專利名稱：自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自由液面波高測量方法，尤其是涉及一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法。對于自由液面波高通常采用浪高儀測量，但是浪高儀不僅干擾液面，而且無法測量幅度較小的波動，同時作為單點(diǎn)測試方法，無法獲得瞬時表面整場波形。對于液面微幅波動，常用激光方法進(jìn)行測量，包括聲光衍射方法、激光投射成像法、激光干涉法、激光斜率掃描法、激光相位速度掃描法和激光全息法，但是這些方法在原理和設(shè)備上都較為復(fù)雜，應(yīng)用靈活性差，測量的成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本申請人針對上述的問題，進(jìn)行了研究改進(jìn)，提供一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，設(shè)備簡單，操作方便，應(yīng)用靈活性高，測量成本低。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，在試驗室槽體底面設(shè)置一基準(zhǔn)圖像，利用相機(jī)或者數(shù)字式CCD在液面上方垂直向下拍攝水下基準(zhǔn)圖像在液面波動前后的圖像，將波動前靜水圖像作為第一幀圖像，將液面波動后圖像作為第二幀圖像，利用粒子圖像測速技術(shù)互相關(guān)分析獲得液面波動后圖像的扭曲變形量，通過扭曲變形量計算獲得自由表面整場的波傾值，通過波傾值的數(shù)值積分獲得自由液面表面的波幅。進(jìn)一步的
所述基準(zhǔn)圖像由固定間距的網(wǎng)格線及隨機(jī)生成的斑點(diǎn)構(gòu)成。所述波傾值為
式中r為相對折射率； J為圖像扭曲量；
I為圖像放大率，即網(wǎng)格線實際間距與靜水圖像中網(wǎng)格線間距的比值； L為水深。本發(fā)明的技術(shù)效果在于
本發(fā)明公開的一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，針對試驗室環(huán)境下自由液面極小幅度的波動提供一種簡單有效的整場測量手段，可以同時獲得瞬時的整場波動，設(shè)備簡單，操作方便，應(yīng)用靈活性高，測量成本低。


圖1為本發(fā)明的實施示意圖。
背景技術(shù)：
圖2為基準(zhǔn)圖像。圖3為本發(fā)明的光學(xué)原理圖。圖4為利用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)互相關(guān)分析獲得的圖像扭曲量圖。圖5為表面橫波整場波幅測量值。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本實施例使用本發(fā)明的方法測量水表面受輕微擾動產(chǎn)生的整場表面波形，本實施例的水面波形為微幅的橫波。具體實施按照以下步驟
1)如圖1，在實驗室槽體1底部放置一基準(zhǔn)圖像2，本實施例中采用的基準(zhǔn)圖像如圖2， 基準(zhǔn)圖像由固定間距的網(wǎng)格線及隨機(jī)生成的白斑點(diǎn)構(gòu)成，網(wǎng)格線用于物象關(guān)系標(biāo)定，通過網(wǎng)格線的實際間距和在圖像中的間距確定物像放大倍率；隨機(jī)斑點(diǎn)用于圖像扭曲計算，本實施例中隨機(jī)斑點(diǎn)為利用Matlab程序產(chǎn)生50萬個位置隨機(jī)、直徑隨機(jī)(1 10像素)圓斑點(diǎn)數(shù)字圖像，然后打印成為紙質(zhì)基準(zhǔn)圖像?；迷陟o水情況下，利用數(shù)字式CCD相機(jī)3垂直向下拍攝水下基準(zhǔn)圖像，生成第一幀圖像。3)在存在液面表面擾動的情況下，利用數(shù)字式CCD相機(jī)3垂直向下拍攝水下基準(zhǔn)圖像，生成第二幀圖像。4)將波動前靜水狀態(tài)拍攝的圖像作為第一幀圖像，將液面波動后拍攝的像作為第二幀圖像，利用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)互相關(guān)分析可以獲得圖像中對應(yīng)位置處的圖像位移，該位移即為圖像中對應(yīng)位置處的扭曲量(見圖4)，進(jìn)行互相關(guān)分析可采用商業(yè)PIV 軟件(如TSI INSIGHT、Lavision DaVis等)，也可以采用Matlab自行編寫，本例中采用 TSI INSIGHT軟件進(jìn)行分析，通過互相關(guān)分析后可獲得第二幀圖像相對于第一幀圖像位置的扭曲量。5)利用以下公式通過圖像扭曲量換算得到表面波傾值(tan〃)(表面波斜率)
t:ill Γ Y啡
γ小+ (}Md/Lf -
式中r為相對折射率，本實施例中為水和空氣界面，折射率為1. 333 ；
J為圖像扭曲量，通過步驟4)中互相關(guān)分析得到； I為圖像放大率，即網(wǎng)格線實際間距與靜水圖像中網(wǎng)格線間距的比值，靜水圖像中網(wǎng)格線間距可從圖像中量取；
Z為水深。本公式通過圖3光學(xué)原理圖推導(dǎo)得到。逐點(diǎn)將每一位置的圖像扭曲量d代入公式可計算獲得測試區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的波傾值。6)通過步驟5，可以獲得測試區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的波動的波傾值(即表面波斜率)，在測試區(qū)域內(nèi)選定一點(diǎn)作為波高零值參考點(diǎn)，從該點(diǎn)出發(fā)在測試區(qū)域內(nèi)對波傾值進(jìn)行數(shù)值積分，即可獲得表面的整場波幅(見圖5)，本實施例中采用Matlab編程實現(xiàn)數(shù)值積分。
權(quán)利要求
1.一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，其特征在于在試驗室槽體底面設(shè)置一基準(zhǔn)圖像，利用相機(jī)或者數(shù)字式CCD在液面上方垂直向下拍攝水下基準(zhǔn)圖像在液面波動前后的圖像，將波動前靜水圖像作為第一幀圖像，將液面波動后圖像作為第二幀圖像，利用粒子圖像測速技術(shù)互相關(guān)分析獲得液面波動后圖像的扭曲變形量，通過扭曲變形量計算獲得自由表面整場的波傾值，通過波傾值的數(shù)值積分獲得自由液面表面的波幅。
2.按照權(quán)利要求1所述的自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，其特征在于所述基準(zhǔn)圖像由固定間距的網(wǎng)格線及隨機(jī)生成的斑點(diǎn)構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，其特征在于所述波傾值為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自由液面表面微幅波三維重構(gòu)方法，其特征在于在試驗室槽體底面設(shè)置一基準(zhǔn)圖像，利用相機(jī)或者數(shù)字式CCD在液面上方垂直向下拍攝水下基準(zhǔn)圖像在液面波動前后的圖像，將波動前靜水圖像作為第一幀圖像，將液面波動后圖像作為第二幀圖像，利用粒子圖像測速技術(shù)互相關(guān)分析獲得液面波動后圖像的扭曲變形量，通過扭曲變形量計算獲得自由表面整場的波傾值，通過波傾值的數(shù)值積分獲得自由液面表面的波幅。本發(fā)明針對試驗室環(huán)境下自由液面極小幅度的波動提供一種簡單有效的整場測量手段，可以同時獲得瞬時的整場波動，設(shè)備簡單，操作方便，應(yīng)用靈活性高，測量成本低。
文檔編號G01F23/292GK102279032SQ201110086870
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者張國平, 陸林章 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所