基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法和系统

1.本技术涉及密度场测量技术领域，具体地，涉及一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法及系统。


背景技术：

2.在室内热湿环境和通风、火灾烟气等领域研究中，采用盐水实验模拟真实环境下空气运动是一种重要的实验手段之一，加入示踪染料观察流动状态，进而根据相似理论分析实际建筑中空气的运动发展。常用的盐水模型测量方式分为接触式和非接触式。接触式测量一般采用热电偶，接触式测量会对流场流动产生干扰，流场下游的传感器会受到上游传感器的影响，因此，在实验中更倾向非接触式测量。目前常用的非接触式测量方法为通过对采集图像灰度读取来测量流场的密度分布，这种方法存在示踪染料的扩散影响实验数据准确性、无法读取速度场且分层内部羽流的运动细节往往无法用人眼直接观测等问题。
3.纹影成像作为重要的非接触式测量技术之一，观测到空气密度变化的能力使研究人员能够拍摄可压缩流动、热对流和化学混合过程中的现象。背景导向纹影技术(bos)属于合成纹影方法，是一种利用气体密度和折射率之间的gladstone-dale关系对流体密度梯度进行流动可视化的新技术。bos利用一个光源，将位于测试室一侧的纹理背景(通常是随机的点图案)投射到位于另一侧的相机传感器上。第一个图像(称为参考图像)通过密度均匀的停滞流体记录。利用光在流场区域的折射率变化引起光线偏折，引起背景纹影图案中对应像素的失真，利用光流或粒子图像测速(piv)方法对位移进行量化，并提供与折射率导数成正比的虚拟位移场。目前，大多数bos研究集中在均匀气体(空气)介质中直接放置加热热源，而对于液态流场缺少实际测量和和定量分析。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的至少一个不足，本技术提供一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法及系统。
5.第一方面，提供一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法，包括：
6.在均匀清水流场下，获取背景图案的第一参考图像；
7.在空气场下，获取背景图案的第二参考图像；
8.在密度梯度流场下，获取背景图案图像；
9.对所述第一参考图像和所述第二参考图像进行互相关，确定校准场；
10.将所述背景图案图像与所述校准场进行重映射，得到映射后的背景图案图像；
11.将所述映射后的背景图案图像与所述第二参考图像进行互相关，得到位移场；
12.针对所述位移场采用radon逆变换，得到重建后的位移场；
13.根据所述重建后的位移场确定折射率分布；
14.根据所述折射率分布确定密度场。
15.在一个实施例中，根据所述重建后的位移场确定折射率分布，包括：
[0016][0017]
其中，δn为重建后的位移场中位移点(δx'，δy')的折射率，k为影响系数的倒数；
[0018]
所述重建后的位移场中所有位移点的折射率构成所述折射率分布
[0019]
在一个实施例中，根据所述折射率分布确定密度场，包括：
[0020][0021]
其中，为密度场，为折射率分布，ρ0为清水密度，n0为清水折射率，β为折射率对密度的变化率。
[0022]
在一个实施例中，所述方法还包括：
[0023]
根据所述密度场确定流体速度。
[0024]
第二方面，提供一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量系统，包括：led光源、背景图案板、试验液体系统、图像采集装置和计算机；
[0025]
所述led光源用于对所述背景图案板进行均匀照明；
[0026]
所述led光源发出的光线经所述背景图案板穿过所述试验液体系统，入射到所述图像采集装置；
[0027]
所述试验液体系统内充入密度分层液体时，形成密度梯度流场；充入清水时，形成均匀清水流场；充入空气时，形成空气场；
[0028]
所述图像采集装置用于采集在均匀清水流场下所述背景图案板中背景图案的第一参考图像、在空气场下所述背景图案板中背景图案的第二参考图像以及在密度梯度流场下的所述背景图案板中的背景图案图像；
[0029]
所述计算机用于实现上述的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法。
