專利名稱：兩相流數(shù)字粒子圖像測速的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多相流流場檢測方法及裝置，尤其涉及一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
兩相流動廣泛存在于熱能、航天、核能、化工、冶金、石油等工程中以及水環(huán)境和大氣污染物排放中。例如氣力和水力輸送，粉塵分離和收集，液霧噴涂，煤粉燃燒，流化床，固體推進(jìn)劑火箭尾噴管流動，反應(yīng)堆內(nèi)汽水兩相流動以及煉鋼爐內(nèi)含氣泡的流動等。當(dāng)前對于兩相流流動的測量較多的是基于激光技術(shù)的現(xiàn)代非接觸式測量，包括激光多普勒測速儀(LDV)及相位多普勒粒子分析儀(PDPA或PDA)。盡管這些技術(shù)可實現(xiàn)兩相速度的同時測量，但是無論LDA還是PDPA，存在一個主要缺點即只進(jìn)行單點或多點測量，只能得到湍流的時間平均統(tǒng)計速度，因此無法滿足測量包含相干結(jié)構(gòu)的足夠大區(qū)域湍流瞬時速度場的要求。另外PDPA只能用來測量圓度很好的顆粒，其有效測量體積依賴于粒子的大小和密度。另外，LDV和PDPA具有復(fù)雜的光學(xué)測量系統(tǒng)，給測量帶來諸多不便。
數(shù)字粒子圖像測速儀(DPIV)是由固體力學(xué)散斑法發(fā)展起來的一種全流場多點測量技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點測量的限制，可瞬時無接觸測量全流場瞬時速度分布，且具有較高的精度。其基本原理是在流場中均勻布撒示蹤粒子，并用激光片光源入射到所測流場區(qū)域中，通過在很小的時間間隔Δt內(nèi)，連續(xù)兩次或多次曝光，由CCD攝像機(jī)得到數(shù)字圖像。在圖像處理中采用自相關(guān)或互相關(guān)等算法獲得全流場速度分布。但目前使用的粒子圖像測速儀只能應(yīng)用于單相流動的測量，而不能對兩相流動的不同相進(jìn)行同步測量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速的方法及其裝置。
方法的步驟如下1)在兩相流場中撒布示蹤粒子，示蹤粒子的運動代表了密相流體的運動；2)氦氖激光器發(fā)出的激光束通過三棱鏡、圓柱透鏡散射為平面片光源，平面片光源通過透明窗口垂直入射到拍攝的流場平面；3)用高速CCD攝像機(jī)拍攝兩相流運動，獲取示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡的運動圖像；4)將獲取的運動圖像采用圖像處理的方法進(jìn)行示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡圖像分離，分別得到顆粒、液滴或氣泡的圖像以及示蹤粒子圖像；5)對示蹤粒子圖像用改進(jìn)了的基于FFT的粒子圖像互相關(guān)方法提取示蹤粒子的速度場；對顆粒、液滴或氣泡的圖像用顆粒跟蹤方法提取單個顆粒、液滴或氣泡的運動速度，實現(xiàn)流體一顆粒、液滴或氣泡各相流動的同步測量。
所述用圖像處理的方法進(jìn)行示蹤粒子與顆粒、液滴或氣泡分離是用最大類間方差選取閾值，將示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡從背景中分離出來；用形態(tài)學(xué)的腐蝕方法將示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡圖像分離。
用改進(jìn)了基于FFT粒子圖像互相關(guān)方法提取示蹤粒子的速度場是將互相關(guān)的兩個查詢窗口中，第二個窗口擴(kuò)大至第一個窗口中的粒子經(jīng)Δt時間不會跑出的范圍，Δt為連續(xù)兩幀圖像時間間隔，并往右和往下附0繼續(xù)擴(kuò)大至2的乘冪；第一個窗口往右和往下附0，擴(kuò)大至和第二個窗口一樣大小的窗口，提取的示蹤粒子的速度場即代表了密相流體的速度場。
