（测试计量技术及仪器专业论文）实体模型表面流场、河势数字图像测试方法及应用研究.pdf

摘要 本文是在国家自然基金项目“多沙河流实体模型表面流场、河势测试理论 与分析技术研究( 5 0 4 7 9 0 6 8 ) ”的资助下完成。 对于实体模型，流速测量方法有多种，但多数方法不能实现多点测量，为此 本文建立了一套实体模型表面流场测试系统，用于实体模型表面速度场的测量： 同时，结合边缘检测、轮廓提取和神经网络技术提取河势数据。文中详细介绍了 实体模型表面流场、河势测试系统的原理和实现方法。在模型河流表面散播示踪 性能好的粒子，通过摄像头获取流场图象，将图像数据传输到计算机，经过图像 预处理后，根据示踪粒子的浓度，分为p 1 v 和p i v 处理方法。p t v 处理中，为 了获得粒子像的代表点，本文提出了像缩小法、权值提取法和圆拟合法，再结合 流体运动特征进行粒子匹配，从而获得流速信息。p i v 处理时，利用h a n l y 变换 进行初始互相关运算，并对相关系数进行曲面拟合，通过曲面最值求解获得最大 相关系数，以提高速度测量精度。河势处理时，根据流场图像对比度的不同，通 过对各种边缘检测算子的比较，选取处理效果较优的算子，并依据流体运动特性 建立了三层感知器神经网络模型，获得河势数据。 本文采用v i s u a lc + + 6 o 语言编制了包含采集、处理和保存三个主要功能模 块的测试系统软件，并在实体模型上得到应用，文中还对实验结果和误差来源 进行了分析。 关键词：表面流场、河势、互相关、边缘检测、轮廓提取 a b s t r a c t t h i sp 印e rw a ss u p p o r t e d b yn l en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a “t h er e s e a r c ho fm e o r ya i l dt e c l l i l i q u ea _ b o u ts u r f 如ef l o wf i e l da 1 1 dr i v e rr e g i m e i ns e d i m e n t 1 a d e nm v e r ( 5 0 4 7 9 0 6 8 ) ” t h e r ea r ea1 0 to fw a y st om e a s u r cv e l o c i 魄b u tf e wc a i lm e a s u r em u m p o i n ti n p h y s i c a lm o d e l a sar e s l l l t ，t h i sp 印e rh a v es e tu pam e a s u r i n gs y s t e mw h i c hc a n m e a s u r ev e l o c i t yf i e l d ，r n c a n w l l i l e ，a p p l i e de d g ed e t e c t i o nt e c h n i q u e ， c o n t o u r e x t r a c t i o nt c c h n i q u ca i l dn e u r a ln e t 、o r kt e c h n i q u e ，t og e tt h ed a t ao fr i v e r _ r e g i m e p a p e ri n 仃o d u c e d 也ed e t a i lo fp r i n c i p l ea i l d r e a l i z a t i o nw a y sa b o u tt h es y s t e m b r o a d c a s t i n gs e e d i n gw h i c hc a nf o l i o ws t r e 锄c u r r e ma 1 1 du s e i n gc c d c a m e r a st o r e c o r di m a g e so fn o wf i e l d ，s e n d i i l gt l l em l a g e st oc o m p u t e r ，t h e nc l a s s i f y i n gt op i v o rp t vt r e a t r n e n tb yd e n s i t yo fs e e d i n g si 1 1i i n a g e s i np t vt r e a t i i l e n t ，p a p e rh a s f o u n d e di m a g e - r e d u c i n gl a w ，w e i 曲t e dl a w 趾dc i r c l ef i t t i n gl a wf o rg e t t i n gp o i n to f p a n i c l ei m a g e ，t h e n 印p l i e dh y d r o d y i l 咖i cn l l e ，w ec a l lg e tv e l o c i t yo fn o w i np i v t r e a t m e n t ，p a p e rh a sf o u n d e dc r o