本發(fā)明屬于流場顯示領(lǐng)域，特別涉及一種背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的流場測量方法。

背景技術(shù)：

背景紋影技術(shù)是測量流體密度場的重要方法之一，測量系統(tǒng)和測量方法是影響背景紋影測量精度的重要因素。

目前，背景紋影技術(shù)所使用的背景板大多為打印出來的噪點圖背景和自然背景，這兩種背景板的使用都存在局限性。在光線較暗的情況下，這兩種系統(tǒng)拍出來的照片噪聲很大，嚴(yán)重影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了在光線差的情況下使用，需要增加額外光源，這使得測量系統(tǒng)變得復(fù)雜。自然背景除了不適于光線差的環(huán)境外，測量環(huán)境穩(wěn)定性也差，自然背景的任何風(fēng)吹草動都會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

此外，現(xiàn)有背景紋影技術(shù)多采用互相關(guān)算法，由于是通過求取迭代窗口的互相相關(guān)性獲得整個窗口的位移變化量，而不是某一個像素點的位移量，因此測量的精度不高。在進(jìn)行超高速流場顯示時還存在曝光時間過長，拍攝圖像出現(xiàn)運動殘影的問題，這也會嚴(yán)重影響測量精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的流場測量方法，適用于光線差的情況下，減少了測量中ccd相機(jī)的曝光時間，提高了測量精度。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)，包括led陣列背景板、ccd相機(jī)和單片機(jī)，其中l(wèi)ed陣列背景板用于提供流場的折射率變化信息；ccd相機(jī)用于采集沒有流場和有流場兩種情況下的led陣列背景板的圖像；單片機(jī)用來控制led燈的瞬間亮滅，所述led陣列背景板和ccd相機(jī)分別設(shè)置在流場的兩側(cè)，且led陣列背景板的中心、流場的中心以及ccd相機(jī)位于同一直線上。

所述led陣列背景板上led燈等間距排列。

基于該背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)的流場測量方法，包括如下步驟：

步驟1：搭建背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)：在流場兩側(cè)分別放置led陣列背景板和ccd相機(jī)，使得三者位于同一條直線上；

步驟2：采集參考圖像：在沒有流場的情況下，單片機(jī)控制led陣列背景板瞬間亮滅，同時ccd相機(jī)采集多幅led陣列背景板的圖像，該圖像即為參考圖像；

步驟3：采集測量圖像：在有流場的情況下，單片機(jī)控制led陣列背景板瞬間亮滅，同時ccd相機(jī)采集多幅led陣列背景板的圖像，該圖像即為測量圖像；

步驟4：根據(jù)參考圖像和測量圖像求取流場變化：分別求出參考圖像和測量圖像中各亮斑的重心坐標(biāo)，把對應(yīng)的亮斑重心坐標(biāo)相減得到所有亮斑的點位移，以顯示流場的變化。

所述步驟4的具體方法為：

步驟4.1：分別識別參考圖像和測量圖像中的連通域，即亮斑；

步驟4.2：計算各連通域的重心坐標(biāo)；

步驟4.3：設(shè)定距離閾值，并根據(jù)距離閾值匹配參考圖像和測量圖像的亮斑坐標(biāo)，使參考圖像和測量圖像的所有亮斑一一對應(yīng)；

步驟4.4：將參考圖像和測量圖像中各亮斑的重心坐標(biāo)相減，得到所有亮斑的點位移，以顯示流場的變化。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：1)本發(fā)明采用led陣列背景板，自身可以發(fā)光，能在沒有額外光源或者光線比較弱的情況下進(jìn)行流場測量；2)本發(fā)明減少了測量中ccd相機(jī)的曝光時間，有效地抑制了運動殘影，提高了測量精度；3)本發(fā)明通過點提取算法得到點位移，提高了測量精度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明流場測量的方法流程圖。

圖3為實施例1中采集的參考圖像和測量圖像，(a)為參考圖像，(b)為測量圖像。

圖4為實施例1中得到的點位移矢量圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示的背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)，包括led陣列背景板、ccd相機(jī)和單片機(jī)，其中l(wèi)ed陣列背景板用于提供流場的折射率變化信息；ccd相機(jī)用于采集沒有流場和有流場兩種情況下的led陣列背景板的圖像；單片機(jī)用來控制led燈的瞬間亮滅，所述led陣列背景板和ccd相機(jī)分別設(shè)置在流場的兩側(cè)，且led陣列背景板的中心、流場的中心以及ccd相機(jī)位于同一直線上。