用顆粒跟蹤方法提取單個顆粒、液滴或氣泡的運動速度是采用二值化圖像相關(guān)法，當(dāng)候選粒子的模式與參考粒子的模式重合面積最多的即為所要識別的粒子。
兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置依次具有氦氖激光器、三棱鏡、圓柱透鏡、高速CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、控制及圖像處理計算機(jī)。
所述高速CCD攝像機(jī)的光軸與氦氖激光器產(chǎn)生的片光平面相垂直。
本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)簡單，光源采用氦氖激光光源，是一個連續(xù)光源，而不是傳統(tǒng)DPIV的雙脈沖光源，因此不需要延時器用于接受光脈沖延時量預(yù)置指令；氦氖激光器單色性好，激光光束的強(qiáng)度具有高斯分布，很適合粒子圖像測速；氦氖激光器發(fā)出的點光源利用三棱鏡、圓柱透鏡簡單的光學(xué)器件就可以形成片光；采用高速CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，而不是傳統(tǒng)DPIV的跨幀CCD數(shù)字照相機(jī)，因此不需要同步控制器控制激光器和攝像機(jī)同步工作，工作過程非常簡單。
圖1是兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明圖像處理軟件流程框圖；圖3是本發(fā)明基于FFT互相關(guān)算法的運算執(zhí)行框圖；圖4是本發(fā)明查詢窗口改變示意圖；圖5是本發(fā)明二值化圖像互相關(guān)算法的原理圖；
圖6是本發(fā)明的實施例裝置；圖7是本發(fā)明實施例中的氣液兩相流圖像；圖8是本發(fā)明實施例中測量得到液體和氣泡的速度場。
具體實施例方式
本發(fā)明用數(shù)字粒子圖像技術(shù)同步測量氣液、氣固或液固等兩相流動各相速度的方法和一種具有簡單光學(xué)測量系統(tǒng)的兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置，以實現(xiàn)兩相流動瞬時、全場的測量。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是用合適的粒子示蹤密相流體的流動，用高速CCD攝像機(jī)獲取兩相流運動圖像，也即示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡的運動圖像。由于示蹤粒子和分散相顆粒、液滴或氣泡的圖像在幾何大小、灰度值等方面具有明顯的區(qū)別，利用這些信息，采用圖像處理中選定最佳閾值和腐蝕的方法將分散相顆粒、液滴或氣泡的圖像從原始圖像中分離出來。對分離出的分散相顆粒、液滴或氣泡圖像采用顆粒跟蹤的方法提取顆粒、液滴或氣泡的速度，而對示蹤粒子圖像采用改進(jìn)了的基于FFT(快速傅立葉變化)的互相關(guān)技術(shù)提取示蹤粒子的速度場，即密相流體的速度，以實現(xiàn)兩相流動不同相速度場的同步測量。
如圖1所示，兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置依次具有氦氖激光器1、三棱鏡2、圓柱透鏡3、高速CCD攝像機(jī)4、圖像采集卡5、控制及圖像處理計算機(jī)6。高速CCD攝像機(jī)4的光軸與氦氖激光器1產(chǎn)生的片光平面相垂直。
在兩相流場中撒布合適大小和濃度的示蹤粒子用于跟蹤密相流體的運動。示蹤粒子應(yīng)滿足在流體中均勻分布、具有良好的光散射性、能夠準(zhǔn)確地跟隨流體運動、并不會改變被測流體的特性。打開氦氖激光器1，激光器發(fā)出的連續(xù)激光束由三棱鏡2導(dǎo)向，通過圓柱透鏡3形成的片光照明流場。依據(jù)所需要的片光厚度和照明區(qū)域，可調(diào)整三棱鏡2和圓柱透鏡3的位置。計算機(jī)6向高速CCD攝像機(jī)4下達(dá)采集圖像的命令。拍攝時，攝像機(jī)4光軸必須與激光片光平面相垂直。根據(jù)流動速度設(shè)置高速攝像機(jī)的拍攝速度，流動速度越大，拍攝的速度應(yīng)選擇越大。攝像機(jī)4采集的流場連續(xù)圖像，通過圖像采集卡5快速地存儲并實時地輸送到計算機(jī)6內(nèi)，并進(jìn)行后繼的圖像處理。
