[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于速度测量技术领域，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。

背景技术

对于二维平面速度的测量，主要有粒子示踪速度法(Particle Tracer Velocimetry，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。

发明内容

技术问题：本发明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。本发明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：本发明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。

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，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CCD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；