CN103808958B - 一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置，属于明渠实验技术领域，该装置包括摄像机、镜头、连续激光器、分光棱镜及计算机；其特征在于，还包括可调节长度的近摄腔、平凸柱面镜；连续激光器设置在待测明渠水槽的底板下，其输出光轴垂直朝向底板，分光棱镜、平凸柱面镜依次设置在激光器的输出光轴上；所述的摄像机设置在明渠水槽的边壁外，该摄像机通过可调节长度的近摄腔与镜头相连，镜头对准所述的矩形激光片光，所述的计算机与摄像机通过连接线相连，对摄像机拍摄的示踪粒子图像进行处理，以获得明渠紊流粘性底层流速。该方法包括装置的调整及拍摄和流速的测量两部分。本发明具有频率高、精度高、使用方便等优点。

Description

一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置

技术领域

本发明属于明渠实验技术领域，特别涉及对粒子示踪测速技术的改进。

背景技术

明渠紊流中，床面附近的粘性底层十分重要，是明渠紊流剪切应力与涡量的来源，并在紊动的产生与发展、传热传质等过程中起到关键作用。但是，对这一区域的流动特征进行测量却极其困难，主要的难点在于粘性底层的物理尺度极小，且区域内的流速梯度极大。例如，对于水深为5cm，摩阻雷诺数为1000的明渠紊流，粘性底层厚度约为0.25mm，且流速在这一区域从0迅速增加到断面平均流速的20%。

传统的接触式测量方法，如毕托管、热膜热丝等不仅会干扰流场，而且测量体本身的尺寸都在毫米量级，无法达到测量粘性底层的要求。近年发展成熟的非接触式测量方法，如声学多普勒流速仪、激光多普勒流速仪、粒子成像测速技术(PIV)和粒子示踪测速技术（PTV）等，在常规流动中均能测得准确数据。但声学多普勒流速仪的测量体尺寸在毫米量级，无法高精度测量粘性底层；激光多普勒流速仪所测的水流微团的尺度在最理想条件下约为0.1mm，在0.25mm内至多能得到3个测量点，难以得到粘性底层的流速分布；同时声学多普勒流速仪和激光多普勒流速仪均存在床面反射超声与激光的问题，在距床面1mm内测量精度较低；粒子成像测速技术由于使用判读窗口的平均信息得到测点流速，故在粘性底层这类流速梯度极大的区域存在较大的测量误差。

已有的粒子示踪测速技术的装置包含PTV摄像机、镜头和激光光源，其基本原理是在水体中撒布示踪粒子，示踪粒子跟随水体运动，使用激光光源照亮水体中一个平面的示踪粒子，一般使用分光镜将激光束分为扇形片光，测量区域的片光宽度在20cm以上。采用PTV摄像机拍摄扇形片光照亮的示踪粒子的图像，PTV摄相机的拍摄频率一般小于1000张/s。用其装置测流速的方法是，将水体中一个平面的示踪粒子连续拍摄的前后两张图片首先选取灰度阈值进行二值化，得到粒子图像；常用的灰度阈值确定方法有简单灰度变换法、非零元素取一法、固定阈值法、双固定阈值法（李丹勋等，粒子示踪测速技术，科学出版社，2012年）和大津法（OtsuN.Athresholdselectionmethodfromgray-levelhistograms.Automatica[J],1975,11(285-296):23-27）等，这些方法均为一次计算直接得到灰度阈值。得到二值化图片后使用阈值分割法得到每个粒子的区域，然后根据每个粒子的区域得到形心坐标以表示各粒子位置，最后采用匹配几率法（李丹勋等，粒子示踪测速技术，科学出版社，2012年）对两张图片中的粒子位置进行匹配，根据配对粒子的形心差异得到粒子在拍摄两张照片时间间隔内的位移，位移除以时间间隔即得到粒子所在位置水体的运动速度。粒子示踪测速技术能够在高流速梯度的区域得到准确的数据。但是普通粒子示踪测速技术使用常规摄像方法，即镜头与PTV摄相机的距离（像距）在镜头设计的范围内。这种常规摄像方法能保证拍摄得到的粒子图像足够明亮，噪声较小，同时像差最小。但是常规摄像方法所得图片的分辨率低，导致普通PTV方法无法满足粘性底层测量的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服已有明渠流速测量方法的不足,提供一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置。本发明利用PTV方法的基本原理，使用微距摄像技术得到满足粘性底层测量要求的高分辨率图片，并解决图片信噪比极低、像差大等问题。本发明具有频率高、分辨率高和精度高等优点

