全流場3d可視化測速方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微流場的全流場可視化測速方法，包括以下步驟：基于頻域光學相干層析技術建立微粒子跟蹤全流場可視化測速系統(tǒng)；對流體進行二維掃描，連續(xù)采集流體的干涉譜數據；基于傅立葉變換方法獲得流體三維圖像；利用局部灰度閾值和體積濾波方法搜索流場中各個微粒子，采用平方加權質心法求各個微粒子的三維坐標，實現微粒子的可視化；通過定義代價函數對微粒子進行匹配；利用微粒子的三維坐標變化求運動速度矢量。通過對微粒子成像和跟蹤實現流場中流速的可視化；通過跟蹤全流場微粒子的運動軌跡實現全流場三維速度矢量測量；具有微米級的空間分辨率，特別適合于復雜微流場的三維速度矢量檢測。
【專利說明】全流場3D可視化測速方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全流場可視化測速方法。尤其是涉及微流場的全流場可視化測速方法。
【背景技術】
[0002]流體流速是流場最基本的物理量，人們對流體流動特性的認識較大程度上取決于速度場的獲取。到目前為止，還無法從理論上徹底解決湍流等問題，只能借助科學實驗手段建立或改進流體力學模型，并對實際問題進行更深入的研究。微流動器件在生命科學、化學、微機械加工等領域應用也更加廣泛，微流動的特性更加復雜，科學實驗的作用越來越突出。測量流體中流速的方法有機械方法、散熱率法、動力測壓法、激光多普勒測速和粒子成像測速等。其中機械方法測量流速的原理是根據流體中葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比；散熱率法測量流速是基于發(fā)熱的測速傳感器的散熱率與流體流速成比例的原理；畢托管(Pitot Tube)為典型的動力測壓法，基于流體力學Bernoulli能量方程進行平均速度測量和流量測量；以上流速測量為單點、接觸式測量方法，對流場的影響也較大。激光多普勒測速原理是利用流體中運動微粒散射光的多普勒頻移獲得流體的速度信息，采用多光束測量系統(tǒng)可獲得三維流速。激光多普勒測速方法有較高的空間分辨率，但為單點測速技術，無法測量湍流等復雜流場。粒子成像測速(PIV)原理是在流體中散布跟隨性好的固體粒子(或流體中已經存在)作為示蹤粒子，通過觀察流場中微粒子圖像，對連續(xù)多個瞬時速度場的相關性分析，直觀反映全場瞬時流動信息，可以深入研究復雜流場瞬時過程，具有單點測速技術無可比擬的優(yōu)點。粒子圖像處理算法主要有相關算法、最小二次差方算法和粒子足艮蹤算法等。Brody 等["Biotechnology at low Reynolds numbers":BiophysicalJournal, 3430-3441,1996]使用超熒光顯微鏡對直徑900nm的熒光示蹤粒子進行長時間照明和觀察，獲得粒子運動軌跡圖像，這種方法獲得的速度場分辨率、精度都很低。SANTIAGO等["A particle image velocimetry system for microfluidics", Experiments inFluids，316-319，1998]使用汞弧燈照明對直徑300nm的熒光示蹤粒子進行照明，用CXD采集示蹤粒子圖像，利用相關算法得到流場速度，這種方法獲得的空間分辨率可以得到lOum。二維測速的空間分辨率已經達到 100nm[" Micro-Particle Image Velocimetry ( μ PIV):Recent developments, applications, and guidelines", Lab on a Chip,2551-2567,2009]，二維平面流場測速技術已經相對成熟。全流場測量可以通過多二維平面掃描、數字全息技術、立體粒子圖像測速、散焦數字圖像測速和共焦熒光顯微技術等。但一般結構復雜，而且全流場信息需要通過物鏡焦平面的移動獲得，一般只適合于定常流動和周期性流動["顯微粒子圖像測速技術——微流場可視化測速技術及應用綜述"，機械工程學報，155-168,2012]。
【發(fā)明內容】
[0003]為了克服【背景技術】的不足，本發(fā)明的目的是提供一種全流場可視化測速方法。本發(fā)明包括以下步驟:
[0004](I)基于光學低相干原理，建立頻域光學相干層析微粒子跟蹤全流場可視化測速系統(tǒng)；
[0005](2)利用激光束對滲入微粒子或本身存在微粒子的流體進行二維掃描，連續(xù)實時采集流體的干涉譜數據；
[0006](3)利用每個掃描位置的干涉譜數據到空間域轉換算法，得到每個掃描位置在深度方向的結構圖像，一組二維掃描可以獲得流體的三維結構圖像；
