全流場(chǎng)3d可視化測(cè)速方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微流場(chǎng)的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法，包括以下步驟：基于頻域光學(xué)相干層析技術(shù)建立微粒子跟蹤全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)；對(duì)流體進(jìn)行二維掃描，連續(xù)采集流體的干涉譜數(shù)據(jù)；基于傅立葉變換方法獲得流體三維圖像；利用局部灰度閾值和體積濾波方法搜索流場(chǎng)中各個(gè)微粒子，采用平方加權(quán)質(zhì)心法求各個(gè)微粒子的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)微粒子的可視化；通過(guò)定義代價(jià)函數(shù)對(duì)微粒子進(jìn)行匹配；利用微粒子的三維坐標(biāo)變化求運(yùn)動(dòng)速度矢量。通過(guò)對(duì)微粒子成像和跟蹤實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)中流速的可視化；通過(guò)跟蹤全流場(chǎng)微粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)三維速度矢量測(cè)量；具有微米級(jí)的空間分辨率，特別適合于復(fù)雜微流場(chǎng)的三維速度矢量檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】全流場(chǎng)3D可視化測(cè)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法。尤其是涉及微流場(chǎng)的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法。
【背景技術(shù)】
[0002]流體流速是流場(chǎng)最基本的物理量，人們對(duì)流體流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)較大程度上取決于速度場(chǎng)的獲取。到目前為止，還無(wú)法從理論上徹底解決湍流等問(wèn)題，只能借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段建立或改進(jìn)流體力學(xué)模型，并對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行更深入的研究。微流動(dòng)器件在生命科學(xué)、化學(xué)、微機(jī)械加工等領(lǐng)域應(yīng)用也更加廣泛，微流動(dòng)的特性更加復(fù)雜，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用越來(lái)越突出。測(cè)量流體中流速的方法有機(jī)械方法、散熱率法、動(dòng)力測(cè)壓法、激光多普勒測(cè)速和粒子成像測(cè)速等。其中機(jī)械方法測(cè)量流速的原理是根據(jù)流體中葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比；散熱率法測(cè)量流速是基于發(fā)熱的測(cè)速傳感器的散熱率與流體流速成比例的原理；畢托管(Pitot Tube)為典型的動(dòng)力測(cè)壓法，基于流體力學(xué)Bernoulli能量方程進(jìn)行平均速度測(cè)量和流量測(cè)量；以上流速測(cè)量為單點(diǎn)、接觸式測(cè)量方法，對(duì)流場(chǎng)的影響也較大。激光多普勒測(cè)速原理是利用流體中運(yùn)動(dòng)微粒散射光的多普勒頻移獲得流體的速度信息，采用多光束測(cè)量系統(tǒng)可獲得三維流速。激光多普勒測(cè)速方法有較高的空間分辨率，但為單點(diǎn)測(cè)速技術(shù)，無(wú)法測(cè)量湍流等復(fù)雜流場(chǎng)。粒子成像測(cè)速(PIV)原理是在流體中散布跟隨性好的固體粒子(或流體中已經(jīng)存在)作為示蹤粒子，通過(guò)觀察流場(chǎng)中微粒子圖像，對(duì)連續(xù)多個(gè)瞬時(shí)速度場(chǎng)的相關(guān)性分析，直觀反映全場(chǎng)瞬時(shí)流動(dòng)信息，可以深入研究復(fù)雜流場(chǎng)瞬時(shí)過(guò)程，具有單點(diǎn)測(cè)速技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。粒子圖像處理算法主要有相關(guān)算法、最小二次差方算法和粒子足艮蹤算法等。Brody 等["Biotechnology at low Reynolds numbers":BiophysicalJournal, 3430-3441,1996]使用超熒光顯微鏡對(duì)直徑900nm的熒光示蹤粒子進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間照明和觀察，獲得粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，這種方法獲得的速度場(chǎng)分辨率、精度都很低。