CN115452667B - 一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法，装置包括：点光源、两个凹面镜、两组平面镜、刀口、CCD相机和平面镜伸缩控制系统；所述两组平面镜包括相同数量个平面镜，且一一对应构成平面镜对；每个平面镜对对称设置于颗粒物流场的两侧，所有平面镜对之间的距离相等；每个平面镜对均受所述平面镜伸缩控制系统的控制，与所述点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机一起，构成对应的纹影观测平台。通过伸缩控制系统控制各平面镜对沿颗粒物运动方向依次构成纹影观测平台，实现对颗粒物观测区域的延伸，确保可以在较大范围内观测颗粒物的需求。

Description

一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法

技术领域

本发明属于颗粒追踪技术，具体涉及一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法。

背景技术

在研究颗粒物运动的变化规律的时候，为了定量化精确的测量颗粒物的变化规律同时避免影响颗粒物相应的运动状态，一般采取非接触式纹影法或者基于激光诱导荧光技术(LIF)或者平面激光诱导荧光技术(PLIF)的粒子图像测速(PIV)技术。

粒子图像测速(PIV)技术较为依赖示踪粒子，需要在空间播撒示踪粒子或者添加与颗粒物性质一样的荧光粒子，而示踪粒子在大空间很难分布均匀，而且在光线太强的时候也不适用。另外激光能量以及高速相机的分辨率也是有限的，因此难以在较长距离内连续追踪颗粒物的运动。

普通的纹影法由于纹影系统的流场显示范围主要取决于凹面镜的大小，目前直径1m大口径的材料生产对加工质量要求非常高，如果面形质量不够的话会直接导致成像不清晰，同时当凹面镜直径增加，相应的焦距也会增大，对于实验场地的需求也更大，因此目前只能保证一个有限的观测视场。

以上两种方法都对于仪器摆放位置和角度都有较大的要求，两种方法对于光路的敏感性也非常高，任何对光路的轻微影响都会导致成像的模糊，而且考虑到各个光学仪器的焦距等必备的配合关系，在实际搭建过程中基本都是采取固定仪器底座避免移动的方式，因此目前的光学测试方法都没有涉及移动式追踪捕捉颗粒物的范畴。

发明内容

针对现有技术对颗粒物追踪的光学观测装置存在观测范围窄的技术问题，本发明提供一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法，可以确保在较大范围内观测颗粒物。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种颗粒物同步追踪装置，包括：点光源、两个凹面镜、两组平面镜、刀口、CCD相机和平面镜伸缩控制系统；所述两组平面镜包括相同数量个平面镜，且一一对应构成平面镜对；每个平面镜对对称设置于颗粒物流场的两侧，所有平面镜对之间的距离相等；每个平面镜对均受所述平面镜伸缩控制系统的控制，与所述点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机一起，构成对应的纹影观测平台。

进一步地，每组平面镜的所有平面镜等间距依次排列。

进一步地，还包括图像处理单元，用于对CCD相机记录的的每一点的光强值进行分析处理，得到流场中的颗粒大小、颗粒位置、颗粒浓度和/或颗粒速度。

进一步地，所述图像处理单元在CCD相机记录得到的图像基础上，还进一步对相应的每一点的光强值，使用光强值调整后的图像进行分析处理；其中对CCD相机记录图像的光强值进行调整的方法为：

I_k ^*＝I_k+I_k·αL/h

式中，I_k表示CCD相机记录得到图像中任意点光强值，I_k ^*表示该点调整后的光强值，α表示颗粒物在平面镜对之间的干扰偏转角，L表示当前纹影观测平台对应平面镜对相对于第一个平面镜对的间距，h为光源像的高度。

进一步地，所述平面镜伸缩控制系统，沿颗粒物流场的运动方向的顺序，依次控制各平面镜对与点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机构成纹影观测平台；当即将控制下一个平面镜对构成纹影观测平台时，先控制并保持前面所有的平面镜被移除。

进一步地，所述平面镜伸缩控制系统，当图像的边沿若干列的像素点的光强变化量超过预设值时，控制切换下一个平面镜对构成纹影观测平台；所述边沿是指颗粒物流向靠近且与流向垂直的一边。