s s c o r r e l 蕊o na n ds u r 】阻c ef l t t i n gl a w a p p l y i n g h a n l yt r a n s f o r m a t i o ni nc r o s s c o r r e l a t i o nt og e tp 曲ec o r r c l a t i o nc o e m c i e n t ，t h e n d o i n gs u 血c e6 m n go fc o d a t i o nc o e 伍c i e n t ，w ec a ng e tt 1 1 e m o s tc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n td e r i v a t i o n ，m i sl a wc 趾i m p r o v ep r e c i s i o nt os u b p i x e l i nr i v e r - r e g i m e t r e a t m e n t ，i ti s6 r s tt oc 叩a r ee 髓c to fa l le d g e - o p e r a t o ra n dc h o o s ee d g eo p e ra _ 鼢 w i m 也eb e s te f r e c t ，t l l e na p p l i c dt i l r e e 1 a y e rp e r c e p t r o nn e l l r a ln e t 、v o r ki nc o n t o u r e x t r a c t i n gt 0g e td a t ao f r i v e r - r e 西m e t h es o n w a r eo fs y s t e mw a sc o m p i l e db yv i s u a lc + + 6 o ，i n c l u d i n gt 1 1 ec a p t u r e ， p r o c e s s i n ga n ds a v em o d u l e p a p e r h a sa p p l i e dt h es y s t e mi n t op h y s k a lm o d e l ，a n d a n a l y z e dt 1 1 er e s u l ta i l de r r o r k e yw o r d s ：s u r f 缸ef l o wf i e l d ，m v c rr e g i m e ，c r o s s c o r r e l a t i o n ，e d g e d e t e c t i o n t e c h n i q u e ，c o n t o u re x 昀c t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：玉：叁二竺( 年f 月 妒日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：土盘i l 一俨口眸 r 月f o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 实体模型技术的发展 实体模型主要用于对原型所反映出来的自然现象进行反演、模拟和试验，从 而揭示原型的内在规律，是解决江河治理及大型水利水电工程泥沙问题的主要手 段。 1 8 7 0 年，w 劬u d e 船模试验提出了f r o u d e 准则，这标志着人类己开始科学 地进行模型试验【1 5 】。1 8 7 5 年，法国学者f a r g 为改进b o r d e a u x 商港航务而进行 的第一个河工模型试验以来，河工模型试验技术得到了飞速的发展，不仅在水利 工程建设方面发挥了巨大的作用，而且还大大推动了河流动力学及河床演变学等 学科的发展。1 8 8 5 年。o r e ”o l d s 运用f r o u d e 准则进行了m e f s e y 河的模型试验， 1 9 1 4 年，j b a c k i n 曲a m 提出了相似准则的定理。1 8 9 8 年，h e n g e l s 在德国建 立了第一个河流水力学实验室。在上世纪3 0 年代初我国在德国进行黄河治导工 程模型试验，同时开始酝酿和筹建国内的实验厅，引进西方模型试验技术。1 9 3 3 年在天津成立全国第一个水工试验所；1 9 3 5 在南京筹建中央水工试验所，后改 为南京水力试验处：1 9 3 4 年建成了清华大学的水力试验馆【1 5 】。2 0 世纪7 0 年代， 苏联和美国在河工模型试验方面已处于领先地位，我国借鉴苏联的方程分析法和 e i n s t e i n 的模型相似律广泛开展了河工模型试验，随着我国经济建设的发展，对 水利事业的开发逐渐深入，国内专家学者在河工模型上的大量研究也促进了我国 的经济现代化建设。 现代计算机技术的发展，使河工模型既面临着机遇，也面临着巨大的挑战。 随着数值模拟技术的发展，2 0 多年前有学者根据国外动态曾预言河工模型试验 将逐步被河流数学模型计算所取代，而今河工模型试验却越来越多。河工模型已 广泛应用河道整治、枢纽布置、水库淤积、水工建筑物周围的冲淤变化、取水口 的防沙问题及河口与海岸的淤积和防护问题的研究。