SANTIAGO等["A particle image velocimetry system for microfluidics", Experiments inFluids，316-319，1998]使用汞弧燈照明對(duì)直徑300nm的熒光示蹤粒子進(jìn)行照明，用CXD采集示蹤粒子圖像，利用相關(guān)算法得到流場(chǎng)速度，這種方法獲得的空間分辨率可以得到lOum。二維測(cè)速的空間分辨率已經(jīng)達(dá)到 100nm[" Micro-Particle Image Velocimetry ( μ PIV):Recent developments, applications, and guidelines", Lab on a Chip,2551-2567,2009]，二維平面流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。全流場(chǎng)測(cè)量可以通過(guò)多二維平面掃描、數(shù)字全息技術(shù)、立體粒子圖像測(cè)速、散焦數(shù)字圖像測(cè)速和共焦熒光顯微技術(shù)等。但一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且全流場(chǎng)信息需要通過(guò)物鏡焦平面的移動(dòng)獲得，一般只適合于定常流動(dòng)和周期性流動(dòng)["顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù)——微流場(chǎng)可視化測(cè)速技術(shù)及應(yīng)用綜述"，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，155-168,2012]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服【背景技術(shù)】的不足，本發(fā)明的目的是提供一種全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法。本發(fā)明包括以下步驟:
[0004](I)基于光學(xué)低相干原理，建立頻域光學(xué)相干層析微粒子跟蹤全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)；
[0005](2)利用激光束對(duì)滲入微粒子或本身存在微粒子的流體進(jìn)行二維掃描，連續(xù)實(shí)時(shí)采集流體的干涉譜數(shù)據(jù)；
[0006](3)利用每個(gè)掃描位置的干涉譜數(shù)據(jù)到空間域轉(zhuǎn)換算法，得到每個(gè)掃描位置在深度方向的結(jié)構(gòu)圖像，一組二維掃描可以獲得流體的三維結(jié)構(gòu)圖像；
[0007](4)利用各個(gè)微粒子圖像具有較深灰度原理，并根據(jù)圖像塊的體積大小搜索流場(chǎng)中各個(gè)微粒子三維圖像，實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)微粒子的可視化；
[0008](5)利用平方加權(quán)質(zhì)心法求取各個(gè)微粒子的中心三維坐標(biāo)；
[0009](6)通過(guò)定義代價(jià)函數(shù)并使其最小化方法對(duì)連續(xù)掃描得到的兩個(gè)流體體積中的微粒子進(jìn)行匹配；
[0010](7)根據(jù)每一對(duì)已匹配的微粒子的三維坐標(biāo)值求所對(duì)應(yīng)微粒子的運(yùn)動(dòng)方向和位移，即流體中此處的速度矢量，對(duì)流場(chǎng)中所有的已匹配的微粒子進(jìn)行同樣的處理即可得到全流場(chǎng)的速度矢量；
[0011](8)對(duì)連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進(jìn)行匹配，跟蹤流場(chǎng)中微粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢測(cè)全流場(chǎng)中速度的實(shí)時(shí)變化情況。
[0012]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]通過(guò)對(duì)流體中的微粒子成像和跟蹤過(guò)程實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)中流速的可視化；利用流體中全流場(chǎng)分布的微粒子實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)速度檢測(cè)；通過(guò)跟蹤微粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)三維速度矢量測(cè)量；具有微米級(jí)的空間分辨率，特別適合于復(fù)雜微流場(chǎng)的三維速度矢量檢測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的微粒子跟蹤全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理流程圖；
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的典型的流場(chǎng)中微粒子可視化二維圖像；
[0017]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的典型的流場(chǎng)中微粒子可視化三維圖像；
[0018]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維速度矢量檢測(cè)原理示意圖；