一种上述技术方案所述颗粒物同步追踪装置的颗粒物同步追踪方法，包括：沿颗粒物流场的运动方向，依次控制各平面镜对与点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机构成纹影观测平台；当即将控制下一个平面镜对构成纹影观测平台之前，先控制并保持前面所有的平面镜被移除，再控制下一个平面镜对构成纹影观测平台，进而利用CCD相机对当前平面镜之间的颗粒物流场进行光强数据的记录。

进一步地，根据颗粒物的预估速度来控制构成纹影观测平台：当图像的边沿若干列的像素点的光强变化量超过预设值时，控制切换下一个平面镜对构成纹影观测平台；所述边沿是指颗粒物流向靠近且与流向垂直的一边。进一步地，使用图像处理单元对CCD相机记录得到的图像进行光强值调整，并使用光强值调整后的图像进行分析处理，得到流场中的颗粒形状、颗粒位置、颗粒浓度和/或颗粒速度其中对光强值调整的方法为：

I_k ^*＝I_k+I_k·αL/h

式中，I_k表示CCD相机记录得到的图像中任意点的光强值，I_k ^*表示该点调整后的光强值，α表示颗粒物在平面镜对之间的干扰偏转角，L表示当前纹影观测平台对应平面镜对相对于第一个平面镜对的间距，h为光源像的高度。

有益效果

本发明提供一种颗粒物同步追踪装置和基于其的颗粒物同步追踪方法，包括：点光源、两个凹面镜、两组平面镜、刀口、CCD相机和平面镜伸缩控制系统；所述两组平面镜包括相同数量个平面镜，且一一对应构成平面镜对；每个平面镜对对称设置于颗粒物流场的两侧，所有平面镜对之间的距离相等；每个平面镜对均受所述平面镜伸缩控制系统的控制，与所述点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机一起，构成对应的纹影观测平台。本发明的观测装置及方法，通过伸缩控制系统控制各平面镜对沿颗粒物运动方向依次构成纹影观测平台，为一种延伸光路的方法，使得观测装置中的仪器并未与运动的颗粒物产生相对运动，避免了挪动仪器导致光路难以聚焦导致成像失败的情况发生，实现对颗粒物观测区域的延伸，确保可以在较大范围内观测颗粒物的需求。

附图说明

图1是本申请实施例中，颗粒物流场在第一个平面镜对之间，由第一个平面镜对构成纹影观测平台，对第一个平面镜对之间的颗粒物流场进行观测的示意图；

其中，1为光源，2为狭缝，1和2形成点光源，3为凹面镜45为平面镜对所在的平台，6为观测区域，7凹面镜，8刀口，9CCD相机；

图2是本申请实施例中，颗粒物流场在第二个平面镜对之间，由第二个平面镜对构成纹影观测平台，对第二个平面镜对之间的颗粒物流场进行观测的示意图；

图3是纹影法的原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种颗粒物同步追踪装置，参考图1、图2所示，包括：点光源、两个凹面镜、两组平面镜、刀口、CCD相机、平面镜伸缩控制系统图像处理单元；所述点光源包括强度可控LED灯和狭缝；所述两组平面镜包括相同数量个平面镜，且一一对应构成平面镜对；每个平面镜对对称设置于颗粒物流场的两侧，所有平面镜对之间的距离相等；每个平面镜对均受所述平面镜伸缩控制系统的控制，与所述点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机一起，构成对应的纹影观测平台。本实施例中每组平面镜的所有平面镜等间距依次排列。

所述图像处理单元用于对所有图像的光强值进行分析处理，得到流场中的颗粒形状、颗粒位置、颗粒浓度和/或颗粒速度。

参考图3所示，纹影观测的工作原理为：颗粒物经过观测路径的时候，由于颗粒物会对光的传播产生折射，在接收的CCD相机那里体现画面出现局部光强值的变化，利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上光强值的变化，使流场中密度变化转换为可观察、可分辨的图像，利用CCD相机进行记录。

由于当颗粒物性质一样的时候，对光的折射角度一样，但是由于在不同组平面镜之间的时候，经过折射后的光行走的距离有差别(相邻组的行走距离差别为相邻平面镜对的距离)，导致目标颗粒物折射后在CCD相机上的光强以及光强所在的位置发生变化，因此需要进行相应的修正，这样得到的数据就等效为在同一组镜子的测量结果，得到的也是颗粒物相对于真实空间的运动状态，实现了对观测区域的扩展。