[0007](4)利用各個微粒子圖像具有較深灰度原理，并根據圖像塊的體積大小搜索流場中各個微粒子三維圖像，實現全流場微粒子的可視化；
[0008](5)利用平方加權質心法求取各個微粒子的中心三維坐標；
[0009](6)通過定義代價函數并使其最小化方法對連續(xù)掃描得到的兩個流體體積中的微粒子進行匹配；
[0010](7)根據每一對已匹配的微粒子的三維坐標值求所對應微粒子的運動方向和位移，即流體中此處的速度矢量，對流場中所有的已匹配的微粒子進行同樣的處理即可得到全流場的速度矢量；
[0011](8)對連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進行匹配，跟蹤流場中微粒子的運動軌跡，檢測全流場中速度的實時變化情況。
[0012]本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點:
[0013]通過對流體中的微粒子成像和跟蹤過程實現了流場中流速的可視化；利用流體中全流場分布的微粒子實現全流場速度檢測；通過跟蹤微粒子的運動軌跡實現三維速度矢量測量；具有微米級的空間分辨率，特別適合于復雜微流場的三維速度矢量檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是根據本發(fā)明實施例的基于頻域光學相干層析技術的微粒子跟蹤全流場可視化測速系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖2是根據本發(fā)明實施例的全流場可視化測速系統(tǒng)數據采集與處理流程圖；
[0016]圖3是根據本發(fā)明實施例的典型的流場中微粒子可視化二維圖像；
[0017]圖4是根據本發(fā)明實施例的典型的流場中微粒子可視化三維圖像；
[0018]圖5是根據本發(fā)明實施例的三維速度矢量檢測原理示意圖；
[0019]圖6是根據本發(fā)明實施例的對流流體二維切面速度矢量示意圖；
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
[0021]圖1是根據本發(fā)明實施例的基于頻域光學相干層析技術的微粒子跟蹤全流場可視化測速系統(tǒng)示意圖。
[0022]參照圖1，超輻射發(fā)光二極管(SLD) (101)寬帶光源發(fā)出的弱相干光進入2X2光纖耦合器(102)后分為兩束光，一束光進入參考臂，并經過準直透鏡(103)和平面鏡(104)返回，另外一束光進入樣品臂，經由準直透鏡(105)、二維振鏡系統(tǒng)(Y掃描儀106和X掃描儀107)、物鏡(108)入射到被測流體上(114)。兩束光經原路返回后在光纖耦合器內發(fā)生干涉，其干涉譜由準直透鏡(109)、衍射光柵(110)、消色差透鏡(111)和CMOS線陣攝像機(112)組成的光譜儀(115)接收，并通過與線陣攝像機數據接口相對應的接口板將數據讀
入計算機(113)。物鏡的數值孔徑決定了測量系統(tǒng)空間的橫向分辨率A其中
R1為橫向分辨率，λ ^為光源中心波長，NAtjw為物鏡數值孔徑。測量系統(tǒng)空間的縱向分辨率
取決于光源的帶寬，尺》0.44#，其中Ra為縱向分辨率，Xci為光源中心波長，Δ λ為光源帶
Aa
寬。
[0023]圖2是根據本發(fā)明實施例的全流場可視化測速系統(tǒng)數據采集與處理流程圖；
[0024]在步驟201中，通過二維振鏡系統(tǒng)(106和107)將聚焦光束在滲入微粒子的流體的被測范圍內(a mm*b mm)進行橫向快速掃描，獲取被測流場的干涉譜數據?？砂ㄒ韵虏襟E:
[0025](I)X掃描儀(107)在鋸齒波的驅動下將聚焦光束進行X方向的掃描，一個鋸齒波周期完成一個B掃描(快速掃描)，在一個B掃描內(amm)進行M次采樣，每次采樣即可得到此掃描位置對應的干涉譜數據；
[0026](2) Y掃描儀(106)在斜波信號的驅動下使聚焦光束在Y方向掃描(慢速掃描)，將Y方向的掃描長度(b mm)分為N等份，即設置N個B掃描位置，完成一次被測流體的二維掃描共得到M*N個掃描位置的干涉譜數據；
[0027](3)重復以上步驟⑴和(2)K次，連續(xù)采集被測流體的K組干涉譜數據。
[0028]在步驟202中，通過干涉譜域到空間域轉換關系得到每一個掃描位置的沿光軸方向結構信息，將M*N個掃描位置的結構信息組合起來即可得到流體三維結構圖像。典型的干涉譜域到空間域轉換關系為:
[0029]W(Z)=IFFT(IU))
