本發(fā)明屬于多相流測試領(lǐng)域，特別涉及一種管道內(nèi)周向液膜特征的光學(xué)畸變校正和測量方法。

背景技術(shù)：

對于管道內(nèi)氣液兩相流，當(dāng)氣相占據(jù)管道截面中心，而液相附著于管道內(nèi)壁流動時，稱為氣液環(huán)狀流。環(huán)狀流具有較寬的氣、液相流速范圍，而且液膜流動消耗少，熱質(zhì)交換能力強，廣泛存在于石油、化工、水利、能源、冶金、核工業(yè)等國民經(jīng)濟重要的工業(yè)生產(chǎn)過程、系統(tǒng)和裝備中。對于管道內(nèi)液膜重要的特征參數(shù)，如液膜厚度及其分布、波速、液膜與管壁間剪切應(yīng)力等的準(zhǔn)確測量具有非常重要的意義。在高流速下，由于液霧以及氣液相間的相互作用，液膜流動呈現(xiàn)非軸對稱性，除了沿液膜流動方向的管道軸向液膜流動結(jié)構(gòu)，解析管道圓周截面上的液膜流動特征和流動結(jié)構(gòu)具有更為重要的研究意義。

典型的管道內(nèi)液膜流場測試方法，如基于電導(dǎo)探針的測量方法僅能探測其附近的信號，且具有平均效應(yīng)，在液膜厚度較大時，信號靈敏度會降低，即使采用多電導(dǎo)電極陣列，對于隨時空高速變化的動態(tài)液膜而言，仍然難以獲得足夠高的時空分辨率。平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)是一種具有原理優(yōu)勢的流場診斷方法，具有非侵入、高時空分辨率、場測量以及可視化的突出優(yōu)勢，已成為環(huán)狀流和液膜研究的前沿和熱點。該方法是采用接近熒光物質(zhì)最大吸收波長的激光作為激發(fā)光源，照射空間流場某一截面，誘導(dǎo)溶于液相中的熒光分子發(fā)出熒光，利用高速攝像機獲取熒光圖像并進(jìn)行診斷的一種先進(jìn)光學(xué)診斷方法。

針對基于PLIF的液膜流動測試，由于管道以及氣液相折射率的差異，以及管道彎曲形狀所帶來的影響，攝取到的液膜圖像難免失真，采集計算得到的實際液膜厚度大于原始液膜厚度。目前為了克服管道內(nèi)液膜光路畸變和失真帶來的影響，使其易于診斷，一般會建立矩形管道，或通過折射率匹配的方法，即在圓管外安裝方形管道，其間充滿折射率相近的工作液體來進(jìn)行光路補償，這種基于外加結(jié)構(gòu)的折射率匹配方法增加了測量的復(fù)雜性，在有些場合也難以實現(xiàn)。因此，如何實現(xiàn)管道內(nèi)液膜特征的普適性、高精度測量成為具有突破性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種基于靶標(biāo)校準(zhǔn)的管道內(nèi)周向液膜光學(xué)畸變校正和測量方法，不依賴于管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,即使在圓管外不加方形水套也可以實現(xiàn)周向液膜特征的非侵入、高精度測量與分析。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，管道內(nèi)周向液膜特征光學(xué)畸變校正與測量方法，步驟如下：

1)、設(shè)計適用于管道內(nèi)周向液膜測量的圓形校準(zhǔn)靶標(biāo)，采集液相工質(zhì)條件下待測周向截面的靶標(biāo)畸變圖像，提取靶標(biāo)畸變圖像上的特征點；

2)、將靶標(biāo)畸變圖像與理想靶標(biāo)圖像上的特征點進(jìn)行匹配，基于多項式函數(shù)建立原始圖 像與畸變圖像特征點之間的映射數(shù)學(xué)模型；

3)、調(diào)整片狀激光，使其水平照亮靶標(biāo)平面處的管道橫截面，激發(fā)溶解有特定熒光溶劑的軸向液膜產(chǎn)生熒光，利用高速攝像機攝取圓管內(nèi)周向液膜的雙視角熒光圖像；

4)、將采集的液膜原始圖像進(jìn)行灰度化、差影及濾波預(yù)處理，并基于映射數(shù)學(xué)模型對預(yù)處理后的液膜圖像進(jìn)行畸變校正，具體分為兩步，一是對原畸變圖像與畸變校正后圖像進(jìn)行映射變換，二是基于灰度插值確定畸變校正后圖像的灰度值；

