单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置，解决了如何采用单相机获得三维速度和位置信息的问题，属于激光测速技术。本发明专利技术包括：激光发射器发出设定频率的激光，入射至激光扩束器，扩束后产生非相关光对观测区域进行照明，显微镜头朝向观测区域，高速相机与显微镜头连接，通过显微镜头拍摄观测区域的喷雾图像，并将喷雾图像发送至处理器；处理器用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，获得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径，通过PSF点扩散函数半波长值，获得离焦距离，排除离焦距离的不合理情况，对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配，根据匹配后的两个液滴的距离和间隔时间，获得三维速度。获得三维速度。获得三维速度。
【技术实现步骤摘要】
单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置
[0001]本专利技术涉及一种PTV(粒子跟踪测速，Particle Tracking Velocimetry)装置。
技术介绍
[0002]数字图像处理是通过程序语言控制对相机捕获的图片进行批量处理，筛选粒子信息，计算分析，实现所测区域中平均粒径的测量，广泛应用于喷雾测量等实验中。
[0003]PTV测速技术是一种非接触式现代激光测速技术，通过跟踪、匹配由激光相机系统捕获，数字图像处理后的目标粒子，得到相邻两帧图像中粒子的位移，实现对流场中运动粒子的速度测量，并广泛应用于喷雾流场的实验中；目前，普遍认为获得液滴二维位置和速度的技术是比较成熟的，然而想要获得三维速度和位置信息就需要增加高速相机的台数以捕获更多更准确的信息，其成本将大大提高。故目前PTV测速技术中通过单台相机拍摄获得目标粒子三维速度的方法较为新颖。
[0004]高速相机是具有一定景深的，当被测液滴粒子超出相机的景深时，会产生离焦现象；此时，仅利用相机捕获的离焦图像不能确定成像物体在焦点前方还是后方，即产生了所谓离焦二义性问题，难以获得液滴的具体离焦位置。
技术实现思路
[0005]针对如何采用单相机获得三维速度和位置信息及如何解决离焦二义性的问题，本专利技术提供一种单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置。
[0006]本专利技术的一种单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置，包括高速相机1、显微镜头2、激光扩束器6、激光发射器8和处理器12；
[0007]激光发射器8发出设定频率的激光，入射至激光扩束器6，激光扩束器6扩束后产生非相干光5对观测区域进行照明，显微镜头2朝向观测区域，高速相机1与显微镜头2连接，通过显微镜头2拍摄观测区域的喷雾图像，并将喷雾图像发送至处理器12；
[0008]处理器12，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，对喷雾图像处理，获得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径SMD，通过PSF点扩散函数半波长值与离焦距离的关系，获得离焦距离，排除离焦距离的不合理情况，利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配，根据匹配后的两个液滴的距离和间隔时间，获得液滴移动速度，完成三维速度测定。
[0009]作为优选，所述处理器12包括图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块；
[0010]图像导入及预处理模块，同时与自适应阈值切割模块和特征匹配模块连接，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，逐张图像进行预处理：去除背景及轮廓检测，将预处理后的图像发送至自适应阈值切割模块；
[0011]自适应阈值切割模块，与液滴离焦距离二义性排除模块连接用于将预处理后的图像进行灰度，及通过自适应阈值函数将图像二值化，遍历图像中所有液滴，获得单个液滴的
形状与位置特征，确定液滴的平均粒径SMD；
[0012]液滴离焦距离二义性排除模块，用于利用PSF点扩散函数半波长值χ
est
计算被测液滴的离焦距离z，利用最大梯度法排除离焦距离z的不合理情况，得到液滴的真实离焦距离；
[0013]获取PSF点扩散函数半波长值χ
est
，根据χ
est
＝f1(z)获得离焦距离z；
[0014]f1()表示χ
est
和离焦距离z的拟合关系；
[0015][0016]式中，f为相机焦距，l表示被测液滴与透镜之间的距离；
[0017]获得被测液滴的焦点内参数lnf
L3
：
[0018][0019]其中，表示被测液滴的最大梯度；d
ei
为被测液滴直径；I
max
为被测液滴的最大灰度水平；I
min
为被测液滴的最小灰度水平；
[0020]根据lnf
Lq
＝f2(z,d
ei
)分别获得z1、z2对应的焦点内参数lnf
L1
和焦点内参数lnf
L2
；
[0021]f2()表示焦点内参数lnf
Lq
与z、d
ei
的拟合关系；
[0022]根据lnf