圖像采集卡5是插在計算機(jī)6的插槽中的，計算機(jī)6采用Intel奔騰4,256M內(nèi)存，40G硬盤以上的臺式計算機(jī)，并且裝有計算機(jī)采集顯示軟件、粒子-顆粒圖像分離軟件、粒子圖像互相關(guān)軟件和顆粒跟蹤軟件。計算機(jī)采集顯示軟件是實現(xiàn)對流場圖像的實時采集和顯示，該軟件一般是圖像采集卡自帶的。高速CCD攝像機(jī)獲取兩相流圖像，也即示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡的圖像。首先用粒子-顆粒圖像分離軟件對獲取圖像進(jìn)行粒子-顆粒、液滴或氣泡分離，分別得到顆粒、液滴或氣泡的圖像以及示蹤粒子圖像。對示蹤粒子圖像用粒子圖像互相關(guān)軟件提取示蹤粒子的速度場，即得到密相流體的速度；對顆粒、液滴或氣泡的圖像用顆粒跟蹤軟件提取顆粒、液滴或氣泡的速度場，圖像處理流程如圖2所示。
粒子-顆粒圖像分離的工作原理是基于圖像灰度的不連續(xù)性和相似性。首先將示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡從背景中分離出來，方法為選定一個最佳的灰度閾值T，當(dāng)像素灰度m(0≤m≤L)大于閥值T時，該像素為對象像素，否則為背景像素。其中閾值T的選取起關(guān)鍵作用，決定了分離的準(zhǔn)確性，直接影響了最終的測量結(jié)果。當(dāng)式(1)的類間方差σ(T)最大時，可得到最佳閥值σ(T)＝w0×(u0-u)2+w1×(u1-u)2T＝0，1...L-1 (1)其中w0=Σi=0TPi/P]]>w1=ΣT+1L-1Pi/P]]>u0=Σi=0Ti×Pi/Σi=0L-1Pi]]>u1=Σi=T+1L-1i×Pi/Σi=0L-1Pi]]>u＝w0×u0+w1×u1式中Pi為灰度值為i的像素的數(shù)目，P為圖像中總像素數(shù)目。
由于顆粒、液滴或氣泡體積一般比示蹤粒子大，采用形態(tài)學(xué)的腐蝕方法實現(xiàn)粒子與顆粒、液滴或氣泡的分離，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為AB＝{Z|BzA} (2)式(2)表示B對A的腐蝕，其中B是一個結(jié)構(gòu)算子矩陣，A為原圖像，取B=111111111]]>對原圖像進(jìn)行腐蝕運算，標(biāo)定顆粒、液滴或氣泡的位置，實現(xiàn)示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡的分離。
粒子圖像互相關(guān)方法提取示蹤粒子的速度場是基于改進(jìn)了的FFT互相關(guān)算法，提取局部微小區(qū)域內(nèi)示蹤粒子的平均運動速度，用平均速度來代替微小區(qū)域中心點的速度。該方法將數(shù)字化圖像看作是隨時間變化的離散的二維信號場序列，利用信號分析的方法，通過計算連續(xù)兩幅圖像的互相關(guān)函數(shù)得到圖像中粒子的位移。圖3表示了算法的運算執(zhí)行框圖。
由圖3可知，該算法是在兩幀圖像(t及t+Δt時刻)的相同位置上選取兩個查詢窗口f(i，j)和g(i，j)，窗口的大小為M×N。為了提高測量精度，及避免FFT算法出現(xiàn)虛假值，選取的兩個查詢窗口做一些改變，如附圖4所示。首先將第二個窗口I2擴(kuò)大至(M+2Dmax，N+2Dmax)(如圖4(a)所示)，Dmax為粒子的最大位移。由于(M+2Dmax)和(N+2Dmax)不一定是2的乘冪，因此將I2往右和往下附0，擴(kuò)大至2的乘冪(如圖4(b))。最后將第一個窗口I1往右和往下附0，擴(kuò)大至和I2一樣大小的窗口(如圖4(b))。對新生成的兩個窗口進(jìn)行互相關(guān)φfg*(m,n)=Σi=0M*-1Σj=0N*-1f*(i,j)g*(i+m,j+n)----(3)]]>其中M*=2αif2α-1<M+2Dmax≤2αN*=2βif2β-1<M+2Dmax≤2β,]]>這里α，β是整數(shù)。符號(*)代表新的窗口。
