[发明专利]一种自适应调整时间间隔的流场速度测量系统

权利要求书

1.一种自适应调整时间间隔的流场速度测量系统，其特征在于，包括粒子发生器(1)、双脉冲激光器(2)以及相互通信的分幅视觉图像采集装置(3)与图像处理子系统(4)，其中，所述粒子发生器(1)用于在观测室中播撒流场粒子，所述双脉冲激光器(2)用于发出脉冲激光以照射在流场粒子的表面，经流场粒子表面反射的光则进入所述分幅视觉图像采集装置(3)中予以分时采集以获得两幅图像；所述图像处理子系统(4)用于根据所述分幅视觉图像采集装置(3)采集的两幅图像进行速度预测，并基于预测的速度计算出下一时刻的最优时间间隔，所述分幅视觉图像采集装置则在下一时刻根据最优时间间隔进行两幅图像的采集，以此在流场速度测量过程中实现时间间隔的自适应调整；

所述图像处理子系统具体采用如下过程实现速度的预测及下一时刻最优时间间隔的计算：

S1给定初始时间间隔Δt₀，利用分幅视觉图像采集装置连续采集n个时刻的n对图像，并计算出n个速度场，取各速度场的平均速度值形成初始速度序列(u_i,v_i)，其中i＝1,2...,n-1,n；

S2采用下式进行速度预测：

其中，是根据t_n时刻速度预测的t_n+1时刻的状态速度，为t_n时刻的速度矢量(u_n,v_n)，A_n是状态转移矩阵，B_n是控制矩阵，b_n是控制向量；

S3根据预测的速度计算下一时刻的最优时间间隔：

其中，Δt_n+1是t_n+1时刻的最优时间间隔，M是采样窗口大小；

S1中基于相关滤波的高速流场速度快速估计算法计算出对应的速度场，具体为：

S11针对分幅视觉图像采集装置采集的当前时刻图像上的一个采样区域确定一个得分矩阵SM_CF，将得分矩阵SM_CF转换到时域上，然后选择最大响应位置作为位移，再根据该位移及当前时刻对应的最优时间间隔计算得到对应的流场速度，其中，得分矩阵SM_CF的计算公式为：

其中，ifft为反傅里叶变换，是第二张图像的采样区域的转置，其中，和为滤波器g和高斯响应矩阵z的傅里叶变换，是的转置，是r的傅里叶变换，g＝(R^TR+λI)^-1R^Tz，I是单位矩阵，r为采样区域，x和y是在采样区域r中的图像坐标，和是在t_n+1时刻坐标(x,y)处的预测速度(初始的和设定为0)，σ是在x方向和y方向高斯核的方差，M是采样窗口大小；

S12重复步骤S11以获得当前时刻图像上所有采样区域对应的流场速度，所有流场速度即组成当前时刻的速度场。

2.如权利要求1所述的自适应调整时间间隔的流场速度测量系统，其特征在于，所述分幅视觉图像采集装置(3)包括依次设置的光学镜头(31)、光学组件和FPGA，所述FPGA连接有触发接口(38)和图像传输接口(39)，该触发接口(38)与所述双脉冲激光器(2)相连，所述光学组件包括半透半反棱镜(36)、全反射棱镜(35)、图像传感器一(34)和图像传感器二(37)，经流场粒子表面反射的光进入光学镜头(31)后一部分经半透半反棱镜(36)反射至所述图像传感器一(34)中，另一部分经半透半反棱镜(36)透射后再经全反射棱镜(35)反射至所述图像传感器二(37)中，以此通过图像传感器一(34)和图像传感器二(37)采集获得两幅图像，采集获得的两幅图像再传输至FPGA中，并经图像传输接口(39)传输至图像处理子系统中进行图像处理。

3.如权利要求1所述的自适应调整时间间隔的流场速度测量系统，其特征在于，所述图像处理子系统(4)包括依次相连的图像接收单元、图像传输单元和图像处理单元，其中，图像接收单元包括两对图像传输接口，用于接收所述分幅视觉图像采集装置采集的两幅图像；所述图像传输单元包括主芯片FPGA及与主芯片FPGA实现通信连接的内存卡和硬盘，所述主芯片FPGA与图像接收单元实现通信连接，并通过Switch芯片以SRIO协议与图像处理单元实现通信连接。