设每相邻两个平面镜对之间的距离为L₁，当颗粒物由第一个平面镜对之间到第二个平面镜对之间的时候，假设由于干扰偏转角度为α，光线折射后投射于记录平面上的点，当颗粒物的初始条件是一样的时候，在第一个平面镜对和第二个平面镜对时候，由于经过折射后的传播距离增加，在成像区域的偏折位置也出现变化，此时需要将相应的阴影点进行相应的移位，移位的长度为：αL₁。

对于光强的变化，如果测试段内无干扰的情况下，光束原始状态和在焦点处得到的图像具有共轭关系，在光线未被干扰的时候，将刀口挡住光源像高一部分，由共轭相的对应关系，相当于削弱了测试段发光面的一部分，记录平面上的共轭相的高度将均匀地减少一部分，刀口应当处于透镜的焦点，否则会破坏共轭成像的关系，记录在平面上的光强变化将是不均匀的。第一个平面镜对距离凹面镜焦点的距离为L₀。

当光源像未被刀口切割，记录在平面上的强度为I₀，有刀口在焦平面上切割光源像时的强度为I_k：

I_k＝k·I₀·b·/f₂ (1)

式中:I为光强；k为比例系数；I₀为原始光强；b为光源像在水平方向的长度；h为光源像的高度；f₂为纹影镜焦距。当有干扰的时候，测试段的光将产生偏转，设定相应的偏转角度为α，则偏转距离为：

Δ_k＝α*L₀ (2)则记录在平面上的强度将按照比例增加：

光线偏离刀口，Δ_k为正，否则，向着刀口偏转，Δ_k为负。

由可压缩流场理论公式：

由公式(5)知道，光强的变化率反映了流场中折射率的变化。

公式(2)-(5)中,α为光线偏折角；n为气体折射率；x为垂直于光传播方向的坐标；y为垂直于光传播方向的坐标；z为沿光传播方向的坐标。

当从第一个平面镜对之间视区到第二个平面镜对之间视区的时候，折射角度不变，传播距离增加L₁，则有偏转距离为:

Δ_k2＝α*(L₀+L₁) (7)

在同等的颗粒物参数基础上，则有I_k不变，

光强的变化为:

因此利用光强进行相应的修正的时候，第二个平面镜对之间颗粒物对应得到图像光强应相应改变

因此，为得到更准确的光强数据以获得更准确的颗粒物参数数据，在更优的实施例中，所述图像处理单元在CCD相机记录得到的图像基础上，还进一步对相应的光强值和光强值所在的位置进行调整，再对光强值调整后的图像进行分析处理；其中对CCD相机记录图像的光强值进行调整的方法为：

I_k ^*＝I_k+I_k·αL₁/h (10)

式中，I_k表示CCD相机记录得到的图像中任意点的光强值，I_k ^*表示该点调整后的光强值，α表示颗粒物在平面镜对之间的干扰偏转角，L₁表示当前纹影观测平台对应平面镜对相对于第一个平面镜对的间距。

在本实施例中，平面镜伸缩控制系统对各平面镜对的控制方法为：沿颗粒物流场的运动方向，依次控制各平面镜对与点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机构成纹影观测平台；当图像处理得到颗粒物即将进入下一个平面镜对的时候，先控制并保持前面所有的平面镜被移除。更优地，所述平面镜伸缩控制系统，根据颗粒物的预估速度(根据图像处理得到的)来控制构成纹影观测平台：根据图像处理得到的即时速度判断颗粒物流场当前所在的位置，该位置即为颗粒物流场的预估视区，进而控制该位置对应处的平面镜构成纹影观测平台。

在具体的实施例中：

(1)开始时候打开光源，经过狭缝形成点光源，在凹面镜之间形成平行的光路，实验区域在平行光路之间，当颗粒物经过试验段的时候，会对平行光产生折射，对于如何检测颗粒物由第一个平面镜对移动到第二个平面镜对，由于当颗粒物传到观测区域的时候会由于其对光路的遮蔽或者折射，最终导致在成像的地方的某部分的光强变化，在图像上的显示就是一个斑点，或者是阴影。