5)、將畸變校正后的雙視角圖像中心位置重合，并對攝取的左、右半周液膜圖像有效部分進(jìn)行融合，準(zhǔn)確還原周向液膜的流動狀態(tài)，以便提取周向液膜特征，并進(jìn)一步分析管道內(nèi)液膜的演化特性及傳熱傳質(zhì)特性。

靶標(biāo)設(shè)計為圓形，直徑為管道內(nèi)徑2倍，靶標(biāo)特征由距離靶心不同遠(yuǎn)近的圓點組成，位于靶心的中心圓點直徑為1mm，距離其最近且與豎直方向夾角分別為0°、90°、180°及270°處分別排列4個小圓點，直徑為0.25mm，將管道中心作為投影基準(zhǔn)，其余圓點按橫向與縱向間距1.5mm依次排列，直徑為0.5mm，，根據(jù)雙視角周向液膜的分布特性，采用單臺高速攝像機和折光分光光路虛擬兩臺高速攝像機，將靶標(biāo)平面置于片狀激光照亮的待測圓周截面位置上，在管道內(nèi)加注液相；

將靶標(biāo)的圓點質(zhì)心作為待提取特征點，根據(jù)光路分析，圓管內(nèi)靶標(biāo)中心區(qū)域的光路畸變最小，因此可以將中心區(qū)域處4個小圓點的位置關(guān)系作為已知條件，對靶標(biāo)畸變圖像進(jìn)行灰度化、差影、濾波以及閾值分割，提取各圓點特征的質(zhì)心及面積，根據(jù)面積屬性獲取靶標(biāo)中心位姿關(guān)系，并利用已知4個小圓點與中心點之間的位置關(guān)系，由近及遠(yuǎn)依次推導(dǎo)出其余圓點的質(zhì)心坐標(biāo)，建立理想靶標(biāo)圖像，并得到其特征點坐標(biāo)及其位姿關(guān)系，根據(jù)畸變靶標(biāo)圖像與理想圖像特征點之間的畸變投影關(guān)系匹配特征點，基于多項式函數(shù)建模的方法得到畸變校正的數(shù)學(xué)模型，其原理如下：

設(shè)p(u,v)為理想圖像，p(x,y)為對應(yīng)畸變的圖像，兩者的特征點坐標(biāo)存在非線性對應(yīng)關(guān)系F，即

(x,y)＝F(u,v) (1)

上式可用多項式模型來近似，即

式中，a_ij和b_ij為待定系數(shù)，n為多項式次數(shù)。通過特征點匹配獲得多組匹配對，基于最小二乘擬合得到式(2)中多項式系數(shù)。

進(jìn)一步地，基于靶標(biāo)校正后，利用激光照射該橫截面流場，采用高速攝像機攝取并對畸變的液膜熒光圖像進(jìn)行校正處理，即對圖像上每一坐標(biāo)值(u,v)進(jìn)行變換F，得到在畸變圖像上的對應(yīng)坐標(biāo)(x,y)，在獲得畸變圖像與校正圖像坐標(biāo)之間的變換關(guān)系后，采用灰度插值法，確定校正后圖像灰度值。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明方法通過基于靶標(biāo)的畸變校正方法，結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，實現(xiàn)了圓管內(nèi)周向液膜的光學(xué)畸變校正與高精度可視化測量。該方法突破了傳統(tǒng)測量手段必須建立矩形管 道，或通過折射率匹配(在圓管外安裝方形透明管，其間充滿折射率相近的工作液體)進(jìn)行光路補償?shù)木窒扌?，基于畸變校正?shù)學(xué)模型實現(xiàn)了管道內(nèi)周向液膜的高精度、普適性測量，為后續(xù)氣液環(huán)狀流中液膜流動結(jié)構(gòu)及演化特性分析奠定了堅實基礎(chǔ)。

附圖說明：

圖1為管道內(nèi)周向液膜流動特征不同測量方法示意圖(以豎直管道為例)。圖中，(a)為傳統(tǒng)折射率匹配方法示意圖，(b)為本發(fā)明測量方法示意圖。

圖2為設(shè)計的校準(zhǔn)靶標(biāo)與高速攝像機采集的靶標(biāo)圖像。圖中，(a)為設(shè)計的靶標(biāo)樣式及局部放大圖，(b)為實際采集的靶標(biāo)圖像。

圖3為管道內(nèi)周向液膜畸變校正前與畸變校正后的圖像。圖中，(a)為畸變校正前的周向液膜圖像(預(yù)處理后)，(b)為畸變校正后的液膜圖像，(c)為左右視角融合后的液膜圖像。