[0019]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)流流體二維切面速度矢量示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的微粒子跟蹤全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)示意圖。
[0022]參照?qǐng)D1，超輻射發(fā)光二極管(SLD) (101)寬帶光源發(fā)出的弱相干光進(jìn)入2X2光纖耦合器(102)后分為兩束光，一束光進(jìn)入?yún)⒖急?，并?jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡(103)和平面鏡(104)返回，另外一束光進(jìn)入樣品臂，經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(105)、二維振鏡系統(tǒng)(Y掃描儀106和X掃描儀107)、物鏡(108)入射到被測(cè)流體上(114)。兩束光經(jīng)原路返回后在光纖耦合器內(nèi)發(fā)生干涉，其干涉譜由準(zhǔn)直透鏡(109)、衍射光柵(110)、消色差透鏡(111)和CMOS線陣攝像機(jī)(112)組成的光譜儀(115)接收，并通過(guò)與線陣攝像機(jī)數(shù)據(jù)接口相對(duì)應(yīng)的接口板將數(shù)據(jù)讀
入計(jì)算機(jī)(113)。物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了測(cè)量系統(tǒng)空間的橫向分辨率A其中
R1為橫向分辨率，λ ^為光源中心波長(zhǎng)，NAtjw為物鏡數(shù)值孔徑。測(cè)量系統(tǒng)空間的縱向分辨率
取決于光源的帶寬，尺》0.44#，其中Ra為縱向分辨率，Xci為光源中心波長(zhǎng)，Δ λ為光源帶

Aa
寬。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理流程圖；
[0024]在步驟201中，通過(guò)二維振鏡系統(tǒng)(106和107)將聚焦光束在滲入微粒子的流體的被測(cè)范圍內(nèi)(a mm*b mm)進(jìn)行橫向快速掃描，獲取被測(cè)流場(chǎng)的干涉譜數(shù)據(jù)?？砂ㄒ韵虏襟E:
[0025](I)X掃描儀(107)在鋸齒波的驅(qū)動(dòng)下將聚焦光束進(jìn)行X方向的掃描，一個(gè)鋸齒波周期完成一個(gè)B掃描(快速掃描)，在一個(gè)B掃描內(nèi)(amm)進(jìn)行M次采樣，每次采樣即可得到此掃描位置對(duì)應(yīng)的干涉譜數(shù)據(jù)；
[0026](2) Y掃描儀(106)在斜波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下使聚焦光束在Y方向掃描(慢速掃描)，將Y方向的掃描長(zhǎng)度(b mm)分為N等份，即設(shè)置N個(gè)B掃描位置，完成一次被測(cè)流體的二維掃描共得到M*N個(gè)掃描位置的干涉譜數(shù)據(jù)；
[0027](3)重復(fù)以上步驟⑴和(2)K次，連續(xù)采集被測(cè)流體的K組干涉譜數(shù)據(jù)。
[0028]在步驟202中，通過(guò)干涉譜域到空間域轉(zhuǎn)換關(guān)系得到每一個(gè)掃描位置的沿光軸方向結(jié)構(gòu)信息，將M*N個(gè)掃描位置的結(jié)構(gòu)信息組合起來(lái)即可得到流體三維結(jié)構(gòu)圖像。典型的干涉譜域到空間域轉(zhuǎn)換關(guān)系為:
[0029]W(Z)=IFFT(IU))
[0030]其中I (λ)為干涉譜強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化函數(shù)，W(Z)反映流體沿光軸方向結(jié)構(gòu)信息，IFFT為逆傅立葉變換。此處可以采用均勻或非均勻傅立葉逆變換。由于加入流體中微粒子的直徑在I微米以下，肉眼根本無(wú)法看到，其尺寸也小于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。但在光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的作用下，微粒子形成的圖像大小要大于其實(shí)際尺寸，便于觀察，實(shí)現(xiàn)了流體中各種復(fù)雜情況的可視化。典型的流場(chǎng)中微粒子可視化二維圖像和三維圖像分別如圖3和圖4所示。
[0031]在步驟203中，根據(jù)灰度值搜索流體中微粒子，并求取每一個(gè)微粒子中心的三維坐標(biāo)。可包括以下步驟:
[0032](I)為減小各種隨機(jī)噪聲對(duì)可靠提取微粒子圖像的影響，采用中值濾波方法對(duì)原始三維圖像進(jìn)行處理；
[0033](2)利用最大類間方差原理設(shè)定灰度閾值，若灰度值大于閾值，認(rèn)為是微粒子圖像部分，對(duì)流體三維圖像進(jìn)行分割；
[0034](3)流體三維圖像中除了大小比較均勻的微粒子圖像外，還有更小的雜質(zhì)形成的圖像，以及微粒子粘連圖像，為去除它們的影響設(shè)置體積最大閾值Vmax和最小閾值Vmin,若分割后小塊體積大于Vmax，則認(rèn)為出現(xiàn)了微粒子粘連情況，若分割后小塊體積小于Vmin,則認(rèn)為是更微小粒子形成的圖像，予以去除，微粒子形成的圖像大小Vparti&由光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)決定，一般可以選擇