由于河工模型可预测河流变 化规律，可进行工程方案比较，因此它是进行河流河势规划、沿岸防洪规划、流 域国民经济可持续发展规划不可或缺的有力工具。现代技术的发展促进了河工模 型测试手段的进步，模型参数测量精度有了大幅提高，这也促进了河工模型的应 用。 模型试验通过试验来研究和改善被模拟物体的布置、型式和构造等。试验是 科学研究的基础，是检验理论的主要途径，通过试验对所发生的各种运动现象进 行研究，将各种试验得到的资料积累总结，人们就能更进一步掌握客观的规律。 在河道工程实施前，要根据设计进行河工模型试验，为决策者提供必要的资料。 河海大学硬士论文 1 2 流速测量技术的发展 模型试验成果的质量在很大程度上取决于量测技术的水平。科学技术的发 展与测量技术的发展有很密切的联系，测量技术的发展是人类对自然界的客观事 物取得数量概念的一种认识过程。测量是借助专门的设备和方法对不同现象和不 同规律在质和量两方面作出认识的过程“”。在模型试验中往往要对很多参量进行 严格的测量和控制，遇到的大都是连续变化的物理量( 如速度、水位、压力等) ， 传感器可以测量这些参量的幅度和极性，输出通常为模拟电压( 电流) ，对模拟 电压采用模拟控制或模拟计算电路( 元件) 。就可得到相应物理量。 流速分布是确定流体运动的主要特性之一。无论在原型观测或模型试验中， 流速这一物理参量都具有重要意义，它既是进行理论分析的出发点，也是验证理 论的标准，同时还为工程实践提供可靠依据。流速测量仪器有：毕托管、微型旋 桨流速仪、热线流速仪、超声波铡试技术、激光流速仪、粒子图像测速仅等。 1 2 1 毕托管 毕托管是古典的流速测量仪器，它是一根一端弯曲的细管，将其开口端放在 流场中并正对着流体流动的方向，当液体流入细管中后即不在流动，即全部动 能转换为势能。实测时，只要将毕托管测量得到的高度h 值代入转换公式即可 算出流速u ，如需考虑流体流动的能量损失，则必须将转换公式中加入矫正系数 ，该系数与毕托管的大小、粗细、形状及加工工艺等情况有关，一般由实验确 定。测量时，毕托管必须正对水流方向，当流速小于o 1 米秒时，其测量结果误 差较大。国内外对毕托管进行丁一定的改进，配接差压变送器等电气设备，使毕 托管的测量技术电气化、自动化。 1 2 2 微型旋桨流速仪 微型旋桨流速仪基本原理是将固定在传感器支架上的旋桨置于水流中的施 测点，旋桨正对水流方向，由于动水压力作用产生转动，流速越大，转动越快。 采用适当的传感器和计数器，记下单位时间转数n ，就可根据率定曲线求出流速 u 叫。 “= 砌+ “b k 一为比例系数，由率定曲线得到； r r 为旋桨转动频率( 次，秒) ，n = r 其中为旋桨转动次数，r 为计测转 数时间，、? 1 由计数器读出； 。 “。一为旋桨启动流速，由率定实验得到。l l o 越小，旋桨灵敏度就越高。值 一为旋桨启动流速，由率定实验得到。u o 越小，旋桨灵敏度就越高。值 河海大学硕士论文 1 2 流速测量技术的发展 模型试验成果的质量在很大程度上取决于量测技术的水平。科学技术的发 展与测量技术的发展有很密切的联系，测量技术的发展是人类对自然界的客观事 物取得数量概念的一种认识过程。测量是借助专门的设备和方法对不同现象和不 同规律在质和量两方面作出认识的过程1 2 ”。在模型试验中往往要对很多参量进行 严格的测量和控制，遇到的大都是连续变化的物理量( 如速度、水位、压力等) ， 传感器可以测量这些参量的幅度和极性，输出通常为模拟电压( 电流) ，对模拟 电压采用模拟控制或模拟计算电路( 元件) ，就可得到相应物理量。 流速分布是确定流体运动的主要特性之一。无论在原型观测或模型试验中， 流速这一物理参量都具有重要意义，它既是进行理论分析的出发点，也是验证理 论的标准，同时还为工程实践提供可靠依据。流速测量仪器有：毕托管、微型旋 桨流速仪、热线流速仪、超声波测试技术、激光流速仅、粒子图像测速仪等。 l 2 1 毕托管 毕托管是古典的流速测量仪器，它是一根一端弯曲的细管，将其开口端放在 流场中，并正对着流体流动的方向，当液体流入细管中后即不在流动，即全部动 能转换为势能。实测时，只要将毕托管测量得到的高度h 值，代入转换公式即可 算出流速u ，如需考虑流体流动的能量损失，则必须将转换公式中加入矫正系数 巾，该系数与毕托管的大小、粗细、形状及加工工艺等情况有关，一般由实验确 定。测量时，毕托管必须正对水流方向，当流速小于o 1 米，秒时，其测量结果误 差较大。国内外对毕托管进行了一定的改进，配接差压变送器等电气设备，使毕 托管的测量技术电气化、自动化。 1 2 2 微型旋桨流速仪 微型旋桨流速仪基本原理是将固定在传感器支架上的旋桨置于水流中的施 测点旋桨正对水流方向，由于动水压力作用产生转动，流速越大，转动越快。 采用适当的传感器和计数器，记下单位时间转数n ，就可根据率定曲线求出流速 u 【2 1 1 。 “= 砌+ ”n x 一为e e 例系数，由率定曲线褥到： n 一为旋桨转动频率( 次，秒) ，力= r ，其中为旋桨转动次数，丁为计测转 数时间，v 、丁由计数器读出； 一为旋桨启动流速，由率定实验得到。l l o 越小，旋桨灵敏度就越高。值 第一章绪论 得注意的是不同旋桨有不同的置和“。