[0030]
在一个实施例中，所述led光源和所述图像采集装置分别设置在所述试验液体系统的两侧，且中心线保持一致；所述背景图案板与所述试验液体系统的距离小于所述试验液体系统与所述图像采集装置之间的距离。
[0031]
在一个实施例中，所述图像采集装置为高速工业相机，所述背景图案板与所述试验液体系统之间的距离zd为400mm-700mm，所述背景图案板与所述高速工业相机间的距离zb为1200-1500mm，所述高速工业相机焦距f为40-60mm。
[0032]
相对于现有技术而言，本技术具有以下有益效果：
[0033]
(1)本技术中背景纹影技术结合了piv技术的理论，不仅节省了实验器材费用和场地，而且避免了透镜大小对待测流场范围的限制，测量范围广。
[0034]
(2)本技术在自然热对流(空气)中利用背景纹影技术来研究自然通风容易受到周围环境气流的干扰，将现有在气体流场中的背景纹影技术拓展到液体流场，将背景纹影技术与盐水实验结合，减少实验误差，保证精确性。
[0035]
(3)本技术方法避免了盐水实验中将有色染料放入液体场，从而不会对待测流场的状态产生干扰，光学反应迅速且能实现流场实时探测；该方法测量精度高，可以获得流场的定量测量数据。
[0036]
(4)本技术确定工业相机所拍摄背景图案斑点的偏移量，从而定量求取液体场内的密度分布，结构简单，操作方便，精度高。
附图说明
[0037]
本技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：
[0038]
图1示出了根据本技术实施例的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量系统的结构示意图；
[0039]
图2示出了根据本技术实施例的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法的流程框图。
具体实施方式
[0040]
在下文中将结合附图对本技术的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。
[0041]
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的装置结构，而省略了与本技术关系不大的其他细节。
[0042]
应理解的是，本技术并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。
[0043]
图1示出了根据本技术实施例的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量系统的结构示意图，参见图1，系统包括：led光源、背景图案板、试验液体系统、图像采集装置和计算机；这里，led光源、背景图案板、试验液体系统和图像采集装置依次设置，图像采集装置可以采用高速工业相机；
[0044]
led光源对背景图案板进行均匀照明；led光源前用硫酸纸作为扩散屏，成千上万直径为0.5毫米的斑点随机分布在背景图案板上，作为纹影的背景图案；根据散斑不重叠条件，生成高斯散斑图像作为背景图案，背景斑点在图像中大小约3pixel，点与点之间的间距在2-4pixel之间，背景斑点的形状对于密度场求取影响较小。实验采用白底黑点的对比形式，以提高图像对比度，保证图像处理的高质量。
[0045]
led光源发出的光线经背景图案板穿过试验液体系统，入射到图像采集装置。
[0046]
试验液体系统包括清水箱，清水箱内设置有模拟建筑环境系统，这里密度分层液体可以为盐水，当盐水进入模拟建筑环境系统，引起密度差异，用来模拟建筑内部的受热气流；模拟建筑环境系统中根据相似理论做成缩尺建筑模型，利用盐水在清水中的运动研究热浮力气流在环境空气内的运动情况。试验液体系统内充入密度分层液体时，形成密度梯度流场；充入清水时，形成均匀清水流场；充入空气时，形成空气场。
[0047]
图像采集装置用于采集在均匀清水流场下背景图案板中背景图案的第一参考图像、在空气场下背景图案板中背景图案的第二参考图像以及在密度梯度流场下的背景图案
板中的背景图案图像。
[0048]
本系统在均匀清水箱中加入一定浓度的盐水时，水箱密度分布发生变化，形成密度梯度流场，来自背景的光线穿过清水箱内密度(或浓度)不一的流场时，因为折射率变化而发生偏折，入射到图像接收面处的位置会发生改变，畸变画面被高速工业相机记录下来，计算机接收图像后进行图像处理，导入参考图像和测量图像，基于数字图像相关算法对多帧图像进行处理，最终重建图像，达到流场实时可视化的目的，最终得到密度场。
