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CN111473944B - 观测流场中存在复杂壁面的piv数据修正方法、装置 - Google Patents

观测流场中存在复杂壁面的piv数据修正方法、装置 Download PDF

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CN111473944B CN202010190161.7A CN202010190161A CN111473944B CN 111473944 B CN111473944 B CN 111473944B CN 202010190161 A CN202010190161 A CN 202010190161A CN 111473944 B CN111473944 B CN 111473944B
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Abstract

本发明提供了一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法及装置，方法包括：获取观测区域中位于流场内部的区域；获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；以及计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正。本发明通过对位于流场内部区域的各数据点速度值进行中值滤波，从而提高了PIV数据的准确性。

Description

观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法、装置
技术领域
本发明涉及风洞测试领域，尤其是涉及一种利用PIV技术在风洞中观测流场的数据修正方法及装置。
背景技术
粒子图像测速技术(PIV)目前是在流体力学和空气动力学测量中广泛采用的一种非接触测量方法。在使用PIV对流场进行测量的过程中，示踪粒子在极短的时间间隔内被高强度激光片光在同一流动平面上至少照亮两次，并使用高分辨相机记录粒子产生的光散射，两次照亮之间示踪粒子的移动距离即代表了流体的移动距离。
在PIV数据处理中，数字PIV图像被分成称为“查询区域”的子区域，通过对相邻时间相关的两幅图像进行互相关处理，根据互相关峰值即可确定每个查询区域中的示踪粒子在跨帧时间内的局部位移矢量。进一步根据跨帧时间和图像的放大倍数可确定流场中的速度分布。
由于数字PIV图像信噪比等问题，某些查询区域互相关得到的互相关峰值为伪峰值，导致速度矢量计算错误。通常难以保证PIV计算得到的流场中的每一个位移矢量都是可靠的，总会或多或少的存在错误向量，因此需要对错误向量进行识别与修正，以提高PIV流场的数据准确度。中值滤波是一种高效可靠的错误向量识别与修正方法，目前在PIV错误向量识别与修正中广泛采用。
然而，基于中值滤波的错误向量识别与修正方法需要在计算区域边界处进行特殊处理，目前已有的处理方法均未考虑观测流场中存在壁面且观测区域为非矩形的情况。
发明内容
本发明旨在提供一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法、装置，以在观测区域，尤其是非矩形观测区域存在复杂壁面时，提高PIV数据的准确性。
根据本发明的第一方面，提供了一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法，包括：
获取观测区域中位于流场内部的区域；
获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；以及
计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正。
根据可选的实施方式，所述获取观测区域中位于流场内部的区域，包括：根据流场边界和壁面位置确定观测区域中位于流场内部的区域。
根据可选的实施方式，所述观测区域为非矩形观测区域。
根据可选的实施方式，各位置索引周围的相邻数据点数量小于等于8。
根据可选的实施方式，所述计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正，包括：将该差值与一阈值进行比较，若差值小于该阈值，则不对该位置索引点的速度值修正；否则，对该位置索引点的速度值进行修正。
根据可选的实施方式，所述对该位置索引点的速度值进行修正，包括：将所述中值更新为该位置索引点的速度值。
根据本发明的第二方面，提供了一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正装置，该装置包括：
流场区域获取模块，用于获取观测区域中位于流场内部的区域；
位置索引获取模块，获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
搜索记录模块，用于顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
中值计算模块，关于计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；以及
速度修正模块，计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子装置，该电子装置包括：
存储单元，用于存储计算机程序指令；
与所述存储单元通信耦合的处理器，用于执行所述存储计算机程序指令；
当所述处理器执行所述存储计算机程序指令时，执行所述的观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法。
本发明通过对位于流场内部区域的各数据点速度值进行中值滤波，从而提高了PIV数据的准确性。
附图说明
图1为一种全流场速度矢量获取方法示意图。
图2为PIV速度场的数据点示意图；
图3为根据本发明实施例的PIV流场中数据点滤波与修正示意图；