Vmax I.5Vparticle，Vmin ?.^^particle ;[0035](4)利用上面的圖像二值化過(guò)程可以初步搜索出各個(gè)微粒子圖像所在位置。為求取微粒子運(yùn)動(dòng)速度，需要從二值化前的三維灰度圖像中精確計(jì)算各個(gè)微粒子圖像中心的三維坐標(biāo),因此,采用以下的平方加權(quán)質(zhì)心法求取微粒子中心三維坐標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1.一種全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法。其特征在于包括以下步驟: (1)基于頻域光學(xué)相干層析原理，建立微粒子跟蹤全流場(chǎng)可視化測(cè)速系統(tǒng)； (2)利用激光束對(duì)滲入微粒子或本身存在微粒子的流體進(jìn)行二維掃描，連續(xù)實(shí)時(shí)采集流體的干涉譜數(shù)據(jù)； (3)基于頻域光學(xué)相干層析成像原理將每個(gè)掃描位置的干涉譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間域，得到每個(gè)掃描位置在深度方向的結(jié)構(gòu)圖像，一組二維掃描可以獲得流體的三維結(jié)構(gòu)圖像； (4)根據(jù)各個(gè)微粒子圖像具有較深灰度特點(diǎn)，并利用體積濾波方法搜索流場(chǎng)中各個(gè)微粒子三維圖像，利用平方加權(quán)質(zhì)心法求取各個(gè)微粒子的中心三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)微粒子的可視化； (5)通過(guò)定義代價(jià)函數(shù)并使其最小化方法對(duì)連續(xù)掃描得到的兩個(gè)流體體積中的微粒子進(jìn)行匹配；根據(jù)每一對(duì)已匹配的微粒子的三維坐標(biāo)值求所對(duì)應(yīng)微粒子的運(yùn)動(dòng)方向和位移，即流體中此處的速度矢量，對(duì)流場(chǎng)中所有的已匹配的微粒子進(jìn)行同樣的處理即可得到全流場(chǎng)的速度矢量； (6)對(duì)連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進(jìn)行匹配，跟蹤流場(chǎng)中微粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢測(cè)全流場(chǎng)中速度的實(shí)時(shí)變化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法，其中，將每個(gè)掃描位置的干涉譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間域步驟包括均勻傅立葉變換、非均勻傅立葉變換等方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法，其中，全流場(chǎng)微粒子的可視化步驟包括: (1)采用中值濾波方法減小各種隨機(jī)噪聲的影響； (2)利用最大類間方差等方法設(shè)定灰度閾值，對(duì)微粒子圖像進(jìn)行分割； (3)為去除更小的雜質(zhì)以及微粒子粘連的影響，設(shè)置體積最大閾值Vmax和最小閾值Vfflin,若分割后小塊體積大于Vmax,則認(rèn)為出現(xiàn)了微粒子粘連情況，若分割后小塊體積小于Vfflin,則認(rèn)為是更微小粒子形成的圖像，予以去除，微粒子形成的圖像大小Vparticde由光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)決定，一般可以選擇Vmax = 1.5Vparticle, Vfflin = 0.5Vparticle ； (4)利用上面的圖像二值化過(guò)程可以初步搜索出各個(gè)微粒子圖像所在位置。為求取微粒子運(yùn)動(dòng)速度，需要從二值化前的三維灰度圖像中精確計(jì)算各個(gè)微粒子圖像中心的三維坐標(biāo)，因此，采用平方加權(quán)質(zhì)心法求取微粒子中心三維坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法，其特征在于，通過(guò)將微粒子之間距離的平方與二階矩之差的平方之和定義為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)對(duì)其優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)微粒子之間的可靠匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全流場(chǎng)可視化測(cè)速方法，其特征在于，對(duì)連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進(jìn)行匹配，跟蹤流場(chǎng)中微粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢測(cè)全流場(chǎng)中速度矢量的實(shí)時(shí)變化情況。
【文檔編號(hào)】G01P5/20GK103645341SQ201310578298
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】劉國(guó)忠, 李萍 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)