本发明的技术特点及有益效果如下:

本发明采用微距摄像技术增大图片的分辨率，针对高分辨率条件下所得图片的各种问题，采用阈值迭代法确定二值化阈值，解决图片信噪比低的问题，设定粒子图像形状指标，剔除像差严重的粒子，采用截断法计算粒子图像形心坐标，避免像差对计算粒子位置的影响。本发明具有测量频率高、精度高、使用方便等优点。

附图说明

图1为本发明装置组成示意图；

图2为本发明中的流速测量方法流程框图；

图3为本发明实施例装置组成示意图；

图4为本发明的实施例粘性底层流速分布。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。

本发明的一种测量明渠紊流粘性底层流速的装置如图1所示，该装置包括摄像机1、镜头3、连续激光器4、分光棱镜5及计算机7；其特征在于，还包括可调节长度的近摄腔2、平凸柱面镜6；其中，所述连续激光器4设置在待测明渠水槽10的底板下，且该激光器的输出光轴垂直朝向底板，所述分光棱镜5、平凸柱面镜6依次设置在激光器的输出光轴上，将激光器输出的光束调整为一矩形激光片光9；所述的摄像机1设置在明渠水槽10的边壁外，该摄像机通过可调节长度的近摄腔2与镜头3相连，镜头3对准所述的矩形激光片光9，以拍摄矩形激光片光9照亮的示踪粒子图像，所述的计算机7与摄像机1通过连接线8相连，对摄像机1拍摄的示踪粒子图像进行处理，以获得明渠紊流粘性底层流速。所述摄像机1的拍摄帧频大于3000张/秒；所述近摄腔2能前后伸缩，调整镜头3与摄像机1间的距离；所述镜头3为暗室放大镜头，其像场平直，所得图片的像差较普通镜头小；所述连续激光器4为一台功率8-20W的连续激光器（功率越高所得图片越明亮，结果越好）；所述分光棱镜5的分光角度为8-15°，将连续激光器4发出激光束扩散为扇形激光片光；所述平凸柱面镜6将分光棱镜5扩散所得扇形激光片光调整为矩形激光片光9；所述矩形激光片光9的宽度在30mm以下，以便于集中激光能量，提高照明亮度；所述计算机7通过连接线8与摄像机1相连，控制摄像机1拍摄图片。

本发明采用上述装置的一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法，包括装置的调整及拍摄和流速的测量两部分，装置的调整及拍摄，参考图1，包括以下步骤:

步骤I：调整激光片光：打开连续激光器4，调整连续激光器4、分光棱镜5、平凸柱面镜6之间的间距，将连续激光器4发出激光束调整为矩形激光片光9，整体移动连续激光器4，分光棱镜5、平凸柱面镜6的位置，使得矩形激光片光9照亮待测区域；

步骤II：调整镜头与相机：在水槽中矩形激光片光9的位置放置带有半毫米刻度的标定物，关闭连续激光器4；将镜头3靠近明渠水槽10的边壁，固定镜头3的位置，调整摄像机1的位置，近摄腔2的长度跟随摄像机1位置的变化而变化，直到摄像机1得到清晰图片，读取此时拍摄到的标定物的长度，计算图片分辨率（1mm对应的图片像素），之后调整镜头3与水槽边壁的距离以及摄像机1的位置，直到图片分辨率达到实验设定值；调整好后记录图片分辨率，拿出标定物；