值，即使同一个旋桨使用一段时间后，k 和 “。值也会发生变化，需要重新进行率定。 旋桨流速仪电路包括传感器和计数器两部分，根据使用的传感器不同，一般 分为三类：电阻式、电感式、光电式，下面以光电式为例介绍其工作原理：在旋 桨叶片边缘上贴一片极薄的反光镜片，当旋桨旋转经过支杆下端时，镜片就将电 珠发出经导光纤维传送到支杆头部的光线反射一次，该反射经另一组导光纤维传 送至光敏三极管，转换成电脉冲讯号，送至计数器进行计数【2 ”。电珠与光敏管都 安装在支杆尾端，这样有利于减小对水流的干扰，提高叶轮旋转的均衡性和对称 性，改善检修的方便性。 1 - 2 3 热线热膜流速仪 热线热膜流速仪( h o t 删o tf i l m 觚e i n o m 哪，简称h w f a ) 是1 9 1 4 年发明 的，它是利用热对流方程的解来测量流速的仪器。在流场中，加有电流细而短的 金属丝，在只有强迫对流的热交换作用下，金属丝的温度会随流速而变，这种变 化和流速之间可以建立一一对应关系，通过检测这种变化即可得到流速。热线热 膜流速仪具有空间和时间分辨率高、背景噪声低、测量范围大、对流体干扰小等 优点，在水工水力学、空气动力学实验中得到了广泛应用。根据使用不同的探针， 可分为热线探针和热膜探针。热线敏感元件中金属丝材料的选取具有电阻率大、 电阻温度系数高、抗拉强度好、热传导率小和最大可用温度高等特点，一般选用 钨丝或镀铂钨丝。热膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底( 通常为石英) 上的o 1 “m 薄的铂金膜和镍膜构成的，最一般的衬底形状是圆锥性和圆柱形。热膜探针 与热线探针相比1 2 2 ) ：1 ) 热膜坚固，不易断裂，但替换费用要高；2 ) 膜探针在使 用中较少受影响，不易受腐蚀，稳定性要高；3 ) 热膜敏感元件的偏航角和俯仰 角始终保持稳定：4 ) 热膜具有跟复杂的频率响应，但范围比热线窄；5 ) 热膜工 作温度低；但应用范围广；6 ) 热膜的阻值可由控制膜厚调节，信噪比高；7 ) 热 膜工艺复杂，成本高。 根据熟学理论，由傅立叶定律确定传递的热量和换热条件间的关系如下： h = 一k f 矿礤f d f 式中日一为热量( 大卡) ； 足一流体的导热系数( 大卡米小时) ： g 煳d n 一为温度梯度； f 一为换热面积( m i ) 。 为使实际计算成为可能，通常以下列牛顿公式作为基础： 日= ( 0 一巧) 河海大学硕士论文 式中r 一为流体温度( ) ； l 一为放热面温度； 一为放热系数，表征换热强度。其因次为( 大卡，米小时) ； 研究表明，詹是限制箍个过程的很多变数一，x ：的复杂函数： ：r ( x ，x 一) 热线热膜在流体中的放热总量取决于：流体流动的速度；热线与 流体之间的温度差：流体的物理特性；热线的几何形状和物理特性。对于热线流 速仪，热线与流体间的温度差是可被测量的，热线的几何和物理特性是已知的， 如果已知流体物理特性或使其保持为常囊，那么就能测出流体的速度。 1 9 1 4 年，金氏( k i n g ) 首先导出热线流速仪的基本关系式川： 土 u 2 = ( 爿+ b “”) ( l 一乃) 式中爿、b 、脚由热线的几何形状及热线与流体的物理特性决定的常量，一 般通过实际率定予以确定。 1 2 4 超声波流速仪 1 8 4 2 年奥地利科学家多谱勒( d o p p l e r ) 发现：当观察者向着声源运动时，他 所接收到的声波会较他在不动的情况下来的频繁，因此，听到的是较高的声调； 相反，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低：假如声源运动而观察者不 动，其效应也相同，这就是多谱勒现象，后来把这种频率变化称为多谱勒频移。 超声波是一种频率在2 0 千赫以上的入耳感受不到的高频波，它在水中有 定的传播速度，具有定向传播，遇障碍物能被反射等特性。由换能晶片在电压的 激励下发生振动产生，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为 射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在对光不 透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著地 反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。以超声波作为检测手段，必 须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器1 7 舶，习惯上 称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射 超声波，也可以接收超声波。它有许多不同的结构，可分直探头( 纵波) 、斜探 头( 横波) 、表面波探头( 表面波) 、兰姆波探头( 兰姆波) 、双探头( 一个探头 反射、一个探头接收) 等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块 压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种，晶片的大小，如直径和厚度也各不相 同。 