所述led陣列背景板上led燈等間距排列。

如圖2所示，基于該背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)的流場測量方法，包括如下步驟：

步驟1：搭建背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)：在流場兩側(cè)分別放置led陣列背景板和ccd相機(jī)，使得三者位于同一條直線上；

步驟2：采集參考圖像：在沒有流場的情況下，單片機(jī)控制led陣列背景板瞬間亮滅，同時ccd相機(jī)采集多幅led陣列背景板的圖像，該圖像即為參考圖像；

步驟3：采集測量圖像：在有流場的情況下，單片機(jī)控制led陣列背景板瞬間亮滅，同時ccd相機(jī)采集多幅led陣列背景板的圖像，該圖像即為測量圖像；

步驟4：根據(jù)參考圖像和測量圖像求取流場變化：分別求出參考圖像和測量圖像中各亮斑的重心坐標(biāo)，把對應(yīng)的亮斑重心坐標(biāo)相減得到所有亮斑的點位移，以顯示流場的變化。

所述步驟4的具體方法為：

步驟4.1：分別識別參考圖像和測量圖像中的連通域，即亮斑；

步驟4.2：計算各連通域的重心坐標(biāo)；

步驟4.3：設(shè)定距離閾值，并根據(jù)距離閾值匹配參考圖像和測量圖像的亮斑坐標(biāo)，使參考圖像和測量圖像的所有亮斑一一對應(yīng)；

步驟4.4：將參考圖像和測量圖像中各亮斑的重心坐標(biāo)相減，得到所有亮斑的點位移，以顯示流場的變化。

實施例1

實施例1中，流場為熱風(fēng)槍噴射的流場。首先，按照圖1方式搭建背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)，在流場兩側(cè)分別放置led陣列背景板、ccd相機(jī)，使得三者位于同一條直線上。系統(tǒng)中l(wèi)ed陣列背景板到流場的距離zd＝1800mm，流場到ccd相機(jī)鏡頭的距離為za＝1550mm，ccd相機(jī)焦距為f＝35mm，led陣列背景板上相鄰的led燈間距為20mm。

然后，在沒有第三方光源的黑暗環(huán)境下進(jìn)行測量。圖3為沒有流場和有流場的情況下采集到參考圖像和測量圖像(參考圖像和測量圖像都分別采集了多幅，圖3只是分別給出了其中一幅)。利用點提取算法求取參考圖像和測量圖像中各亮斑的重心坐標(biāo)，并且通過距離閾值進(jìn)行匹配。距離閾值為13pixel，將參考圖像和測量圖像置于同一參考系，參考圖像和測量圖像中歐式距離小于距離閾值13pixel的兩個點是匹配的點。將匹配好的點繪制在同一圖像上，每對匹配點之間畫一個箭頭，箭頭指向測量圖像中的點，得到圖4所示的點位移矢量圖。根據(jù)對應(yīng)點坐標(biāo)可以求出參考圖像中每個點的點位移，經(jīng)計算得到：最大點位移為2.3780pixel，最小點位移為0pixel，平均點位移為0.7733pixel。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種背景紋影瞬態(tài)流場顯示系統(tǒng)，包括LED陣列背景板、CCD相機(jī)和單片機(jī)，其中LED陣列背景板用于提供流場的折射率變化信息；CCD相機(jī)用于采集沒有流場和有流場兩種情況下的LED陣列背景板的圖像；單片機(jī)用來控制LED燈的瞬間亮滅，所述LED陣列背景板和CCD相機(jī)分別設(shè)置在流場的兩側(cè)，且LED陣列背景板的中心、流場的中心以及CCD相機(jī)位于同一直線上。本發(fā)明還公開了該系統(tǒng)的流場測量方法。本發(fā)明系統(tǒng)和方法適用于光線差的情況下，減少了測量中CCD相機(jī)的曝光時間，提高了測量精度。

技術(shù)研發(fā)人員：宋旸;楊鵬飛;張磊;渠向舉;金瑩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.19
技術(shù)公布日：2017.09.01