新函數(shù)f*和g*與原始函數(shù)f和g的關(guān)系為f*(i,j)=f(i,j),0≤i≤M-1,0≤j≤M-1f*(i,j)=0M≤i≤2α,N≤j≤2β]]>g*(i,j)=g(i,j),0≤i≤M+2Dmax-1,0≤j≤N+2Dmax-1g*(i,j)=0M+2Dmax≤i≤2α,N+2Dmax≤j≤2β]]>值得注意的是假如(mp，np)是函數(shù)φ*fg的峰值，粒子位移 應(yīng)該是(mp-Dmax，np-Dmax)，而不是(mp，np)。由位移 及連續(xù)兩幀圖像的時間間隔Δt即可得到示蹤粒子的速度 v→=Δs→Δt----(4)]]>顆粒跟蹤提取顆粒速度的方法是基于二值化圖像相關(guān)算法。首先對分離出的顆粒圖像進(jìn)行二值化，在粒子內(nèi)部像素值為1，外部為0，再通過粒子標(biāo)定得到粒子的中心坐標(biāo)。二值化圖像相關(guān)算法的目的是識別第一幀圖像(t時刻)上每一個粒子本身在第二幀圖像(t+Δt時刻)上出現(xiàn)的位置。
假定連續(xù)兩幀粒子圖像的時間間隔Δt保持固定并且足夠短。圖5(a)和圖5(b)分別代表t和t+Δt時刻的粒子圖像，{pari}(i＝1，...，N)表示(a)中以參考粒子I為中心，R為半徑的模式內(nèi)的粒子群，{parj}(j＝1，...，M)表示(b)中以候選粒子J為中心，R為半徑的識別模式內(nèi)的粒子群。模式I和J的相關(guān)系數(shù)為Cij=∫∫fI(x,y)fJ(x+p,y+q)dxdy∫∫fI2dxdy∫∫fJ2dxdy----(5)]]>
其中，fI和fJ表示模式I和J的特征函數(shù)，p和q分別表示粒子I和J的中心距離。將模式I平移，使得粒子I和J的中心相重合，附圖5(c)，則Cij從上式中可得Cij=ΣArea(pari∩parj)Σi=1NArea(pari)Σj=1MArea(parj)----(6)]]>式中，Area表示面積，Area(pari∩parj)表示模式I和J中粒子的重合面積。計算重合面積時，對所有粒子假想為同一半徑r，此r與真實粒子的大小無關(guān)，只是為了計算相關(guān)系數(shù)而引入的。一個經(jīng)驗公式 (其中N0為圖像中的粒子總數(shù)，A0為圖像面積)可用于r的選定。這個經(jīng)驗公式已在多種測量中得到驗證。
計算所有候選粒子J與粒子I的相關(guān)系數(shù)Cij，給出Cij最大的候選粒子即為I所要識別的粒子。計算粒子I和其在配對粒子間的運動位移 則粒子的運動速度由式(4)計算得到。
圖6示出了本發(fā)明一個實施例，這個實例是測量氣液兩相流中液體與氣泡的各相運動速度。在這個實例中，一個大小為100×100×1000mm3的透明有機(jī)玻璃容器7里盛滿了無色透明的硅油，硅油里均勻布撒了直徑為75～150μm、密度為1010kg/m3的白色多空高聚物粒子。氮氣自容器底部的一排細(xì)小針孔9均勻射入液體中，在液體中形成上升的氣泡流。一個4mW氦氖激光器1產(chǎn)生的光束經(jīng)三棱鏡和圓柱透鏡形成約1mm左右厚的片光8照射拍攝的流場，用SonyDCR-VX1000 CCD攝像機(jī)4記錄下容器里的氣液兩相流動的圖像，圖像的大小為640×480像素。圖像通過圖像采集卡傳入計算機(jī)6。圖7(a)為原始的氣泡和粒子的圖像，該圖像經(jīng)粒子-顆粒圖像分離軟件分離后分別得到如圖7(b)和7(c)的粒子和氣泡的圖像。對于連續(xù)的兩幀粒子圖像用粒子圖像互相關(guān)軟件提取示蹤粒子的速度場，即得到硅油的運動速度；對于連續(xù)的兩幀氣泡圖像用顆粒跟蹤軟件得到氣泡的運動速度。