步骤III：拍摄图片；调整明渠水槽10中的水流状态，满足实验要求后，在明渠水槽10上游撒布示踪粒子（以下简称粒子），粒子循环稳定后打开连续激光器4和摄像机1，

开始连续拍摄多张显示粒子图像的图片，图片总张数为Num_total（Num_total大于100，Num_total越小，后续流速测量所需时间越少，但是所得结果精度越低；Num_total越大，流速测量所需时间越多，所得结果精度越高），并将所拍摄的全部图片按拍摄顺序存储入计算机7，为所有图片按照拍摄顺序赋予图片序号K（K为从1开始的正整数）；拍摄完成后，关闭连续激光器4和摄像机1。

流速的测量如图2所示，整个过程在计算机7中完成，包括以下步骤:

步骤A：判断图片序号K是否大于Num_total-1，若K>Num_total-1，则进入步骤O，否则，进入步骤B；

步骤B：读入图片序号为K的图片；

步骤C：采用大津法确定图片K的二值化的初始灰度阈值T_i，i=0（i为阈值迭代循环序数，为非负整数；微距摄像技术使得图片放大率增加，但是也会导致图片变暗、信噪比低，直接使用大津法确定灰度阈值会将噪声误判为粒子图像，所以本发明通过阈值迭代法得到合理灰度阈值）；

步骤D：使用灰度阈值T_i对图片K二值化；

步骤E：提取二值化后图片K中的粒子个数N_i；

步骤F：判断N_i是否大于设定阈值N_max，若N_i>N_max，则进行步骤G；否则，进行步骤J（50<N_max<300，N_max越大，从图片中识别出的粒子数越多，将背景噪声误判为粒子图像的概率也越大；反之，N_max越小，从图片中识别出的粒子数越少，将背景噪声误判为粒子图像的概率也越小）；

步骤G：i的值增加1，确定新的二值化阈值T_i如式（1）所示：

$T_i=T_{i-1}+T_{i-1}\&CenterDot;\frac{N_{i-1}-N_{\max }}{N_{i-1}}---\left(1\right);$

步骤H：采用二值化阈值T_i对图片K二值化；

步骤I：提取二值化后粒子个数N_i，返回步骤F；

步骤J：读入图片K+1，使用阈值T_i对图片K+1二值化；

步骤K：剔除像差严重的粒子图像，采用如式（2）所示判据剔除二值化后的图片K、K+1中像差严重的粒子图像

$\begin{array}{c}\mathrm{\&sigma;}=\frac{L_{\max }}{L_{\min }}<T_{\mathrm{\&sigma;}}\\ \mathrm{\&epsiv;}=\frac{L_{\max }\&CenterDot;L_{\min }}{d_0^2}<T_{\mathrm{\&epsiv;}}\end{array}---\left(2\right)$

其中，σ为单个粒子的椭圆度指标，L_max为该粒子图像的最大长度，L_min为该粒子图像的最小长度（σ越小，说明粒子图像越接近于圆形，σ越大，说明粒子形态越扁长，像差越严重）；ε为充实度指标，d₀为与粒子图像面积相等的圆形的直径（ε越大，说明粒子图像内部空洞的区域越多，越不充实，像差越严重）；Τ_σ与Τ_ε为设定的阈值（5<Τ_σ<10，10<Τ_ε<50，阈值越大，剔除的粒子越少，但是最终所得流速精度越低，阈值越小，剔除的粒子越多，相应的流速精度越高）；

步骤L：采用截断法计算粒子图像形心坐标，计算二值化图片K、K+1中每个粒子图像的中心坐标如式（3）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{center}}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\\ y_{\mathrm{center}}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_i\end{array}i\&Element;\left\{P\right|I\left(P\right)>0.5I_{\mathrm{peak}}\}-\right.---\left(3\right)$

