[发明专利]一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统

说明书

本申请公开了一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统，所述方法包括：利用三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像；对原始彩色粒子图像进行三视角图像分离处理，得到粒子的三视角图像；对三视角图像进行三维粒子重构，获得时序三维粒子图像；对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量。本申请能通过单个彩色相机的时序图像获得待测流场的三维速度分布，相比于现有多视角三维流场测试方法，极大地减少了硬件系统配置、简化了硬件系统调节步骤，特别适用于受限空间下的三维流场测量。

技术领域

本发明涉及流场测试技术领域，尤其涉及一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统。

背景技术

二维激光粒子图像测速技术(Two-Dimensional Particle Image Velocimetry，2D-PIV)因其非接触、全流场测量的优势，经过三十多年的发展，已经成为一种标准的流场测试技术，被广泛应用于基础实验流体力学、仿生流体力学、空气动力学、燃烧和叶轮机械等诸多研究领域。然而，基础研究及工程应用中的诸多流动现象本质上具有强烈的三维特性，某一平面的流场数据并不足以剖析复杂的流场物理本质。因此长期以来，研究者们致力于发展各种全场三维流动测试技术。

现有技术中，三维流场测试技术有扫描PIV(Scanning PIV，SPIV)、离焦PIV(Defocusing digital PIV，DDPIV)、全息PIV(Holographic PIV，HPIV)、层析PIV(Tomographic PIV，Tomo-PIV)、合成孔径PIV(Synthetic Aperture PIV，SAPIV)、基于棱镜的单相机层析PIV(Prism-based single camera Tomographic PIV)、光场PIV(LightField PIV，LFPIV)、彩虹PIV(Rainbow PIV)等技术。其中，扫描PIV技术的最大测量速度一般低于1m/s；离焦PIV技术则利用光阑(如Three-aperture mask)来获得粒子离焦图像，进而根据所形成的3个离焦图像来计算单个粒子的空间位置，通常单相机DDPIV系统仅能测量粒子浓度非常低的流场，因此一般需要3台相机来获得比较精确的测量结果；全息PIV技术是一种能够真正测量流场全三维速度分布的技术，其通过同轴或者离轴的方式将粒子全息图像记录在胶片或者数字全息板上，进而通过全息重构和三维互相关(或者三维粒子跟踪)来获得粒子三维速度，但全息PIV技术极其复杂的光路布置以及较小的测量区域(受限于现有CCD/CMOS分辨率)等缺陷限制了其广泛的应用；层析PIV技术是当前最为成熟、应用最为广泛的三维速度场测试技术之一，该技术通常采用4～8套相机从不同的角度记录粒子图像，并通过基于MART的重构算法和三维互相关获得全三维速度场分布，层析PIV技术具有空间分辨率高、较大测量体积的优势(沿光轴方向测量范围一般小于垂直于光轴方向的测量范围)，但需要较多的光学窗口；合成孔径PIV技术是另外一种使用多相机配置的三维流场测试技术，其通常采用8～15台相机组成的阵列来记录粒子光场图像，并通过合成孔径重聚焦算法来重构粒子三维图像，合成孔径PIV技术可以处理比层析PIV粒子浓度更高的流场，且其光轴方向的测量范围能达到与垂直光轴方向测量范围同等大小的水平，其最大的缺陷在于复杂且昂贵的相机阵列系统。

上述的三维流场测试技术要么采用复杂的光路布置(如HPIV)，要么需要多相机系统(如Tomo-PIV，SAPIV)，不但提高了实验难度、增加了硬件成本，更为重要的是极大地限制了这些技术在受限光学空间、高频响测试中的应用，计算精度也不能满足需要。

本申请涉及的参考文献：

[1]McPhail M J,Fontaine A A,Krane M H,et al.Correcting for colorcrosstalk and chromatic aberration in multicolor particle shadowvelocimetry.Meas Sci Technol,2015,26:02530280