[0049]
为了保证高速工业相机拍摄的图像，使用遮光帘将高速工业相机、试验液体系统、背景图案板置于暗室，只保留室内固定的光源照明。
[0050]
试验开始前，将清水箱充入清水，待界面稳定，将模拟建筑环境系统放置在清水箱内，led光源和高速工业相机分别设置在清水箱的两侧，且中心线保持一致，保证相机光轴与背景图案板的中心垂直，镜头中心与模拟建筑环境系统的中心等高且平行，打开高速工业相机，高速工业相机中屏幕显示图案位于整个取景框的中心，避免镜头畸变带来的边缘画质损失。背景图案板与试验液体系统的距离小于试验液体系统与图像采集装置之间的距离。
[0051]
进一步地，相机焦距f、背景图案板与清水箱之间的距离zd、背背景图案板与高速工业相机间的距离zb，采用最高分辨率模式。相机焦距满足的定量关系为：
[0052][0053]
其中，zi表示相机靶面与镜头之间的距离。
[0054]
由几何关系，y方向上的图像点位移为l：
[0055]
l＝zdαyf/zb[0056]
式中，αy为偏折角，zd、zb、f均为影响背景纹影系统折射率灵敏度的因素，在本技术的系统中，zd的取值为400mm-700mm、zb的取值为1200-1500mm；工业相机在现有实验室条件下镜头焦距f为40-60mm。在上述参数范围内可以确保背景纹影装置能够获得较为清晰的纹影图像，同时保证实验的安全进行。
[0057]
以下详细介绍本技术实施例的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法的具体流程，图2示出了根据本技术实施例的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法的流程框图，方法包括：
[0058]
步骤s1，在均匀清水流场下，获取背景图案的第一参考图像；这里，当清水箱充入清水时，在均匀清水流场的情况下，相机采集初始前5min的图像平均值，作为背景图案的第一参考图像p
water
(x,y)。
[0059]
步骤s2，在空气场下，获取背景图案的第二参考图像p
air
(x,y)；这里，当清水箱充满空气时，相机拍摄背景图案板，采集背景图案的第二参考图像。
[0060]
步骤s3，在密度梯度流场下，获取背景图案图像p
salt
(x,y)；这里，按实验方案将配好的一定浓度的盐水送入试验液体系统中的高位盐水储箱，并打开模拟建筑环境系统相应数量和大小的开口；打开阀门，高位盐水储箱中的盐水依次流经小型过滤器、转子流量计和羽流喷嘴直接进入模拟建筑环境系统内部，使得模拟建筑环境系统内部产生密度梯度，同时相机对背景图像进行拍摄采集，得到背景图案图像。
[0061]
步骤s4，对第一参考图像p
water
(x,y)和第二参考图像p
air
(x,y)进行互相关，确定校
准场；
[0062]
步骤s5，将背景图案图像p
salt
(x,y)与校准场进行重映射，得到映射后的背景图案图像；
[0063]
步骤s6，将映射后的背景图案图像与第二参考图像p
air
(x,y)进行互相关，得到位移场；
[0064]
步骤s7，针对位移场采用radon逆变换，得到重建后的位移场；
[0065]
步骤s8，根据重建后的位移场确定折射率分布。
[0066]
具体地，首先，可以采用以下公式确定位移点的折射率：
[0067][0068]
其中，δn为重建后的位移场中位移点(δx'，δy')的折射率，k为影响系数的倒数；
[0069]
然后，重建后的位移场中所有位移点的折射率构成折射率分布
[0070]
步骤s9，根据折射率分布确定密度场。
[0071]
具体地，可以采用以下公式确定密度场：
[0072][0073]
其中，为密度场，为折射率分布，ρ0为清水密度，n0为清水折射率，β为折射率对密度的变化率，n为每个位移点对应的折射率，ρ为每个位移点对应的密度。
[0074]
进一步地，在得到密度场以后，还可以根据以下函数关系，得到流体速度：
[0075][0076]
其中，k1是等熵指数，c是声速，一般取340m/s，v
x
为每个位移点对应的流体速度，ρ为每个位移点对应的密度，密度场由各个位移点对应的密度构成。
[0077]
综上，本技术具有以下技术效果：
[0078]
(1)本技术中背景纹影技术结合了piv技术的理论，不仅节省了实验器材费用和场地，而且避免了透镜大小对待测流场范围的限制，测量范围广。