其中I(P)为P点处的灰度值，I_peak为粒子图像范围内灰度的最大值；N为参与运算的总像素数（经过式(3)计算后，仅粒子图像的明亮部分参与中心坐标的运算，避免了像差对计算粒子位置的影响）；

步骤M：使用匹配几率法匹配图片K、K+1中的粒子，配对粒子中心坐标间的距离即为粒子移动距离，粒子移动距离除以摄像机1拍摄图片K、K+1的时间间隔即得粒子的运动速度；

步骤N：将步骤M得到的粒子运动速度记录在数组Velocity中，相应的粒子中心坐标记录在数组Position中，K的值增加1，返回步骤A；

步骤O：计算流速分布，找到数组Position中垂向坐标的最小值PL和最大值PM，以Δ为间距将PM和PL之间的范围划分成若干区域，每个区域既是一个测点，针对每个区域，在数组Position中找到所有中心坐标落在此区域内的粒子，从Velocity数组中得到这些粒子的运动速度，并求出运动速度的平均值，作为到这一测点的平均速度，所有测点的平均速度既构成流速分布（2<Δ<15，Δ越大，最终测点个数越少，但每个测点的区域越大，落在测点内的粒子个数越多，平均流速的误差越小；Δ越小，最终测点个数越多，但每个测点的区域越小，平均流速的误差越大）。

下面以明渠紊流粘性底层测量实验为实施例对本发明的详细实施过程进行说明。本实施例装置结构，如图3，该装置包括摄像机1、近摄腔2、镜头3、连续激光器4、分光棱镜5、平凸柱面镜6、计算机7、连接线8；试验在长20m、宽30cm的明渠水槽10中进行，明渠水槽10侧壁和底板均为超白玻璃。实验采用PSP示踪粒子，粒径5μm，密度1.03g/mm³。摄像机1的型号为IDTNR5-S2，拍摄速度为4500张/s；镜头3为暗室放大镜头，型号为APO-Rodagon-N50/2.8；镜头3距矩形激光片光9的距离为130mm。近摄腔2为近摄皮腔，伸缩范围为0-100mm，本次试验设定为98mm。连续激光器4为LaserQuantumFINESSE-16型连续激光器，激光功率16瓦。分光棱镜5为分光角度为8°的鲍威尔棱镜，平凸柱面镜6的焦距为220mm，厚度为10mm，长度50mm，矩形激光片光9的宽度为30mm。计算机7为DellPrecisionT7610工作站。连接线8为随摄像机1配置的网线。

实验要求图片的分辨率为223像素/mm。

本实施例的测量方法包括装置的调整及拍摄和流速的测量两部分，装置的调整及拍摄，参考图3，包括以下步骤:

步骤I：调整激光片光：打开连续激光器4，调整分光棱镜5、平凸柱面镜6之间的间距以及二者与连续激光器4的距离，将连续激光器4发出激光束调整为矩形激光片光9，整体移动连续激光器4，分光棱镜5、平凸柱面镜6的位置，使得矩形激光片光9照亮待测区域；

步骤II：调整镜头与相机：在水槽中矩形激光片光9的位置放置带有半毫米刻度的钢尺，关闭连续激光器4；将镜头3靠近水槽边壁，固定镜头3的位置，调整摄像机1位置，此时近摄腔2的长度跟随摄像机1位置的变化而变化，直到摄像机1得到清晰图片，读取此时拍摄到的钢尺的长度，计算图片分辨率（1mm对应的图片像素），之后调整镜头3与水槽边壁的距离以及摄像机1位置的位置，直到图片分辨率达到223像素/mm；调整好后记录图片分辨率，拿出钢尺；