具體實施方式

本方法適用于環(huán)狀流圓管內(nèi)周向液膜特征的光學(xué)畸變校正和測量，同樣也適用于其他流型或降膜圓管內(nèi)周向液膜特征的光學(xué)畸變校正和測量。

針對圓管內(nèi)周向液膜，本發(fā)明通過基于靶標(biāo)的光學(xué)畸變校正，結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，實現(xiàn)了周向液膜特征的光學(xué)畸變校正與高精度測量。設(shè)計了新型圓形校準(zhǔn)靶標(biāo)，基于靶標(biāo)建立畸變圖像與真實圖像之間的變換關(guān)系，并通過液膜圖像預(yù)處理、畸變校正及圖像融合，即使不采用方形管道或增加水套裝置，仍然可以有效重建管道內(nèi)液膜圖像，進(jìn)而高精度地提取周向液膜時空流動特征。

具體校正及測量方法如下：

1、設(shè)計適用于管道內(nèi)周向液膜測量的圓形校準(zhǔn)靶標(biāo)，采集液相工質(zhì)條件下待測周向截面的靶標(biāo)畸變圖像，提取靶標(biāo)畸變圖像上的特征點；

2、將靶標(biāo)畸變圖像與理想靶標(biāo)圖像上的特征點進(jìn)行匹配，基于多項式函數(shù)建立原始圖像與畸變圖像特征點之間的映射數(shù)學(xué)模型；

3、調(diào)整片狀激光，使其水平照亮靶標(biāo)平面處的管道橫截面，激發(fā)溶解有特定熒光溶劑的軸向液膜產(chǎn)生熒光，利用高速攝像機攝取圓管內(nèi)周向液膜的雙視角熒光圖像；

4、將采集的液膜原始圖像進(jìn)行灰度化、差影及濾波等預(yù)處理，并基于映射數(shù)學(xué)模型對預(yù)處理后的液膜圖像進(jìn)行畸變校正，具體分為兩步，一是對原畸變圖像與畸變校正后圖像進(jìn)行映射變換，二是基于灰度插值確定畸變校正后圖像的灰度值；

5、將畸變校正后的雙視角圖像中心位置重合，并對攝取的左、右半周液膜圖像有效部分進(jìn)行融合，準(zhǔn)確還原周向液膜的流動狀態(tài)，以便提取周向液膜特征，并進(jìn)一步分析管道內(nèi)液膜的演化特性及傳熱傳質(zhì)特性等。

本發(fā)明一種基于靶標(biāo)校準(zhǔn)的管道內(nèi)周向液膜流動參數(shù)光學(xué)畸變校正和測量方法，其獨特之處在于：不依賴于管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,對于圓形管道而言，即使不外加方形水套也可以實現(xiàn)周向液膜厚度、分布等流動特征的無擾、準(zhǔn)確測量和分析，對于非軸對稱氣液環(huán)狀流流動結(jié)構(gòu)和流動特性的研究而言尤為重要。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

圖1所示為管道內(nèi)周向液膜的不同測量方法示意圖。以豎直管道內(nèi)環(huán)狀流液膜為例，圓形管道內(nèi)為被熒光劑(如羅丹明B)染色后的液膜，激光平面水平照射管道內(nèi)液膜流場，兩臺高速攝像機分別從兩個視角獲取液膜左、右半周液膜圖像并進(jìn)行處理。由于管道以及氣液相折射率的差異，以及管道彎曲形狀所帶來的影響，管道內(nèi)液膜會產(chǎn)生光路畸變和失真，傳統(tǒng)的測量方法需要在圓管外安裝方形透明管段，其間充滿折射率相近的工作液體(如水，其折射率n＝1.33)來進(jìn)行光路補償，如圖1(a)所示。本發(fā)明方法基于靶標(biāo)校準(zhǔn)建立畸變圖像與真實圖像之間的關(guān)系，不加裝方形水套也可以實現(xiàn)周向液膜特征的準(zhǔn)確測量，如圖1(b)所示。