超声波多谱勒流速仪( 简称a d v ) 通过检测多谱勒频移量来测量流速。在 实际中，该类型流速仪一般采用固定声源和接受器，接受器接收到的由运动粒子 反射或散射的声频与发射声波的频率间的关系如下： 4 第一章绪论 日= 一只( 勺 l ， 式中b 接收器接收频率的改变量( 多普勒频移) ： 只一发射频率； 矿一运动粒子相对于接受器的速度； c 一声速。 速度矿是指改变运动粒子和接收器之间距离的运动，垂直于运动粒子和接收 器之间连线运动不会导致多普勒频移。如果运动粒子和接收器之间的距离减少， 则频率增加；如果运动粒子和接收器之间的距离增加，则频率减少。通常遇到的 粒子速度和声速相比要小得多，则相应的多普勒频移也就小。因此，不能直接使 用上述原理作为实用的测量方法。a d v 采用了脉冲相干( 或纯相干) 处理技术， 即发射器发出两个时间滞后分离的脉冲，量测出每一个返回脉冲的相位，两个脉 冲之间的相位差正比于水中粒子的速度，据此求出水中粒子的速度，即为水流速 度。采用脉冲相干处理技术保证了a d v 测量精度高，1 0 m h z 的a d v 测速范围 为o 0 1 c m s 2 5 0 c n l s 。 1 2 5 激光多谱勒流速仪 爱因斯坦1 9 0 5 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多谱勒效应。 只要物体会散射光线，就可以利用多谱勒效应来测量其速度。1 9 6 4 年y e h 和 c u m m i n s 首次观察到了水流中的散射光频移，证实了可利用多谱勒频移技术来 确定流动速度，标志着l d v 的诞生。 激光多谱勒流速仪类似超声波多谱勒流速仪，都基于多谱勒效应理论。多谱 勒频差与光的波长成反比，与光学系统的几何参数及粒子的运动速度成正比1 2 3 】。 当确定波长和几何参数后，只要设法检测出多谱勒频差，也就可以确定运动的速 度。激光流速仪为非接触测量，具有不破坏介质流态，不干扰流场中的速度分布， 测量精度高，几乎无惯性，动态响应快，测速范围大，测点小，空间分辨率高， 不需要率定，可用于有腐蚀性流体介质中的测量等许多突出优点，因此它的研究 和应用得到迅速发展。 1 2 6 粒子图像测速技术 p i v 技术源于固体应变位移测量的散斑技术，第一次将这种技术引入流场测 量的是a d r a i n ，他将p i v 技术按示踪粒子成像浓度分为激光散斑技术( l s v ) 、 粒子图像测速仪( p i v ) 和粒子跟踪测速仪( p t v ) ， 粒子图像测速技术的基础是流动显示，利用在流体散播跟随性好的示踪粒 河海大学硕士论文 子，在强光的照射下，通过图像记录装置获得包含粒子运动信息的图像，经过图 像处理得到粒子的速度信息，粒子的速度信息即反映了对应流体质点的运动信 息。为了得到比较好的粒子图像，一般采用激光器作为光源。粒子图像测速一般 包含4 部分：示踪粒子、光源及片光产生系统、图像记录系统、图像后处理系统。 随着现代计算机、芯片、图像处理和c c d 技术的发展，p i v 技术有了很大 进步，特别是二维测量系统，已广泛应用到流体测试中，带来了巨大的社会和经 济效益。目前已有公司开发出了商业p i v ，如丹麦d a n t e c 、美国t s i 等公司；值 得欣慰的是，国内对p i v 的研究也很有成果，如天地立方公司也在致力于商业 p i v 的开发。 1 2 6 1 示踪粒子 示踪粒子是图像测速技术的基础，流体的速度正是通过测量示踪粒子的速度 来获得的，示踪粒子的跟随性直接影响到测量精度，对高质量的示踪粒子有下面 几个要求：比重尽可能与实验流体一致、足够小的尺度、形状尽可能的圆、大小 分布均匀、有足够高的光散射效率、粒子的存在不干扰原来流体的运动、粒子不 易沉淀和污染流场。常见的示踪粒子有：花粉、聚苯乙烯、镀银空心玻璃球、荧 光粒子、尼龙粒子、三氧化二铝、乳化空气泡。 1 2 6 2 光源及片光产生系统 光源的用途是照亮流体中的示踪粒子，以便获得比较清晰的粒子图像。目前 常用的光源有白炽灯、闪光灯和激光器等。在流动可视化领域内由于激光器的单 色性能好，为多数研究者首选光源。 激光器有多种分类方法，按照激活媒质的物质状态面可分为气体、液体、固 体和半导体激光器。气体激光器的单色性强，如氮一氖激光器的单色性比普通光 源要高1 亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的 激光；但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小。固体激光器则正好相反， 能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，单色性差。液体激光器的最大特点 是激光波长可以在一定范围内连续变换，这种激光器特别适合于对激光波长有着 严格要求的场合。半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出 的功率较小，单色性也较差。按照激活媒质的粒子结构还可分为为原子、离子、 分子和自由电子激光器。氮氖激光器产生的激光是由氖原予发射的，红宝石 激光器产生的激光则是由铬离子发射的。