基于单相机混合模糊成像的三维流场测量方法研究

Study of 3D flow field measuring approach is valuable to both science research and engnieering application. Especailly measurement of the micro-scale flow raises a wide concern in present mass and heat transfer researches. The most important in-situ method in flow field measurement is based on image, typically such as widely used particle image velocimetry (PIV). The current methods to obtain the information of 3D flow field mainly are scanning, stereoscopic and holographic methods. But with the costly instrumentation those methods are not only diffcult to opreation but also complex in image process. The method based on a single camera develops a new direction for research of flow field measurement. This proposal describes a novel approach for measuring 3D flow field based on mixing blurred images from a single camera, which is different from conventional method to obtain the particle information through clear images. This approach uses a CCD camera to capture the both defocus blurred and motion blurred images. With comprehensively identifying the blur parameters, the particle spatial position as well as motion velocity can be derived and extended to obtain a 3D flow field. This suggested approach only needs a single camera, which greatly simplifies flow measurement system and suits the laboratory research, industry site application, as well as some suituation unreachable by PIV.

对三维流场测量方法的研究在科学与工程技术领域上都具有十分重要的意义，尤其是微尺度流动的测量，目前在传热传质研究中受到极大关注。图像法是流场在线测量的重要方法，以应用广泛的粒子成像测速(PIV）法为典型代表。已有的三维流场信息获取方法主要有扫描法、体视法和全息法，但基于上述方法的仪器不仅价格十分昂贵，操作要求也非常高，图像后处理过程复杂。基于单相机的测量方法开拓了流场测量研究的新方向。与常规的通过清晰成像获取粒子信息的方法不同，本申请提出研究基于单相机混合模糊成像的三维流场测量新方法，利用CCD相机的模糊成像特性拍摄同时存在离焦模糊与运动模糊的流场图像，研究模糊参数综合识别方法，以获取颗粒空间位置和三维运动速度等信息，进而得到三维流场。基于该方法的测量装置只需一台相机，可极大简化流场测量系统，能够应用于实验室、工业现场以及目前PIV等无法测量的一些场合。

三维流场测量方法的研究具有重要的科学意义和工程实用价值。图像法是流场在线测量的重要方法，以应用广泛的粒子成像测速（PIV）法为典型代表。已有的三维流场信息获取方法主要有扫描法、体视法和全息法，但目前PIV仪器基本依靠进口，且价格十分昂贵，三维测量仍是目前研究的重点。本项目提出基于单相机模糊成像的三维流场测量方法，利用CCD相机的模糊成像特性拍摄存在离焦模糊与运动模糊的流场图像，研究模糊参数综合识别方法，以获取颗粒空间位置和三维运动速度等信息，进而得到三维流场。.首先，建立了图像运动模糊与颗粒速度关系模型，将延长曝光与多曝光方法相结合，解决了速度二义性问题，并将该方法用于圆管淹没射流的卷吸结构进行了图像可视化研究。其次，探讨了颗粒大小、图像离焦模糊程度与颗粒空间位置的关系，建立了颗粒粒径-边缘灰度梯度-离焦距离数据库，实现粒径修正，用于管道内液滴或煤粉颗粒等粒径、速度、浓度和流量颗粒相流动参数的测量。再次，提出了采用双CCD的工业相机以解决离焦二义性的方法，并基于离焦测距的光学成像原理，采用仿真手段证明了该方法的可行性；建立了一套基于混合模糊成像的单镜头双图像传感器三维流场测量装置，通过调节两个图像传感器与镜头之间的相对距离获得同一颗粒两张不同离焦量的图像，由此获得三维位置信息；采用该装置对静止的颗粒样品进行三维定位测量，分析了方法和装置的测量误差和精度。.研究提出了利用模糊图像信息采用单镜头获取三维位置的原理和新方法，并证明了该方法的可行性，基于该方法的测量装置实际上只需一台双CCD的工业相机，而双CCD的工业相机已是商业化的产品（如JAI公司的双CCD相机），只需对其中的CCD位置进行改变和调节即可实现上述方法的商业化，单镜头设计使系统使用灵活，操作简单，可极大简化流场测量系统，能够应用于实验室、工业现场以及目前PIV等无法测量的一些场合。.研究成果还包括：发表标注项目资助的论文12篇，其中SCI4篇，EI2篇；授权发明专利3项、实用新型专利1项；培养硕士研究生5名，已毕业2名；国际国内会议邀请报告各1次。