步骤III：拍摄图片；调整明渠水槽10中的水流状态，满足实验要求后，在明渠水槽10上游撒布PTV示踪粒子，循环稳定后打开连续激光器4和摄像机1，设定摄像机1拍摄频率为4500张/秒，开始连续拍摄图片，图片总张数Num_total=5000，并将所拍摄的全部图片按拍摄顺序存储入计算机7；为所有图片按照拍摄顺序赋予图片序号K（K为从1开始的正整数）；拍摄完成后，关闭连续激光器4和摄像机1。

流速的测量包括以下步骤:

步骤A：判断图片序号K是否大于Num_total-1=4999，若K>4999，则进入步骤O，否则，进入步骤B；

步骤B：读入图片序号为K的图片；

步骤C：采用大津法确定图片K的二值化的初始灰度阈值T_i，i=0（i为阈值迭代循环序数，为非负整数）；

步骤D：使用灰度阈值T_i对图片K二值化；

步骤E：提取二值化后图片K中的粒子个数N_i；

步骤F：判断N_i是否大于设定阈值N_max=150，若N_i>N_max，则进行步骤G；否则，进行步骤J；

步骤G：i的值增加1，按照式(1)确定新的二值化阈值T_i

步骤H：采用二值化阈值T_i对图片K二值化；

步骤I：提取二值化后粒子个数N_i，返回步骤F；

步骤J：读入图片K+1，使用阈值T_i对图片K+1二值化；

步骤K：使用式（2）判据剔除二值化后的图片K、K+1中像差严重的粒子其中，Τ_σ与Τ_ε为阈值，,Τ_σ=5，Τ_ε=25；

步骤L：使用式（3）计算二值化图片K、K+1中每个粒子的中心坐标；

步骤M：使用匹配几率法匹配图片K、K+1中的粒子，配对粒子中心点间的距离即为粒子移动距离，粒子移动距离除以摄像机1拍摄图片K、K+1的时间间隔即得粒子的运动速度；

步骤N：将步骤M得到的粒子运动速度记录在数组Velocity中，相应的粒子中心坐标记录在数组Position中，K的值增加1，返回步骤A；

步骤O：计算流速分布，找到数组Position中垂向坐标的最小值PL=0.5和最大值PM=107.2，以Δ＝3为间距将PM和PL之间的范围划分成36个区域，每个区域即是一个测点，针对每个区域，在数组Position中找到所有中心坐标落在此区域内的粒子，从Velocity数组中得到这些粒子的运动速度，并求出运动速度的平均值，作为到这一测点的平均速度，所有测点的平均速度既构成流速分布。

图4为本实施例测得的粘性底层流速分布，在0.25mm以下得到了20个测点，远高于其它测量手段的空间分辨率，且流速成直线分布，与理论结果吻合良好。

Claims (1)

1.一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法，采用的测量装置包括摄像机、镜头、连续激光器、分光棱镜及计算机；还包括可调节长度的近摄腔、平凸柱面镜；其中，所述连续激光器设置在待测明渠水槽的底板下，且该激光器的输出光轴垂直朝向底板，所述分光棱镜、平凸柱面镜依次设置在激光器的输出光轴上，将激光器输出的光束调整为一矩形激光片光；所述的摄像机设置在明渠水槽的边壁外，该摄像机通过可调节长度的近摄腔与镜头相连，镜头对准所述的矩形激光片光，以拍摄矩形激光片光照亮的示踪粒子图像，所述的计算机与摄像机通过连接线相连，对摄像机拍摄的示踪粒子图像进行处理，以获得明渠紊流粘性底层流速；

其特征在于，该方法包括装置的调整及拍摄和流速的测量两部分；所述装置的调整及拍摄，包括以下步骤:

步骤I：调整激光片光：打开连续激光器，调整连续激光器、分光棱镜、平凸柱面镜之间的间距，将连续激光器发出激光束调整为矩形激光片光，整体移动连续激光器，分光棱镜、平凸柱面镜的位置，使得矩形激光片光照亮待测区域；