圖2所示為設(shè)計的靶標(biāo)樣式及高速攝像機采集得到的靶標(biāo)圖像。靶標(biāo)設(shè)計為圓形，直徑為管道內(nèi)徑2r。為了方便、快速、準(zhǔn)確地提取特征進(jìn)行投影變換，設(shè)計靶標(biāo)如圖2(a)所示。靶標(biāo)特征由距離靶心不同遠(yuǎn)近的圓點組成，中心圓點直徑為1mm，距離其最近且與豎直方向夾角分別為0°、90°、180°及270°處分別排列4個小圓點，直徑為0.25mm，如圖2(a)中放大圖所示，由于管道中心處畸變較小，可將其作為投影基準(zhǔn)，其余圓點按橫向與縱向間距1.5mm依次排列，直徑為0.5mm。根據(jù)雙視角周向液膜的分布特性，為了嚴(yán)格同步及有效利用高速攝像機視場，采用單臺高速攝像機和折光分光光路虛擬兩臺高速攝像機，將靶標(biāo)平面置于片狀激光照亮的待測圓周截面位置上，在管道內(nèi)加注液相，攝取的雙視角靶標(biāo)圖像如圖2(b)所示。從圖中可以看出，由于管道形狀及不同折射率的影響，靶標(biāo)圖像產(chǎn)生了明顯的畸變，中心區(qū)域畸變較小，靠近管道處畸變較大。

將靶標(biāo)的圓點質(zhì)心作為待提取特征點，根據(jù)光路分析，圓管內(nèi)靶標(biāo)中心區(qū)域的光路畸變最小，因此可以將中心區(qū)域處4個小圓點的位置關(guān)系作為已知條件。對靶標(biāo)畸變圖像進(jìn)行灰度化、差影、濾波以及閾值分割等，提取各圓點特征的質(zhì)心及面積，根據(jù)面積屬性獲取靶標(biāo)中心位姿關(guān)系，并利用已知4個小圓點與中心點之間的位置關(guān)系，由近及遠(yuǎn)依次推導(dǎo)出其余圓點的質(zhì)心坐標(biāo)。建立理想靶標(biāo)圖像，并得到其特征點坐標(biāo)及其位姿關(guān)系，根據(jù)畸變靶標(biāo)圖像與理想圖像特征點之間的畸變投影關(guān)系匹配特征點，基于多項式函數(shù)建模的方法得到畸變校正的數(shù)學(xué)模型，其原理如下：

設(shè)p(u,v)為理想圖像，p(x,y)為對應(yīng)畸變的圖像，兩者的特征點坐標(biāo)存在非線性對應(yīng)關(guān)系F，即

(x,y)＝F(u,v) (1)

上式可用多項式模型來近似，即

式中，a_ij和b_ij為待定系數(shù)，n為多項式次數(shù)。通過特征點匹配獲得多組匹配對，基于最小二乘擬合得到式(2)中多項式系數(shù)，為了滿足計算量與畸變校正精度的需求，多項式次數(shù)n一般取5。

基于靶標(biāo)校正后，利用激光照射該橫截面流場，采用高速攝像機攝取并對畸變的液膜熒光圖像進(jìn)行校正處理，即對圖像上每一坐標(biāo)值(u,v)進(jìn)行變換F，得到在畸變圖像上的對應(yīng)坐標(biāo)(x,y)。在獲得畸變圖像與校正圖像坐標(biāo)之間的變換關(guān)系后，采用灰度插值法確定校正后圖 像灰度值，

圖3為采用本發(fā)明方法采集得到的周向液膜原始圖像以及畸變校正后的圖像。其中，圖3(a)為基于PLIF攝取的環(huán)狀流圓管內(nèi)周向液膜雙視角圖像，并經(jīng)過了灰度化、差影及中值濾波等圖像預(yù)處理。從圖中可以看出，由于光路畸變的影響，攝取的液膜圖像產(chǎn)生了很大的畸變。基于畸變校正數(shù)學(xué)模型對圖3(a)進(jìn)行處理，得到畸變校正后的液膜圖像，如圖3(b)所示。從圖中可以看出，基于靶標(biāo)的光學(xué)畸變校正方法可以很好地對管道內(nèi)液膜畸變進(jìn)行逆變換，從而有效地去除由于圓形管道及不同折射率所帶來的畸變影響。將畸變校正后的雙視角圖像中心位置重合，并對圖像中液膜有效部分進(jìn)行邏輯“與”運算，融合后的周向液膜圖像如圖3(c)所示，準(zhǔn)確還原了周向液膜的流動結(jié)構(gòu)。

基于靶標(biāo)校準(zhǔn)后的周向液膜圖像，可以有效還原管道內(nèi)周向液膜流動分布，準(zhǔn)確獲取周向液膜厚度及分布，進(jìn)而獲得液膜時空統(tǒng)計特征及波動特征。該發(fā)明為科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域中實現(xiàn)管道內(nèi)液膜的準(zhǔn)確、普適測量，深入認(rèn)識液膜演化及傳熱傳質(zhì)特性，以及氣液環(huán)狀流流動特性等提供了新的技術(shù)途徑，有力推動了兩相/多相流動測試和流動理論的發(fā)展。