(2)在颗粒物开始进入观测区域的时候，将每个平面镜对的控制单元电位均为1，即为升高工作状态，当颗粒物从第一个平面镜对向第二个平面镜对移动的时候，当经过第一个平面镜对，快要靠近第二个平面镜对的时候，将第一个平面镜对的电位调为0，平面镜由伸缩装置控制远离试验区，使得光线不会在第一个平面镜对之间形成平行光路，颗粒物继续向第二个平面镜对传递，而后第二个平面镜对电位调为0，光线照射到第三个平面镜对，成像区域出现移动，实现对颗粒物运动的观测。

(3)经过反光镜的反射之后，刀口将部分的折射光切掉，阻挡一部分在测试区域由于颗粒物存在导致部分的光线产生弯曲或折射，最后被CCD相机捕捉。

(4)对图像降噪，得到相应的图以后，结合相应的镜子位置情况以及相应图像上各点的光强值，得到粒子变化规律，同时下一个镜子对做好准备，综合给出相应颗粒物的速度和真实空间位置变化情况。

(5)将任意时刻处理得到的相应的图像进行相应的降噪处理，结合平面镜的状态给出相应的颗粒大小、颗粒位置、颗粒浓度和颗粒速度的相关参数。

(6)将光强修正后的图像进行整合，得出该部分粒子从发射开始的所有变化过程。

(7)对图像进行处理，将任意时刻平面镜的状态以及图像中光强的相对位置和相对速度进行记录，结合平面镜的变化规律，将图像进行整合，得出该部分颗粒物从发射开始的所有变化过程，综合给出相应颗粒物的速度和真实空间位置变化情况。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种颗粒物同步追踪装置，其特征在于，包括：点光源、两个凹面镜、两组平面镜、刀口、CCD相机和平面镜伸缩控制系统；所述两组平面镜包括相同数量个平面镜，且一一对应构成平面镜对；每个平面镜对对称设置于颗粒物流场的两侧，所有平面镜对之间的距离相等；每个平面镜对均受所述平面镜伸缩控制系统的控制，与所述点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机一起，构成对应的纹影观测平台；

所述颗粒物同步追踪装置还包括图像处理单元；

所述图像处理单元用于对CCD相机记录的图像的每一点的光强值进行记录处理，得到流场中的颗粒大小、颗粒位置、颗粒浓度和/或颗粒速度；

所述图像处理单元在CCD相机记录得到的图像基础上，还进一步对相应各点的光强值进行调整，再对光强值调整后的图像进行分析处理；其中对CCD相机记录图像的光强值进行调整的方法为：

I_k ^*＝I_k+I_k·αL/h

式中，I_k表示CCD相机记录得到的图像中任意点的光强值，I_k ^*表示该点调整后的光强值，α表示颗粒物在平面镜对之间的干扰偏转角，L表示当前纹影观测平台对应平面镜对相对于第一个平面镜对的间距；h为光源像的高度。

2.根据权利要求1所述的颗粒物同步追踪装置，其特征在于，每组平面镜的所有平面镜等间距依次排列。

3.根据权利要求1所述的颗粒物同步追踪装置，其特征在于，所述平面镜伸缩控制系统，沿颗粒物流场的运动方向的顺序，依次控制各平面镜对与点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机构成纹影观测平台；当即将控制下一个平面镜对构成纹影观测平台时，先控制并保持前面所有的平面镜被移除。

4.根据权利要求3所述的颗粒物同步追踪装置，其特征在于，所述平面镜伸缩控制系统，根据颗粒物的预估速度来控制构成纹影观测平台：根据图像处理得到的预估速度判断颗粒物当前所在的空间位置，控制该位置对应处的平面镜构成纹影观测平台。

5.一种基于权利要求1所述颗粒物同步追踪装置的颗粒物同步追踪方法，其特征在于，包括：沿颗粒物流场的运动方向的顺序，依次控制各平面镜对与点光源、两个凹面镜、刀口、CCD相机构成纹影观测平台；当即将控制下一个平面镜对构成纹影观测平台之前，先控制并保持前面所有的平面镜被移除，再控制下一个平面镜对构成纹影观测平台，进而利用CCD相机对当前平面镜之间的颗粒物流场进行光强数据记录。

6.根据权利要求5所述的颗粒物同步追踪方法，其特征在于，当图像的边沿若干列的像素点的光强变化量超过预设值时，控制切换下一个平面镜对构成纹影观测平台；所述边沿是指颗粒物流向靠近且与流向垂直的一边。