一种激光粒子图像速度粒度实时同场测量技术查询系统的开发

作者:朱立祺;黄成杰;田志松;吴志军 刊名:应用激光 上传者:梁宝群

【摘要】本文开发了一个新型的粒子图像速度粒度场仪(PIVS)查询系统,提出了一条新的PIVS配对前预处理思路。该查询系统以DPIV粒子图像为处理对象,结合图像处理技术,采用灰度频数统计法及灰度差分法分别获取速度和粒径信息,实现了速度粒度的同场测量,并利用模拟粒子图像对基于灰度差分法查询算法进行了图像检验。检验结果表明,该查询算法能很好的处理各种模拟图像,并且有很高的计算精度及良好的运算效率。

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在燃油喷雾研究中,通常希望在在测得燃油雾滴的全流场速度的同时获得其几何尺寸。传统的Plv技术因为只能获得速度信息;相位多普勒技术PD以(PhaseDoPPlerp耐eleAnalyzer)虽然可同时测得速度和粒径信息,但它是单点技术,也无法实现全流场瞬时测量’,z];多脉冲激光全息照像可以实现全流场速度粒度的同时测量,但全息照像系统复杂、条件苛刻,实际应用有很大困难’]。鉴于燃油喷雾特性研究中对测试技术全流场,实时性的要求,本文作者曾利用两次激光脉冲能量差异,开发出了基于灰度判别法的胶片式PIV实验装置,成功的解决了传统的自相关运算中普遍存在的速度方向二义性问题民,。在此基础上,随着DPIv技术的发展,本文作者还提出了一种基于DPIv技术的粒子速度粒度实时同场测量新技术粒子图像速度粒度场仪(PlvS)6],并成功开发出了一套基于声光调制技术的Plvs成像系统[,]。该成像系统利用数字同步脉冲发生器驱动声光调制器和CMOS相机同步工作,产生了光强、脉冲宽度和间隔均可调的片光源,用于PIVS自相关粒子图像的拍摄;而PIVS的查询系统,在测速方面借鉴了PW技术原理,采用的是基于灰度统计判别的自相关技术,在粒径测量方面采用的则是图像处理技术,测得粒子像点的像素面积和等效直径,但是存在标定困难及测量误差大等缺点。原有的PlvS查询软件在进行灰度统计频数粒子配对运算前的预处理环节中,虽然针对模拟图像的处理结果十分理想,但对于背景存在噪声的实际PIVS实验图像,如果按原有PIVS软件流程进行配对前预处理,效果不是很理想。PIVS查询软件的配对前预处理是十分重要的,它是PIVS算法进行粒子两次曝光像点面积扫描、自相关配对、以及粒度计算等后续处理能够得出正确结果的前提和基础性环节。为此,必须对原PIVS查询软件的算法流程进行重新设计,使查询软件的配对前预处理部分不仅适用于处理模拟的二次曝光自相关图像,亦能对于实拍的PIVS实验图像取得良好效果。本文在原有PIVS技术原理的基础之上,改进了PIVS查询算法。提出了一条新的PIVS配对前预处理思路,该思路对于模拟图像和实拍的PlvS二次曝光自相关实验图像均能取得良好的处理效果;本文还采用了一种利用灰度差分法测量粒度的新方法,该方法在原理上可以测量并获得粒子的真实直径,同时还具有标定简单、过滤了系统影响因素等特点。本文还根据新的配对前预处理思路,结合灰度差分法,重新设计了算法流程,开发了了新的PlvS查询软件。并用模拟图像对用灰度差分法计算粒子真实直径的查询算法进行了有效性检验。PIVS配对前预处理本文提出的PIVs查询软件的算法流程如图1所示。其中流程O一流程6我们称之为PlvS配对前预处理。关于PIVS技术的基本原理,本文不再赘述,请查阅相关文献卜7。为了克服原PIVS查询算法对于背景存在噪声的实拍PIVS图像进配对前预处理时效果不理想的缺陷,本文提出了如下的配对前预处理思路:l)读人原始的PIVS实验图像A,并对其进行边缘检测运算:读人的原始粒子二次曝光实验图像为256级灰度图像,进行边缘检测运算之后,输出一幅二值图像B,如下图2一2。被检测出的粒子边缘像素点,其灰度值被置1,而粒子内部点及背景像素点的灰度值被置0。从图2一2中我们还可以看出,被检测出的所有粒子边缘都是封闭的,而进行了边缘检测运算之后,除了检测出了全部的封闭粒子边缘,另有极少部分呈裂纹状的非封闭边缘也被检测出来了,这是由于实拍的PIVS实验图片存在背景噪声及采用不同的边缘检测算子所致。对大区域PIVS实验图像做边缘检测运算所得到的裂纹状非封闭边缘局

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