測量得到的兩相流的運動速度矢量如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速方法，其特征在于，方法的步驟如下1)在兩相流場中撒布示蹤粒子，示蹤粒子的運動代表了密相流體的運動；2)氦氖激光器發(fā)出的激光束通過三棱鏡、圓柱透鏡散射為平面片光源，平面片光源通過透明窗口垂直入射到拍攝的流場平面；3)用高速CCD攝像機(jī)拍攝兩相流運動，獲取示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡的運動圖像；4)將獲取的運動圖像采用圖像處理的方法進(jìn)行示蹤粒子與分散相顆粒、液滴或氣泡圖像的分離，分別得到顆粒、液滴或氣泡的圖像以及示蹤粒子圖像；5)對示蹤粒子圖像用改進(jìn)了的基于FFT的粒子圖像互相關(guān)方法提取示蹤粒子的速度場；對顆粒、液滴或氣泡的圖像用顆粒跟蹤方法提取單個顆粒、液滴或氣泡的運動速度，實現(xiàn)流體-顆粒、液滴或氣泡各相流動的同步測量。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速方法，其特征在于所述用圖像處理的方法進(jìn)行示蹤粒子與顆粒、液滴或氣泡分離是用最大類間方差選取閾值，將示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡從背景中分離出來；用形態(tài)學(xué)的腐蝕方法將示蹤粒子和顆粒、液滴或氣泡圖像分離。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速方法，其特征在于所述用改進(jìn)了的基于FFT粒子圖像互相關(guān)方法提取示蹤粒子的速度場是將互相關(guān)的兩個查詢窗口中，第二個窗口擴(kuò)大至第一個窗口中的粒子經(jīng)Δt時間不會跑出的范圍，Δt為連續(xù)兩幀圖像時間間隔，并往右和往下附0繼續(xù)擴(kuò)大至2的乘冪；第一個窗口往右和往下附0，擴(kuò)大至和第二個窗口一樣大小的窗口，提取的示蹤粒子的速度場即代表了密相流體的速度場。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速方法，其特征在于所述用顆粒跟蹤方法提取單個顆粒、液滴或氣泡的運動速度是采用二值化圖像相關(guān)法，當(dāng)候選粒子的模式與參考粒子的模式重合面積最多的即為所要識別的粒子。
5.一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置，其特征在于它依次具有氦氖激光器(1)、三棱鏡(2)、圓柱透鏡(3)、高速CCD攝像機(jī)(4)、圖像采集卡(5)、控制及圖像處理計算機(jī)(6)。
6.根據(jù)權(quán)利5所述的一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速裝置，其特征在于所述高速CCD攝像機(jī)(4)的光軸與氦氖激光器(1)產(chǎn)生的片光平面相垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩相流數(shù)字粒子圖像測速的方法及其裝置。測量方法是用合適的粒子示蹤密相流體的流動，用高速CCD攝像機(jī)記錄下示蹤粒子及分散相顆粒、液滴或氣泡的運動圖像。采用圖像處理的方法將分散相顆粒、液滴或氣泡的圖像從原始圖像中分離出來。對分離出的分散相顆粒、液滴或氣泡圖像采用粒子跟蹤的方法提取顆粒、液滴或氣泡的速度，而對示蹤粒子圖像采用改進(jìn)了的基于快速傅立葉變化的互相關(guān)技術(shù)提取示蹤粒子的速度場，即密相流體的速度，以實現(xiàn)兩相流動不同相速度場的同步測量。測量裝置包括氦氖激光器，產(chǎn)生片光的三棱鏡和圓柱透鏡，高速CCD攝像機(jī)，圖像采集卡，控制及圖像處理計算機(jī)。
文檔編號G01P3/64GK1654962SQ20051004893
公開日2005年8月17日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者阮曉東, 傅新 申請人:浙江大學(xué)