[0030]其中I (λ)為干涉譜強度隨波長變化函數，W(Z)反映流體沿光軸方向結構信息，IFFT為逆傅立葉變換。此處可以采用均勻或非均勻傅立葉逆變換。由于加入流體中微粒子的直徑在I微米以下，肉眼根本無法看到，其尺寸也小于光學系統(tǒng)的分辨率。但在光學系統(tǒng)傳遞函數的作用下，微粒子形成的圖像大小要大于其實際尺寸，便于觀察，實現了流體中各種復雜情況的可視化。典型的流場中微粒子可視化二維圖像和三維圖像分別如圖3和圖4所示。
[0031]在步驟203中，根據灰度值搜索流體中微粒子，并求取每一個微粒子中心的三維坐標?？砂ㄒ韵虏襟E:
[0032](I)為減小各種隨機噪聲對可靠提取微粒子圖像的影響，采用中值濾波方法對原始三維圖像進行處理；
[0033](2)利用最大類間方差原理設定灰度閾值，若灰度值大于閾值，認為是微粒子圖像部分，對流體三維圖像進行分割；
[0034](3)流體三維圖像中除了大小比較均勻的微粒子圖像外，還有更小的雜質形成的圖像，以及微粒子粘連圖像，為去除它們的影響設置體積最大閾值Vmax和最小閾值Vmin,若分割后小塊體積大于Vmax，則認為出現了微粒子粘連情況，若分割后小塊體積小于Vmin,則認為是更微小粒子形成的圖像，予以去除，微粒子形成的圖像大小Vparti&由光學系統(tǒng)的點擴展函數決定，一般可以選擇
Vmax I.5Vparticle，Vmin ?.^^particle ;[0035](4)利用上面的圖像二值化過程可以初步搜索出各個微粒子圖像所在位置。為求取微粒子運動速度，需要從二值化前的三維灰度圖像中精確計算各個微粒子圖像中心的三維坐標,因此,采用以下的平方加權質心法求取微粒子中心三維坐標。
【權利要求】
1.一種全流場可視化測速方法。其特征在于包括以下步驟: (1)基于頻域光學相干層析原理，建立微粒子跟蹤全流場可視化測速系統(tǒng)； (2)利用激光束對滲入微粒子或本身存在微粒子的流體進行二維掃描，連續(xù)實時采集流體的干涉譜數據； (3)基于頻域光學相干層析成像原理將每個掃描位置的干涉譜數據轉換到空間域，得到每個掃描位置在深度方向的結構圖像，一組二維掃描可以獲得流體的三維結構圖像； (4)根據各個微粒子圖像具有較深灰度特點，并利用體積濾波方法搜索流場中各個微粒子三維圖像，利用平方加權質心法求取各個微粒子的中心三維坐標，實現全流場微粒子的可視化； (5)通過定義代價函數并使其最小化方法對連續(xù)掃描得到的兩個流體體積中的微粒子進行匹配；根據每一對已匹配的微粒子的三維坐標值求所對應微粒子的運動方向和位移，即流體中此處的速度矢量，對流場中所有的已匹配的微粒子進行同樣的處理即可得到全流場的速度矢量； (6)對連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進行匹配，跟蹤流場中微粒子的運動軌跡，檢測全流場中速度的實時變化情況。
2.根據權利要求1所述的全流場可視化測速方法，其中，將每個掃描位置的干涉譜數據轉換到空間域步驟包括均勻傅立葉變換、非均勻傅立葉變換等方法。
3.根據權利要求1所述的全流場可視化測速方法，其中，全流場微粒子的可視化步驟包括: (1)采用中值濾波方法減小各種隨機噪聲的影響； (2)利用最大類間方差等方法設定灰度閾值，對微粒子圖像進行分割； (3)為去除更小的雜質以及微粒子粘連的影響，設置體積最大閾值Vmax和最小閾值Vfflin,若分割后小塊體積大于Vmax,則認為出現了微粒子粘連情況，若分割后小塊體積小于Vfflin,則認為是更微小粒子形成的圖像，予以去除，微粒子形成的圖像大小Vparticde由光學系統(tǒng)的點擴展函數決定，一般可以選擇Vmax = 1.5Vparticle, Vfflin = 0.5Vparticle ； (4)利用上面的圖像二值化過程可以初步搜索出各個微粒子圖像所在位置。為求取微粒子運動速度，需要從二值化前的三維灰度圖像中精確計算各個微粒子圖像中心的三維坐標，因此，采用平方加權質心法求取微粒子中心三維坐標。
4.根據權利要求1所述的全流場可視化測速方法，其特征在于，通過將微粒子之間距離的平方與二階矩之差的平方之和定義為代價函數，通過對其優(yōu)化，實現微粒子之間的可靠匹配。
5.根據權利要求1所述的全流場可視化測速方法，其特征在于，對連續(xù)采樣的相鄰三維流體圖像中的微粒子進行匹配，跟蹤流場中微粒子的運動軌跡，檢測全流場中速度矢量的實時變化情況。
【文檔編號】G01P5/20GK103645341SQ201310578298
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2013年11月19日
【發(fā)明者】劉國忠, 李萍 申請人:北京信息科技大學