还有二氧化碳分子激光器，它的频率可 以连续变化，可覆盖很宽的频率范围。另外，按照输出光的性质可分为连续激光 器和脉冲激光器。 为了得到不同时刻的图像，可对图像记录设备和光源设备进行时间调制。但 图像记录设备一般控制时问间隔较长，难以满足高速运动流体测试的需要。为此， 常采用对光源设备进行控制。如采用双脉冲激光器，直接对输出频率进行调整， 6 第一章绪论 可实现从低速到高速流动的测量。而对连续激光，必须用光斩波器或旋转柱镜产 生脉冲光。光斩波器一般为码盘或其它电控元件( 如布拉格盒) ，脉冲宽度和间 隔由开孔直径和转速决定，但脉冲能量与转速成反比，转速越快，脉冲能量越小， 连续光被斩成脉冲光，能量损失大。目前一般都采用脉冲激光器作为光源，如美 国n e w w a v e 公司生产的双脉冲固体激光器g e m i f i i ，能量为2 0 0 m j 。输出频率1 5 h z ( 可调) 。 1 2 6 3 图像记录系统 图像记录装置经过了从普通相机到c c d 相机的发展过程。普通相机是将图 像记录在底片上，具有很高韵分辨率，如4 寸5 寸的底片含有3 2 0 0 0 4 0 0 0 0 个象素，通过冲洗胶片后扫描得到数字图像或直接对底片进行处理，由于冲洗胶 片和对胶片数字化的过程十分不便，研究者不能及时地得到处理结果，另外该成 像方法是采取单帧双次或多次曝光，底片分析时采用杨氏条纹法或自相关处理方 法，由于无法判别时间先后顺序，存在速度方向二义性。 最近几年，c c d 芯片技术突飞猛进的发展，空间分辨率也大幅提高，4 0 9 6 x 4 0 9 6 象素都已相当成熟；c c d 相机曝光方式可以是单帧多次曝光或多帧单次 曝光，灵活性强，还可辨别图像时间顺序，解决了速度方向二义性问题。目前市 场出现了互相关c c d 相机，这种相机c c d 面阵中含有感光和存储单元，当第一 个脉冲光到来时，相机感光单元捕捉到图像信息，并迅速转移到存储单元中：当 第二个脉冲光到来时，再次由相机感光单元捕捉到图像信息，此时存储单元中的 数据为第一帧图像，感光单元中的数据为第二帧图像，两次曝光完毕后将两帧图 像转移计算机中进行相关处理，这样就解决了速度方向的二义性问题。 图像记录系统由c c d 相机、图像采集卡和计算机构成，虽然目前已有将c c d 相机和图像采集卡集成在一起，但是由于其价格比较昂贵，一般还是采用c c d 相机和图像采集卡相结合的方式。图像采集卡工作方式分为p a l 和n t s c 两种， p a l 为欧洲制式，采集速率为2 5 帧秒，图像大小为7 6 8 x5 7 6 ；n t s c 为北美制 式，采集速率为3 0 帧秒，图像大小为“o 4 8 0 。在上述的采集方式下，只能获 得4 0 毫秒或3 3 毫秒内的速度信息，若想得到更短时间内的流体瞬时速度，就必 须采用高速摄像机或跨帧技术。 1 2 6 4 速度提取系统 如果是采用传统相机记录的图像，要么对照片进行杨氏条纹法处理，要么用 扫描仪将底片数据数字化后录入计算机后再处理。杨氏条纹法的原理是以相关光 源对单帧双曝光照片上的各子域进行照射，各子域内的粒子像点就象一个个点光 源，当来自两粒子像的光波相遇时，就会形成一组干涉条纹，即杨氏条纹。只要 确定出杨氏条纹的间距和方向。就求得了该子域内的平均流速。 图像相关处理包括自相关和互相关，自相关法将2 次曝光的粒子图像成像在 河海大学硕士论文 一帧上，速度方向不能判别，存在速度方向二义性。互相关技术将流场将相应两 帧流场图像分成多个网格，计算两帧图像上对应网格的相关函数，得到相关函数 的峰值即可求得粒子的速度。为了提高计算速度，有研究者对互相关运算进行了 很多改进，如w m e r t 提出的快速傅立时变换和h 啪g 提出的相关函数的改进等， 但仍还不能达到实时处理程度。 1 2 7 流速仪对比 由于原理和操作简单，毕托管是应用最为广泛、历史最悠久的流速测量仪器； 但只能进行一维测量，测量误差较大，而且毕托管的进口必须深入到测量点，干 扰了流体形态，不适合紊流及边界层的测量。 旋桨流速仪也只能进行一维接触式测量，干扰流体形态，不适合紊流和边界 层的测量。在测量流体速度较大，测量精度较高，流体速度小时，测量误差大： 测量流体必须达到使旋桨转动起来，否则无法测量，存在测量死区。旋桨在运行 一段时间后，旋桨转速与流体速度之间的转换关系式需要重新率定，否则误差较 大。 热线热膜流速仪( h w f a ) 空间、时间分辨率高，背景噪声低，可进行三维 测量。但h w f a 仍是接触式测量，对流场存在干扰和破坏。另外，h w f a 调试 麻烦，每次实验前都要标定和调节。仪器运行一段时间后，敏感元件的传热系数 一般将发生变化，需要重新标定热量变化公式。 超声波多谱勒流速仪( a d v ) 和激光多谱勒流速仪( l d v ) 都是利用多谱 勒效应进行三维速度测量，时间、空间分辨率都较高，测量时无需率定，直接得 到流速数据。对于a d v ，由于声波在空气和液体中传播速度不一样，所以在测 量流体时，需要将发射和接收探头置于液体中，虽然测量点到发射和接收装置有 一定的距离，但仍会干扰流态。l d v 属于非接触测量，不会干扰和破坏流场， 测量精度商，测量范围大，但价格比较昂贵。 上述流速仪都只能进行单点测量，p i v 可进行全场瞬时测量，不干扰和不破 坏流场形态。