[发明专利]一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置

权利要求书

1.一种测量明渠紊流粘性底层流速的装置，该装置包括摄像机、镜头、连续激光器、分光棱镜及计算机；其特征在于，还包括可调节长度的近摄腔、平凸柱面镜；其中，所述连续激光器设置在待测明渠水槽的底板下，且该激光器的输出光轴垂直朝向底板，所述分光棱镜、平凸柱面镜依次设置在激光器的输出光轴上，将激光器输出的光束调整为一矩形激光片光；所述的摄像机设置在明渠水槽的边壁外，该摄像机通过可调节长度的近摄腔与镜头相连，镜头对准所述的矩形激光片光，以拍摄矩形激光片光照亮的示踪粒子图像，所述的计算机与摄像机通过连接线相连，对摄像机拍摄的示踪粒子图像进行处理，以获得明渠紊流粘性底层流速。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述摄像机的拍摄帧频大于3000张/秒。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述镜头为暗室放大镜头，其像场平直。

4.采用如权利要求1所述装置的一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法，其特征在于，该方法包括装置的调整及拍摄和流速的测量两部分；所述装置的调整及拍摄，包括以下步骤:

步骤I：调整激光片光：打开连续激光器，调整连续激光器、分光棱镜、平凸柱面镜之间的间距，将连续激光器发出激光束调整为矩形激光片光，整体移动连续激光器，分光棱镜、平凸柱面镜的位置，使得矩形激光片光照亮待测区域；

步骤II：调整镜头与相机：在水槽中矩形激光片光的位置放置带有半毫米刻度的标定物，关闭连续激光器；将镜头靠近明渠水槽的边壁，固定镜头的位置，调整摄像机的位置，近摄腔的长度跟随摄像机位置的变化而变化，直到摄像机得到清晰图片，读取此时拍摄到的标定物的长度，计算图片分辨率，之后调整镜头与水槽边壁的距离以及摄像机的位置，直到图片分辨率达到实验设定值；调整好后记录图片分辨率，拿出标定物；

步骤III：拍摄图片；调整明渠水槽中的水流状态，满足实验要求后，在明渠水槽上游撒布示踪的粒子，粒子循环稳定后打开连续激光器和摄像机，开始连续拍摄多张显示粒子图像的图片，图片总张数为Num_total；，并将所拍摄的全部图片按拍摄顺序存储入计算机，为所有图片按照拍摄顺序赋予图片序号K，K为从1开始的正整数；拍摄完成后，关闭连续激光器和摄像机；

所述流速的测量，包括以下步骤:

步骤A：判断图片序号K是否大于Num_total-1，若K>Num_total-1，则进入步骤O，否则，进入步骤B；

步骤B：读入图片序号为K的图片；

步骤C：采用大津法确定图片K的二值化的初始灰度阈值T_i，i=0，i为阈值迭代循环序数，为非负整数；

步骤D：使用灰度阈值T_i对图片K二值化；

步骤E：提取二值化后图片K中的粒子个数N_i；

步骤F：判断N_i是否大于设定阈值N_max，若N_i>N_max，则进行步骤G；否则，进行步骤J；

步骤G：i的值增加1，确定新的二值化阈值T_i如式（1）所示：

Ti=Ti-1+Ti-1·Ni-1-NmaxNi-1---(1);]]>

步骤H：采用二值化阈值T_i对图片K二值化；

步骤I：提取二值化后粒子个数N_i，返回步骤F；

步骤J：读入图片K+1，使用阈值T_i对图片K+1二值化；

步骤K：采用如式（2）所示判据剔除二值化后的图片K、K+1中像差严重的粒子图像：

σ=LmaxLmin<Tσϵ=Lmax·Lmind02<Tϵ---(2)]]>

其中，σ为单个粒子的椭圆度指标，L_max为该粒子图像的最大长度，L_min为该粒子图像的最小长度；ε为充实度指标，d₀为与粒子图像面积相等的圆形的直径；Τ_σ与Τ_ε为设定的阈值；

步骤L：采用截断法计算粒子图像形心坐标，计算二值化图片K、K+1中每个粒子图像的中心坐标如式（3）所示：

xcenter=1NΣiNxiycenter=1NΣiNyii∈{P|I(P)>0.5Ipeak}---(3)]]>

其中I(P)为P点处的灰度值，I_peak为粒子图像范围内灰度的最大值；N为参与运算的总像素数；

步骤M：使用匹配几率法匹配图片K、K+1中的粒子，配对粒子中心坐标间的距离即为粒子移动距离，粒子移动距离除以摄像机1拍摄图片K、K+1的时间间隔即得粒子的运动速度；

步骤N：将步骤M得到的粒子运动速度记录在数组Velocity中，相应的粒子中心坐标记录在数组Position中，K的值增加1，返回步骤A；

步骤O：计算流速分布，找到数组Position中垂向坐标的最小值PL和最大值PM，以Δ为间距将PM和PL之间的范围划分成若干区域，每个区域既是一个测点，针对每个区域，在数组Position中找到所有中心坐标落在此区域内的粒子，从Velocity数组中得到这些粒子的运动速度，并求出运动速度的平均值，作为到这一测点的平均速度，所有测点的平均速度既构成流速分布，2<Δ<15。