延时光流法矿井巷道风速和三维流场测量机理研究

Mine ventilation is the basis of mine safety production. Optimization of ventilation system relies on accurate wind speed measurement. According to the practical situation of mine field, a new mine-used wind speed measurement method is proposed in this project, on account of time-delay optical flow approach. The method regards floating dust particles in mine field as measuring dielectric, records a single optical flow picture caused by particle displacement using delayed exposure technique and measures wind speed and two-dimensional projection of gas flow. Combined with the principle of binocular machine vision, a three-dimensional wind speed and flow field measuring system is designed, in which delayed optical projection images of two different directions are obtained and method of epipolar constrain in space geometry are applied in high-efficient and accurate matching of high-density optical flow points. Thus, three-dimensional coordinate information and three-dimensional movement information of optical flow points in space can be acquired, thereby obtaining other parameters as three-dimensional wind speed and air flow. Afterwards, the designed system is planned to be set up and experiments to be conducted in standard flow field of wind tunnel. By means of theoretical model, numerical simulation and experimental comparing, the performance of the system can be evaluated and optimized under different wind speeds and different particle sizes. The project is expected to construct a set of new measurement theory of wind speed and three-dimensional flow field and supply a new method for mine ventilation management.

矿井通风是煤矿安全生产的基础，矿场通风系统的优化，离不开精准的风速测量。项目结合矿场实际情况，提出基于延时光流法的矿用风速测量新方法，该方法以矿场中漂浮的粉尘颗粒为测量介质，通过延时曝光技术，把颗粒位移带来的光流以单张图片的形式记录下来，实现风速和气体流动的二维投影测量。结合双目机器视觉原理，设计三维风速和流场测量系统，在两个方向获得延时光流法投影图像，把空间立体几何极线约束方法应用于高密度光流点的高效准确匹配中，实现空间光流点三维坐标信息和三维运动信息准确获取，从而获得三维风速和气体流动等被测参数信息。搭建延时光流法三维风速和流场测量系统，在风洞标准流场中进行实验研究，通过理论模型、数值仿真和实验对比等方法对系统在不同风速、不同介质粒径等情况下进行性能评估和优化。项目有望建立一套矿内风速和三维流场测量新理论，为矿场通风管理提供一种新的风速测量手段。

矿井通风是煤矿安全生产的基础，提高矿井的通风技术与管理水平是保证矿井正常生产和安全状况的基本任务之一。矿场通风系统的优化，离不开精准的风速测量。因此项目在传统光流法的基础上，提出一种适合颗粒运动测量的延时光流法，通过延长曝光时间，获得颗粒的光流轨迹，实现颗粒运动的快速测量，从而获得矿道气体流动信息。主要研究内容如下：1. 研究基于延时光流法的矿内风速测量机理，以矿道内弥漫的粉尘随风运动这一特性为纽带，通过测量矿内粉尘的运动轨迹和运动速度，实现矿内风速的测量。光流法是利用连续图片获得物体运动轨迹、速度或运动场的方法，项目在光流法的基础上引入延时的设想，利用图片成像曝光时间的控制和图片多次曝光技术，获得粉尘颗粒的运动轨迹和速度信息。2.设计延时光流法矿内风速及三维流场测量方案。通过光场相机，以不同角度对颗粒进行成像，实现矿道中颗粒的成像与采集，实现矿道中颗粒位置的三维定位。分析系统布局参数对风速及三维流场测量的影响，确定多向投影尺寸，CCD 像素及镜头调焦范围及口径，搭建测量系统，并对系统的性能参数进行评价，包括系统的三维定位分辨率及精度、风速测量精度等。3.提出基于优化乘法代数重建算法的三维颗粒定位方法。深入研究空间中三维颗粒的光场成像模型，通过建立光线追踪矩阵确定颗粒在光场相机中的成像模型；根据乘法代数重建算法确定颗粒的三维位置，对重建算法中权重矩阵的计算方法进行优化，提高了颗粒图像的重建速度。4.延时光流法测量实验及测量系统性能评价与优化。构建延时光流法风速及三维流场测量系统，开展流场测量实验研究，研究颗粒粒径等因素对测量结果的影响。并对延时光流法风速及三维流场测量系统的测量精度、测量空间尺度及精度等性能进行评价。项目建立光流法矿用风速及三维流场测量方法，形成单相机气体流动三维测量的关键技术，为矿道内风速的实时准确测量及空气三维流形分析提供有效的方法。