但p 技术涉及光学、图像处理等技术，对实验操作人员要求较高。 p i v 靠测量流体中示踪粒子的速度来获得流体速度，对示踪粒子的跟随性要求 高，示踪粒子在流场中的分布浓度也影响到相关运算效果，浓度太低，相关运算 效果就差。在p i v 进行二维测量时，测量的是片光照射平面上的流场，由于片光 始终存在一定的厚度，所以测量的结果是示踪粒子三维运动在片光平面上的投 影，存在一定的误差。三维测量时，仍存在很多需要改进的地方。 第一章绪论 1 3 河势测量技术的发展 河势是指河道水流的平面形式及发展趋势，包括河道水流动力轴线的位置、 走向以及河弯、岸线和沙洲、心滩等分布与变化的趋势口”。河势演变主要指河道 水流平面形式的变化。我国大量河流含沙量高，下游淤积严重，河势变化剧烈， 通过对河势变化的研究有利于揭示这些河流泥沙的冲淤特性。但目前对模型河流 河势的测量，主要靠人工，不但工作量很大，而且由于测量时不可能做到实时分 析，不利于对河势变化的研究。有研究者曾利用卫星遥感技术测量了黄河汛期河 势的变化，取得了比较满意的效果；但对动床模型的河势测量目前仍没有太好的 解决方法，对洪水非恒定过程中动床模型河床变形的自动化测量一直是摆在科技 工作者面前的一个难题。为对宏观上分析研究河流运动特性提供科学手段，本文 尝试着利用数字图像处理技术和边缘检测技术对流荡性实体模型河流的河势进 行自动测量。 当前各项技术交叉发展、相互结合，水利技术也在与其它技术融合，如何 应用其它技术来提高水利行业的技术水平已成为一个研究重点，其中数字图像技 术在水利行业的应用很广泛，但动床模型复杂多变，岸线形状十分不规则，图像 处理难度大。边缘检测技术已很成熟，各种边缘检测算子简单实用，种类众多， 如s o b d 、p e w j n 、r d b e n 、k r i s h 、g a s s i i l 等田j ，但对于复杂的流场图像，算予的 通用性能差，如何选择一种快速、高精度处理算子是一个研究重点，本文以不同 对比度的图像为例，通过比较选取处理效果好的边缘算子，并得到了边缘图像， 利用轮廓提取和神经网络技术获得河势数据。 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 由于目前还不能深入到河工模型流场内部，只能进行表面流场测试。为了 将河工模型表面流场图像测试技术与常规流场图像测试技术区别开来，称酒工模 型上应用的图像测试技术为r m s ( r i v e rm o d es 曲c ei m a g ev e l o m i c t 啪。 图像测速技术经过前人的研究应用，在许多科研领域发挥了巨大作用，已 成为流体测试的一个有力工具。虽有研究者将图像测速技术技术应用到实体模型 中，但在试验过程中仍存在一定问题。本人在前人的研究基础上建立一套实体模 型表面流场、河势测试系统，完成了系统的硬件设置，并对不同的实体模型进行 了现场测量。系统利用分布式处理原理，将图像采集任务分配给各个采集单元( 网 络节点) ，再利用l a n 网络将各单元联系起来，各采集单元负责相应摄像机的图 像采集、处理以及流场、河势数据的计算，中心计算机负责同步信号的输出，数 据传输指令的发布，并将各节点计算机的流场、河势数据汇总，进行相应坐标系 的转换以及数据的后处理，所得的流场、河势数据可以直接输入为a u t o c a d 或 河海大学硕士论文 文本格式，以供其他软件的使用。 本文设计了个正方形转换器，用于建立图像象索与实际尺寸间的转换关 系，以便将图像处理结果换算成河工模型速度数据。转换器顶点及中心点采用自 炽灯照明，摄像头获取图像后，能自动识剐转换器的像，比较各边及对角线在图 像上的长度与实际长度，从而实现图像象素与实际尺寸间的转换。 试验过程中发现示踪粒子由于主流线上速度较大而聚集到主流线上，使得 p t v 、p i v 在模型局部存在测量盲点，需要采用其它流速测量方法进行实时补充， 以保证流场测量数据的准确性和完整性，为此建立了一套实时反馈系统。 本文第二章主要介绍流场图像的获取和图像处理方法，重点阐述了图象分 割方法和综合图像处理法，并对河工模型图像进行了应用研究。第三章主要介绍 了表面速度场测试方法，根据示踪粒子像密度，分p i v 和p t v 处理。对于p i v 处理，针对日前互相关计算中的一些缺点本文结合h a n l y 变换和曲面拟合提出 了改进算法。对于p t v 处理，在粒子像大于一个象素时，提出了像缩小法、权 值提取法和飚拟合法以获得粒子像的代表点，后两种方法处理精度能达到亚象素 级。另外，结合自由水面运动方程分析了表面流场测试技术在河工模型上的应用 可行性。第四章介绍了河势测试方法，比较了各种边缘检测算子在河势应用中的 效果，并针对不同的对比度图像选取处理结果相对较优的算子，结合多层感知器 神经网络模型和轮廓提取技术提获得了河势数据。第五章介绍了系统的组成和数 据后处理系统，包括错误矢量的剔除、数据网格化以及流函数的求解，并将该测 试系统应用到黄河动床模型和赣江定床模型的试验中，获取了相应处理结果。第 六章主要介绍补偿系统，该系统主要用于补充p t v 测量盲点；另外，分析了图 像测试系统中的误差来源。第七章主要是对本文工作进行总结，展望了图像技术 的发展。 