[发明专利]基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于集成成像技术的3D‑3C粒子图像测速系统及方法。该系统包括激光器、激光扩束准直系统、三维流场测速箱、相机阵列、计算机、平面标定板、精密电控平移台。方法为：将平面标定板置于三维流场测速箱内，对相机阵列进行标定；将示踪粒子置于三维流场测速箱内，采用相机阵列从不同角度对示踪粒子成像；将相机阵列的相机图像重投影到世界坐标系中Z已知的平面上，产生重聚焦图像；通过等间隔改变Z值，得出重聚焦图像序列并进行离散化，把灰度值存储到离散化网格中；运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，并确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。本发明精度高，运算速度快，能够高度还原流场的细节部分。

技术领域

本发明涉及流场光学测试系统技术领域，特别是一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法。

背景技术

三维三分量(3D-3C)粒子图像测速是一种先进的流场光学测试技术，它依据流动性方程，通过观测流场中均匀布撒的示踪粒子的运动情况，进而推算出瞬态三维流场结构以及流场流动趋势，可以用来测量湍流、大尺度、多涡系干扰等三维复杂流场，如直升飞机上升时螺旋桨周围的流场扰动、蜂群飞行时产生的空气扰动等。目前有多种3D-3C流场测量方式，如层析粒子图像测速技术(Tomographic Particle Image Velocimetry)，全息粒子图像测速技术(Holographic Particle Image Velocimetry)，散焦粒子图像测速技术(Defocusing Particle Image Velocimetry)。上述流场测量技术对小范围局部流场结构测量有较好的结果，但它们的整体可视深度较小，目前技术中最大可视深度约为3厘米，但这在深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场测量中是远远不够多。此外，目前所存在的3D-3C粒子图像测速系统在高浓度示踪粒子环境中，从不同角度观测示踪粒子时，粒子会前后遮挡，这种情况下会产生较多幽灵粒子，从而影响粒子场重建精度，而当示踪粒子浓度较小时，重建出的粒子场很难显示流场细节部分，也就意味着其相应的空间分辨率非常有限，此外，如果相机相互之间拍摄角度较小，有可能会导致重建出的示踪粒子呈细长型，这些都严重限制了三维粒子图像测速精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粒子重建精度高、空间分辨率大的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案：一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统，包括激光器1、激光扩束准直系统3、三维流场测速箱5、相机阵列6、计算机7、平面标定板8、精密电控平移台9；其中激光扩束准直系统3设置于激光器1和三维流场测速箱5之间；三维流场测速箱5为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器1、激光扩束准直系统3与三维流场测速箱5上的两个光窗口共轴；相机阵列6设置于三维流场测速箱5的高透玻璃面一侧，且相机阵列6的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列6、精密电控平移台9均与计算机7相连，且平面标定板8设置于精密电控平移台9上。

进一步地，所述平面标定板8表面均匀设置13×13个白色圆点阵列，白色圆点直径为1mm，间距为1cm；通过计算机7控制精密电控平移台9移动平面标定板8，根据标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，从而用于示踪粒子场重建。

进一步地，所述相机阵列6包括纵向设置的4组，每组包括3个位于同一水平面的相机，每组的3个相机呈弧形排列，调节所有相机角度，使待测试场中心均在相机视场中心；所有的相机靠计算机7内的触发板触发同时拍照，并将图像存储到计算机7中。

进一步地，所述激光扩束准直系统3包括顺次共光轴设置的鲍威尔棱镜31、柱透镜33、刀口35，激光器1发射的线光2入射至激光扩束准直系统3中鲍威尔棱镜31，鲍威尔棱镜31将线光扩成片光32后入射至柱透镜33，柱透镜33将二维的片光32扩成三维的柱状激光34，柱状激光34经刀口35整形成三维立体激光4。