[发明专利]一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法

说明书

本发明提供一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法。本发明包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。本发明能快速地计算出权重矩阵，无需标定光场相机的内外参数，装置简单，减小了多相机同步耦合时带来的系统误差。

技术领域：

本发明涉及一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法，属于流体测量与可视化技术领域。

背景技术：

流速是描述流场特性的重要参数之一。在科研领域和工业领域都涉及到流场流速的测量，如锅炉燃烧过程中燃料传输速度的控制对于燃烧效率、安全稳定的燃烧具有重要的意义；微流体的传热效率与流场流速有关等。实现非接触、瞬态、三维全场流速的测量是实验流体力学中的热点之一。

随着计算机技术、传感器技术、光电技术的快速发展，PIV技术已经广泛应用于流场流速的测量。该技术利用CCD在短时间内连续拍摄两张流场图像，利用图像处理技术来获取速度矢量分布，该过程无需接触流场，易获得流场中多点流速。目前现有的PIV技术主要归结为三类：2D-2C PIV技术、2D-3C PIV技术(准三维PIV技术)、3D-3C PIV技术。2D-2C PIV技术是流速测量中最基础的方法之一，该方法利用约为1mm厚度的激光片光源照明流场，根据互相关算法计算两幅图像的二维速度。2D-3C PIV技术利用单个或多个激光片光源照明流场。首先根据二维PIV技术计算流场切面的二维速度分量，运用三维流动的连续性方程或其它技术计算出切面法线方向的第三个速度分量。该方法是基于2维PIV技术的方法，又称为准三维PIV技术，但该方法在法线方向上的速度分辨率较低，难以实现体的测量。不同于以上两种方法，3D-3C PIV是利用具有一定厚度的激光体光源照明某个容积内的流场，利用数学方法重构出示踪粒子的三维位置坐标和强度信息(三维粒子场)，利用三维互相关技术计算速度矢量分布。该方法能同时获得流场的三个速度分量。3D-3C PIV技术能获得真正意义上的三维速度矢量分布。层析PIV是3D-3C PIV中的一种，由于该方法具有较高的空间分辨率，适用范围较广，已受广大学者青睐。但层析PIV技术往往需要3～6台相机拍摄流场，大大增加了层析PIV技术的成本、复杂程度及重建计算量。每台CCD需要严格对准流场，目前的层析PIV技术的精度非常依赖于CCD的布局及标定的准确性。

发明内容

本发明的目的是针对基于传统相机的层析PIV技术存在的缺点，提供一种基于光场成像的层析PIV测量装置及方法，利用光场成像能同时记录光场的位置和方向信息，使得单台光场相机代替多台传统相机用于层析PIV测量成为可能，且能克服传统层析PIV的缺点。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种基于光场成像的层析PIV测量装置，包括用于产生双脉冲激光并照亮三维流场的光源设备和用于拍摄三维流场的成像设备，所述的光源设备的发光端设置有透镜组，所述的光源设备和所述的成像设备连接时序同步控制器，所述的成像设备连接计算机；

所述的透镜组用于将所述的光源设备产生的双脉冲激光发展为一定厚度的体光源和1mm的二维片光源，并照亮流场；

所述的成像设备，包括主透镜、CCD探测器以及位于所述的主透镜与CCD探测器之间的微透镜阵列。

所述的基于光场成像的层析PIV测量装置，所述的微透镜阵列数为N×N，CCD探测器像面关于微透镜的共轭面为主透镜平面，光线经过微透镜在CCD探测器上所成的像称为子图像，每个子图像包含M×M个像素点，其中N和M都大于2。

用上述基于光场成像的层析PIV测量装置进行测量的方法，该方法包括如下步骤：