o 第二章图象的获取及预处理 第二章图像的获取及预处理 2 1 图像的获取 2 1 1c c d 技术 目前在常规图像测试技术和r m s 中，都采用c c d 摄象机作为记录设备， 放弃了胶片等模拟介质记录设备。c c d 以电荷为信号，用于电荷的存储、传输 和检测。 c c d 由多个光敏象元组成，每个象元就是一个电容器。当一束光线投射到 m o s 电容上，光子穿过透明电极及氧化层，进入p 型s i 衬底，产生电子跃迁， 形成电子空穴对，在外加电场的作用下，分剐向电极两端运动，形成光生电荷， 这些电荷存储在由电极形成的“势阱”中。 从数据传输方式上可分为全帧c c d 、帧转移e c d 、行间转移c c d 、全帧行 转移c c d 等【6 】。全帧c c d 工作原理是光敏单元区域先曝光，然后一行接一行地 读出而不像标准视频设各那样把图像分为交叉的奇偶场；该c c d 突出优点是可 以做到很大的图像阵列，可达8 0 0 0 6 0 0 0 个象素；但这种c c d 为了保持低噪声 高动态范围特性，象素的读出频率必须保持很低，对于一些大型c c d 其帧频低 至1 h z 。帧转移c c d 与全帧c c d 比较类似，只是它将一半的行作为掩模区，不 曝光，另一半作为光敏曝光区( 如将整帧分为上下两部分，上半部分为光敏曝光 区，下半部分为掩模区) ，曝光后光敏区中的象素迅速将积累的电荷转移到掩模 区，转移完成后再按顺序读出数据；由于需要进行逐行数据转移，存在转移时间， 所以相邻两帧图像的最小时间间隔至少为数据转移时间。行间转移c c d 得名于 它附加的位于象素间的沿垂直方向的转移寄存器，典型的模式为沿垂直方向邻近 的两个象素共用一个转移寄存器，这种c c d 主要的缺点是它附加的紧靠光敏区 域的存储寄存器降低了电荷填充率，由于一帧图像一次只能存储它的垂直分辨率 的一半，在这种模式下，c c d 仪提供一半的垂直分辨率；由于每次仅能提供一 个象素的存储能力，当奇数行的图像数据正从传感器读出时，偶数行的数据却正 在积累电荷，显然奇数行和偶数行数据不能同时激活，同步性较差。全帧行转移 c c d 从行转移c c d 发展而来，这种c c d 传感器每个像素都有它自己的存储寄 存器：有效消除了行转移c c d 图像传感器像质干扰，电子快门技术可应用于整 个图像而不是像行转移c c d 那样只能作用于一场，不但提高了分辨率，而且还 提高了数据转换时问。全帧行转移c c d 在图像测试技术中的应用，有效提高了 测速范围。 河海大学硕士论文 2 1 2 图像采集 本文采用基于p c i 总线的图像采集卡，结合全帧行转移c c d 进行图像的采 集。输入的视频信号，经p c i 数据总线采集卡的数字解码器和d 转换器等处 理后，能实时将图像数据送至内存或显存中，处理过程无需c p u 支持，完全由 图像采集卡控制。 在r m s i v 系统中，由于河工模型比较大，需要布置大量的摄像机。每个图 像采集卡支持多个摄像机，控制这些摄像机的图像采集方式有两种，一种是循环 采集，另一种是同时采集。当图像采集卡中只含有1 个a d 转换器，只能采用 循环采集，这种图像采集卡可支持多达2 4 路视频输入，但每次只能进行单路图 像的a d 转换，依次采集转换，直至完成所有视频采集，整个过程称为一个扫 描周期，其时间同步性较差，铡如对于1 2 路视频输入，采用p a l 制式，采集完 1 2 路视频信号需要1 2 o 0 4 = o 4 8 秒，即第一路图像与最后一路图像相差了o 4 8 秒。对于同时采集模式，图像采集卡含多个d 转换器，同步性能好，但由于 受计算机p c i 总线数据传输速率的限制，图像采集的大小、位数和输入信号的路 数都受到了一定的制约，目前市场上比较常见的是4 路图像同时采集，8 位信号 输出。本系统就采用这种同步采集方式。支持4 路视频同时输入。 在p a l 制下完成单帧的图像采集需要0 0 4 s ，每帧图像分为奇场和偶场，为 了提高图像采集速率和瞬时性，同时也为了减少图像的数据量，可进行图像场采 集，完成奇场或偶场采集只需要o 0 2 s ，数据量也减少一半。 2 2 图像预处理 由于河工模型形态各异，图像采集时采用自然光照明，图像质量、对比度差 异大，在图像采集、传输和转换过程中又存在噪声、干扰，所以必须对图像进行 处理。才能更好进行速度和河势信息的提取。另外，对于大型河工模型，为了捕 捉整个流场信息，需要布置大量的摄像机，各摄像机之间需要有机的组合才得到 完整的流场图像，为此也需要对图像进行空间变换将流场图像有机地完整地拼接 在一起。 消除噪声的方法有多种。如平滑化和中值滤波，平滑处理通过冲淡图像的 浓度，消除细小的噪声，但它同时也会冲淡图像的边界，不利于河势的提取；中 值滤波是求得某个象素周围区域内象素灰度的中央值或中间值，并将其作为目的 象素灰度值的处理过程，它既可以消除噪声又能保存图像的边界，但处理后仍然 存在一部分的细小噪声，干扰粒子和河势的识别。在阈值变换中，由于摄像机多， 各摄像机间拍摄的实际距离大，不可能采用统一的阈值，否则有可能损失大量流 场信息。因此不论是图像增强，还是在图像分割中，都需要对常规的图像处理方 2 第二章图象的获取及预处理 法进行一定的改进，以满足流场信息的获取。 2 2 1 图像增强 图像增强的目的是突出用户感兴趣的内容，对给定的图像进行处理，增大前 景