图4为根据本发明实施例的观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法示意性流程；
图5为根据本发明实施例的观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正装置结构示意图；
图6为根据本发明实施例的电子装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
在PIV数据处理中，数字PIV图像被分成称为查询区域(或查询窗口)的子区域，通过对相邻时间Δt的两幅相邻帧图像(t0时刻获得的第一粒子图像，t1时刻获得的第二粒子图像，Δt＝t1-t0)进行互相关处理，根据互相关峰值可确定每个查询区域中的示踪粒子在跨帧时间内的局部位移矢量，进而获得全流场速度矢量分布。
示例性地，如图1所示，可以采用如下步骤获得全流场速度矢量：
(i)将第一粒子图像划分为多个大小相同的查询区域；
所述查询区域，例如可以是大小为n×n像素，以灰度函数f(x,y)表示，区域中心点坐标为(x1,y1)。
(ii)在第二粒子图像中选择一搜索区域，在该搜索区域中，以逐个像素点为中心选择与所述查询区域大小相同的相关区域；
所述搜索区域，例如可以大小为m×m像素，且m＞n。所述相关区域以灰度函数g(x,y)表示，区域中心点坐标为(x2,y2)。
(iii)按预定搜索路径计算第二粒子图像中搜索区域内包含的若干相关区域与第一粒子图像中查询区域的互相关系数，并在该互相关系数形成集合中选择最大互相关系数，获得查询区域内的平均速度。
例如，互相关系数集合为Ci(f,g)，其中i＝0,1,2,…m2-1；在该集合内选择最大互相关系数Cmax，此时相关域图像g(x,y)和查询域图像f(x,y)最匹配。通过锁定互相关计算的最高峰值位置，可以提取f(x,y)和g(x,y)之间的位移，结合相邻两帧图像间的时间间隔Δt，即可获得查询区域内的平均速度。
(iv)移动第一粒子图像中查询区域的位置，重复上述步骤，直至覆盖第一粒子图像中的所有查询区域，从而获得全流场速度矢量分布。
如前所述，由于数字PIV图像信噪比等问题，某些查询区域互相关得到的互相关峰值为伪峰值，导致速度矢量计算错误。因此考虑中值滤波进行错误向量识别与修正。
在上述流场计算过程中，速度矢量位于对应于每一个查询区域的网格点上，如图2所示。已知地，采用中值滤波针对PIV数据在边界处的错误向量识别与提取只能应用于观测流场为矩形的情况，如图中的“4”点的速度数据，当采用中值滤波检测其是否为有效数据时，需要引用其周围“1”、“2”、“5”、“8”、“7”五点的数据作为评判依据。
但当观测流场中包含复杂壁面时，上述方法的主要问题是：它会使用非流场区域的无效速度向量进行错误向量识别与修正，导致修正算法修正后的向量依然是错误向量。
如图2中的“7”点数据，当采用中值滤波检测其是否为有效数据时，若仍然使用传统的方法，则需要引用其周围“4”、“5”、“8”、“11”、“10”五点的数据作为评判依据。由于“10”和“11”点位于实际流场外，引用这两点数据用于判断显然会导致错误。
为解决上述问题，根据本发明的一个实施方式，公开了一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：
步骤1、获取观测区域中位于流场内部的区域；
已知地，流场边界可以根据测试风洞及测试设备的参数获取。
同时，复杂壁面位置可以通过已知的测量途径获得，或者例如可以通过如下方法测量得到：
(11)在风洞实验段中无示踪粒子的状态下，开启激光器，并捕获包括壁面散射亮线的第一激光散射图像。
在该步骤中，不向观测流场中播撒示踪粒子。
开启激光器，由于没有示踪粒子的散射，此时相机捕获到的激光散射图像中只能观察到激光在壁面处散射产生的亮线。对于复杂壁面来说，由于沿流向不同位置处壁面的散射光存在一定差异，沿散射亮线不同位置处激光散射亮线的宽度，也即该亮线所占据的像素点数，也会存在一定区别。
(12)逐渐降低激光能量直至最低激光能量，使得相机捕获到的壁面散射亮线在最宽处小于预定值，捕获该最低激光能量下的包括壁面散射亮线的第二激光散射图像。
在该步骤中，逐渐调低激光器的发射能量，直到在相机捕获到的激光散射图像中，壁面散射亮线的宽度例如不超过两个像素，通过减小壁面处散射激光的强度和散射光亮线的宽度，能够保证壁面位置的确定精度。
(13)对第二激光散射图像进行边缘检测，以确定壁面位置。
针对在最低激光能量下捕获的包括壁面散射亮线的第二激光散射图像，使用例如John F.Canny提出的Canny边缘检测算子进行边缘检测，根据检测得到的边缘线，即可直接确定壁面位置。
由于捕获的第二激光散射图像中壁面处的激光散射亮线占据像素点少，因此可以获得精度非常高的壁面位置信息。
根据流场边界和壁面位置，可以确定位于流场内的区域。
步骤2、获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
在确定了位于流场内的区域之后，对于采用例如前述步骤i～iv的方法得到的全流场速度矢量分布，获取位于所述流场内的区域的N个速度矢量的位置索引(i,j)k，如图3所示，设各点的速度值为uk，其中k＝1,2,…,N，N为位于流场内的速度矢量的数量。
步骤3、顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
如图3所示，位置索引(i,j)k周围有八个数据点，检测各数据点位置是否位于目标流场内部区域，如图3中的“1-4”点位于目标流场内，被壁面W隔开的“5-8”点则位于目标流场外。
记录位置索引(i,j)k周围位于目标流场内各相邻数据点的速度值uh，其中h＝1,2,…,M，M为位置索引(i,j)k周围间距单位网格，即相邻数据点的总速度矢量数，因此，在本发明的实施例中，M的最大值为8。对于壁面和流场边界上的数据点M＜8。
步骤4、计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；