[0079]
(2)本技术在自然热对流(空气)中利用背景纹影技术来研究自然通风容易受到周围环境气流的干扰，将现有在气体流场中的背景纹影技术拓展到液体流场，将背景纹影技术与盐水实验结合，减少实验误差，保证精确性。
[0080]
(3)本技术方法避免了盐水实验中将有色染料放入液体场，从而不会对待测流场的状态产生干扰，光学反应迅速且能实现流场实时探测；该方法测量精度高，可以获得流场的定量测量数据。
[0081]
(4)本技术确定工业相机所拍摄背景图案斑点的偏移量，从而定量求取液体场内的密度分布，结构简单，操作方便，精度高。
[0082]
以上所述，仅为本技术的各种实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法，其特征在于，包括：在均匀清水流场下，获取背景图案的第一参考图像；在空气场下，获取背景图案的第二参考图像；在密度梯度流场下，获取背景图案图像；对所述第一参考图像和所述第二参考图像进行互相关，确定校准场；将所述背景图案图像与所述校准场进行重映射，得到映射后的背景图案图像；将所述映射后的背景图案图像与所述第二参考图像进行互相关，得到位移场；针对所述位移场采用radon逆变换，得到重建后的位移场；根据所述重建后的位移场确定折射率分布；根据所述折射率分布确定密度场。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，根据所述重建后的位移场确定折射率分布，包括：其中，δn为重建后的位移场中位移点(δx’，δy’)的折射率，k为影响系数的倒数；所述重建后的位移场中所有位移点的折射率构成所述折射率分布3.如权利要求1所述的的方法，其特征在于，其中，根据所述折射率分布确定密度场，包括：其中，为密度场，为折射率分布，ρ0为清水密度，n0为清水折射率，β为折射率对密度的变化率。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述密度场确定流体速度。5.一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量系统，其特征在于，包括：led光源、背景图案板、试验液体系统、图像采集装置和计算机；所述led光源用于对所述背景图案板进行均匀照明；所述led光源发出的光线经所述背景图案板穿过所述试验液体系统，入射到所述图像采集装置；所述试验液体系统内充入密度分层液体时，形成密度梯度流场；充入清水时，形成均匀清水流场；充入空气时，形成空气场；所述图像采集装置用于采集在均匀清水流场下所述背景图案板中背景图案的第一参考图像、在空气场下所述背景图案板中背景图案的第二参考图像以及在密度梯度流场下的所述背景图案板中的背景图案图像；所述计算机用于实现权利要求1-4中任意一项所述的基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述led光源和所述图像采集装置分别设置在所述试验液体系统的两侧，且中心线保持一致；所述背景图案板与所述试验液体系统的
距离小于所述试验液体系统与所述图像采集装置之间的距离。7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述图像采集装置为高速工业相机，所述背景图案板与所述试验液体系统之间的距离z
d
为400mm-700mm，所述背景图案板与所述高速工业相机间的距离z
b
为1200-1500mm，所述高速工业相机焦距f为40-60mm。

技术总结
本申请涉及一种基于背景导向纹影的密度分层液体密度场测量方法及系统，方法包括：对均匀清水流场下的第一参考图像和空气场下的第二参考图像进行互相关，确定校准场；将背景图案图像与校准场进行重映射，得到映射后的背景图案图像；将映射后的背景图案图像与第二参考图像进行互相关，得到位移场；针对位移场采用Radon逆变换，得到重建后的位移场；根据重建后的位移场确定折射率分布；根据折射率分布确定密度场。本申请在自然热对流(空气)中利用背景纹影技术来研究自然通风容易受到周围环境气流的干扰，将现有在气体流场中的背景纹影技术拓展到液体流场，将背景纹影技术与盐水实验结合，减少实验误差，保证精确性。保证精确性。


技术研发人员：刘洋 侯思仪 黄中伟 关溢博 黄一鸣 祁娜
受保护的技术使用者：江西理工大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/13