列片光源，照入测试区域，形成具有不同颜色特征的测量断面；

(4)具有不同颜色特征的粒子图像经滤光片的选择性过滤，由CCD摄像机拍摄，并经数据采集传入计算机；

(5)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行单独分析，获得不同层的流场速度分布，具体采用二维灰度矩阵时间相关函数法，其计算公式为：

r12=Σi=1MΣj=1Nf1(xi,yj)f2(xi+Δxi,yj+Δyj)σ1σ2]]>

式中r₁₂为时间相关函数，f为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个时间步，i,j代表灰度矩阵坐标索引，x,y为沿横向和纵向的像素坐标，M,N为灰度矩阵在x,y方向的大小。

(6)计算机对获得的不同断面的粒子图像进行联合分析，获得不同层间的空间相关特征及三维流场结构，具体采用三维灰度矩阵空间互相关函数法，其计算公式为：

R12=Σi=1MΣj=1NΣk=1Pg1(xi,yj,zk)g2(xi+Δxi,yj+Δyj,zk+Δzk)σ1σ2]]>

式中R₁₂为空间相关函数，g为灰度矩阵，σ为方差，下标1，2代表相邻两个层不同，i,j,k代表不同层、不同位置的灰度矩阵坐标索引，x,y,z为沿横向、纵向和垂向的像素坐标，M,N,P为灰度矩阵在x,y,z方向的大小。

3.如权利要求1所述的分层同步三维粒子图像测速方法，其特征是，分层同步三维粒子图像测速装置，包括：计算机、数据采集与控制器、激光器、三棱镜、透镜组合、反射镜、滤光片、相机阵列、流体盒、摄像系统；激光器，用于提供多色复合的激光束；数据采集与控制器2，用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；三棱镜用于将多色激光分散为不同颜色的光源，并通过透镜组合调制为平行片光源，最后由反射镜照向测量区域；流体盒由透明玻璃或有机玻璃组成，以便于激光片光源的照入和摄像机的拍摄，流体内携带有示踪粒子；数据采集与控制器用于光源的同步控制和CCD图像的实时采集；摄像系统由CCD相机阵列和一组与其配套的滤光片组成，所拍摄粒子图像画面将由数据线连接数据采集与控制器，并最终传入计算机。