计算位于流场内部区域的各数据点的速度值u1～uM的中值，具体计算方法可以采用将上述各数据点的速度值u1～uM排序，取其中值作为这些数据点的速度值的中值，该中值为umid。也可以采用其他计算中值的方法，本发明对此不作限定，具体过程，本发明在此不再赘述。
步骤5、计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正。
计算所述位置索引的速度值uk与所述中值
Figure BDA0002415571240000081
之间的差值，并将该差值与一阈值σk进行比较，若
Figure BDA0002415571240000082
则认为该位置索引点的速度值可靠，无需修正。
否则，若
Figure BDA0002415571240000083
则认为该位置索引点的速度值不可靠，需要进行修正。
当需要对该位置索引点的速度值进行修正时，可选地，将所述中值作为该位置索引的速度修正值。
根据本发明的另一个实施方式，公开了一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正装置，如图5所示，该装置包括：
流场区域获取模块10，用于获取观测区域中位于流场内部的区域；
位置索引获取模块20，获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
搜索记录模块30，用于顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
中值计算模块40，关于计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；
速度修正模块50，计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正。
该速度修正模块50计算所述位置索引的速度值uk与所述中值
Figure BDA0002415571240000084
之间的差值，并将该差值与一阈值σk进行比较。若
Figure BDA0002415571240000085
则所述速度修正模块50判断该位置索引点的速度值可靠，无需修正。
否则，若
Figure BDA0002415571240000091
则所述速度修正模块50判断该位置索引点的速度值不可靠，需要进行修正。
当需要对该位置索引点的速度值进行修正时，可选地，速度修正模块50将所述中值作为该位置索引的速度修正值。
根据本发明的另一个实施方式，公开了一种电子装置，用于对观测流场中存在复杂壁面的PIV数据进行修正。如图6所示，该电子装置包括：
存储单元100，用于存储计算机程序指令；
与所述存储单元通信耦合的处理器200，用于执行所述存储计算机程序指令；
当所述处理器200执行所述存储计算机程序指令时，执行前述观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法的各步骤。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法，其特征在于，包括：
获取观测区域中位于流场内部的区域；其中，根据流场边界和复杂壁面位置确定位于流场内的区域，复杂壁面位置通过以下方法得到：
在风洞实验段中无示踪粒子的状态下，开启激光器，并捕获包括壁面散射亮线的第一激光散射图像；
逐渐降低激光能量直至最低激光能量，使得相机捕获到的壁面散射亮线在最宽处小于预定值，捕获该最低激光能量下的包括壁面散射亮线的第二激光散射图像；
对第二激光散射图像进行边缘检测，以确定壁面位置；
获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；以及
计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正，包括：将该差值与一阈值进行比较，若差值小于该阈值，则不对该位置索引点的速度值修正；否则，对该位置索引点的速度值进行修正，将所述中值更新为该位置索引点的速度值。
2.根据权利要求1所述的PIV数据修正方法，其特征在于，所述获取观测区域中位于流场内部的区域，包括：根据流场边界和壁面位置确定观测区域中位于流场内部的区域。
3.根据权利要求1或2所述的PIV数据修正方法，其特征在于，所述观测区域为非矩形观测区域。
4.根据权利要求1所述的PIV数据修正方法，其特征在于，各位置索引周围的相邻数据点数量小于等于8。
5.一种观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正装置，其特征在于，该装置包括：
流场区域获取模块，用于获取观测区域中位于流场内部的区域；其中，该模块根据流场边界和复杂壁面位置确定位于流场内的区域，复杂壁面位置通过以下方法得到：
在风洞实验段中无示踪粒子的状态下，开启激光器，并捕获包括壁面散射亮线的第一激光散射图像；
逐渐降低激光能量直至最低激光能量，使得相机捕获到的壁面散射亮线在最宽处小于预定值，捕获该最低激光能量下的包括壁面散射亮线的第二激光散射图像；
对第二激光散射图像进行边缘检测，以确定壁面位置；
位置索引获取模块，获取位于所述流场内部区域的各速度矢量的位置索引；
搜索记录模块，用于顺序搜索各位置索引周围的相邻数据点，记录所述相邻数据点中位于流场内部区域的各数据点的速度值；
中值计算模块，关于计算所述位于流场内部区域的各数据点的速度值的中值；以及
速度修正模块，计算所述位置索引的速度值与所述中值之间的差值，并根据该差值对所述位置索引的速度值进行修正，包括：将该差值与一阈值进行比较，若差值小于该阈值，则不对该位置索引点的速度值修正；否则，对该位置索引点的速度值进行修正，将所述中值更新为该位置索引点的速度值。
6.一种电子装置，该电子装置包括：
存储单元，用于存储计算机程序指令；
与所述存储单元通信耦合的处理器，用于执行所述存储计算机程序指令；
当所述处理器执行所述存储计算机程序指令时，执行前述权利要求1-4任一项所述的观测流场中存在复杂壁面的PIV数据修正方法。
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