步骤II：调整镜头与相机：在水槽中矩形激光片光的位置放置带有半毫米刻度的标定物，关闭连续激光器；将镜头靠近明渠水槽的边壁，固定镜头的位置，调整摄像机的位置，近摄腔的长度跟随摄像机位置的变化而变化，直到摄像机得到清晰图片，读取此时拍摄到的标定物的长度，计算图片分辨率，之后调整镜头与水槽边壁的距离以及摄像机的位置，直到图片分辨率达到实验设定值；调整好后记录图片分辨率，拿出标定物；

步骤III：拍摄图片；调整明渠水槽中的水流状态，满足实验要求后，在明渠水槽上游撒布示踪的粒子，粒子循环稳定后打开连续激光器和摄像机，开始连续拍摄多张显示粒子图像的图片，图片总张数为Num_total；并将所拍摄的全部图片按拍摄顺序存储入计算机，为所有图片按照拍摄顺序赋予图片序号K，K为从1开始的正整数；拍摄完成后，关闭连续激光器和摄像机；

所述流速的测量，包括以下步骤:

步骤A：判断图片序号K是否大于Num_total-1，若K>Num_total-1，则进入步骤O，否则，进入步骤B；

步骤B：读入图片序号为K的图片；

步骤C：采用大津法确定图片K的二值化的初始灰度阈值T_i，i＝0，i为阈值迭代循环序数，为非负整数；

步骤D：使用灰度阈值T_i对图片K二值化；

步骤E：提取二值化后图片K中的粒子个数N_i；

步骤F：判断N_i是否大于设定阈值N_max，若N_i>N_max，则进行步骤G；否则，进行步骤J；

步骤G：i的值增加1，确定新的二值化阈值T_i如式(1)所示：

$T_i=T_{i-1}+T_{i-1}\&CenterDot;\frac{N_{i-1}-N_{max}}{N_{i-1}}---\left(1\right);$

步骤H：采用二值化阈值T_i对图片K二值化；

步骤I：提取二值化后粒子个数N_i，返回步骤F；

步骤J：读入图片K+1，使用阈值T_i对图片K+1二值化；

步骤K：采用如式(2)所示判据剔除二值化后的图片K、K+1中像差严重的粒子图像：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{L_{max}}{L_{min}}<T_{\mathrm{\&sigma;}}$

(2)

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{L_{max}\&CenterDot;L_{min}}{d_0^2}<T_{\mathrm{\&epsiv;}}$

其中，σ为单个粒子的椭圆度指标，L_max为该粒子图像的最大长度，L_min为该粒子图像的最小长度；ε为充实度指标，d₀为与粒子图像面积相等的圆形的直径；Τ_σ与Τ_ε为设定的阈值；

步骤L：采用截断法计算粒子图像形心坐标，计算二值化图片K、K+1中每个粒子图像的中心坐标如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{center}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i\\ y_{center}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{y}_i\end{array}\right.,i\&Element;\left\{P|I\left(P\right)>0.5I_{peak}\right\}---\left(3\right)$

其中I(P)为P点处的灰度值，I_peak为粒子图像范围内灰度的最大值；N为参与运算的总像素数；

步骤M：使用匹配几率法匹配图片K、K+1中的粒子，配对粒子中心坐标间的距离即为粒子移动距离，粒子移动距离除以摄像机拍摄图片K、K+1的时间间隔即得粒子的运动速度；

步骤N：将步骤M得到的粒子运动速度记录在数组Velocity中，相应的粒子中心坐标记录在数组Position中，K的值增加1，返回步骤A；

步骤O：计算流速分布，找到数组Position中垂向坐标的最小值PL和最大值PM，以Δ为间距将PM和PL之间的范围划分成若干区域，每个区域既是一个测点，针对每个区域，在数组Position中找到所有中心坐标落在此区域内的粒子，从Velocity数组中得到这些粒子的运动速度，并求出运动速度的平均值，作为到这一测点的平均速度，所有测点的平均速度既构成流速分布，2<Δ<15。