L1
、lnf
L2
和lnf
L3
的关系，确定被测液滴的真实离焦距离为z1或z2：
[0023][0024]特征匹配模块，用于利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴以特征和距离较近两个因素为原则进行匹配，并通过V＝L/t计算液滴的移动速度，L表示相邻两张图像中的同一液滴的移动距离，t表示相邻两张图片的拍摄获间隔时间。
[0025]作为优选，所述处理器12还包括液滴标号模块；
[0026]液滴标号模块与自适应阈值切割模块连接，液滴标号模块对自适应阈值切割模块识别出的液滴进行标记及标号。
[0027]作为优选，所述处理器12还包括计算结果可视化展示和存储模块，用于将图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块的处理结果进行展示及存储。
[0028]本专利技术的有益效果，本专利技术通过数字图像处理的特定图像信息处理方法，实现了单台相机获取喷雾粒径及三维速度；并在此基础上，利用PSF点扩散函数半波长值以及最大梯度对比法排除了液滴离焦距离的二义性，达到了准确获取喷雾粒径、三维速度和离焦距离的目的，进而获得喷嘴雾化性能客观评价的依据。
附图说明
[0029]图1为本专利技术的结构示意图；
[0030]图2为本专利技术处理器的的工作流程示意图；
[0031]图3为本专利技术的液滴匹配的实际效果图；
[0032]图4为本专利技术的液滴粒径分布的实际效果图；
[0033]图5为本专利技术的液滴粒径分布统计占比的实际效果图；
[0034]图6为本专利技术液滴离焦二义性排除模块的原理示意图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0038]本实施方式的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置，包括高速相机1、显微镜头2、激光扩束器6、激光发射器8和处理器12；
[0039]激光发射器8发出设定频率的激光，入射至激光扩束器6，激光扩束器6扩束后产生非相干光5对观测区域进行照明，显微镜头2朝向观测本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置，其特征在于，包括高速相机(1)、显微镜头(2)、激光扩束器(6)、激光发射器(8)和处理器(12)；激光发射器(8)发出设定频率的激光，入射至激光扩束器(6)，激光扩束器(6)扩束后产生非相干光5对观测区域进行照明，显微镜头(2)朝向观测区域，高速相机(1)与显微镜头(2)连接，通过显微镜头(2)拍摄观测区域的喷雾图像，并将喷雾图像发送至处理器(12)；处理器(12)，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，对喷雾图像处理，获得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径SMD，通过PSF点扩散函数半波长值与离焦距离的关系，获得离焦距离，排除离焦距离的不合理情况，利用各喷雾图像中液滴的位置与形状特征，对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配，根据匹配后的两个液滴的距离和间隔时间，获得液滴移动速度，完成三维速度测定。2.根据权利要求1所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置，其特征在于，所述处理器(12)包括图像导入及预处理模块、自适应阈值切割模块、液滴标号模块、液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块；图像导入及预处理模块，同时与自适应阈值切割模块和特征匹配模块连接，用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储，逐张图像进行预处理：去除背景及轮廓检测，将预处理后的图像发送至自适应阈值切割模块；自适应阈值切割模块，与液滴离焦距离二义性排除模块连接用于将预处理后的图像进行灰度，及通过自适应阈值函数将图像二值化，遍历图像中所有液滴，获得单个液滴的形状与位置特征，确定液滴的平均粒径SMD；液滴离焦距离二义性排除模块，用于利用PSF点扩散函数半波长值χ
est
计算被测液滴的离焦距离z，利用最大梯度法排除离焦距离z的不合理情况，得到液滴的真实离焦距离；获取PSF点扩散函数半波长值χ
est
，根据χ
est
＝f1(z)获得离焦距离z；f1()表示χ
est
和离焦距离z的拟合关系；式中，f为相机焦距，l表示被测液滴与透镜之间的距离；获得被测液滴的焦点内参数lnf
L3
：其中，表示被测液滴的最大梯度；d
ei
为被测液滴直径；I
max
为被测液滴的最大灰度水平；I
min
为被测液滴的最小灰度水平；根据lnf
Lq
＝f2(z,d
ei
)分别获得z1、z2对应的焦点内参数lnf
...
【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，王翔宇，龙国徽，陈炫任，王超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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