一种基于可变背景的流场测量装置及方法

技术特征：
1.一种基于可变背景的流场测量装置，其特征在于，包括：led平行背光源、液晶面板、相机、图像处理模块和背景图案生成模块；所述led平行背光源，用于向液晶面板发射平行光源；所述背景图案生成模块，用于执行下述步骤：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为边长a的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；步骤s5:生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6:判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；步骤s7：以生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板；所述液晶面板，用于显示最优背景图案；所述相机，用于对最优背景图案前未放置待测流场和最优背景图案前放置待测流场分别进行成像，得到第一图像和第二图像；所述图像处理模块，用于对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。2.根据权利要求1所述的基于可变背景的流场测量装置，其特征在于，所述led平行背光源上设置平行光膜。3.根据权利要求1所述的基于可变背景的流场测量装置，其特征在于，所述led平行背光源及液晶面板的尺寸根据待测流场大小确定。4.根据权利要求1所述的基于可变背景的流场测量装置，其特征在于，所述图像处理模块具体用于：获取第一图像和第二图像；对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像进行互相关处理，得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量，由此得到整个待测流场区域背景图案的偏移分布；根据整个待测流场区域背景图案的偏移分布获得待测流场相对折射率分布；根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；根据待测流场相对折射率分布，计算待测流场密度分布；根据待测流场密度分布，计算待测流场温度分布。5.根据权利要求4所述的基于可变背景的流场测量装置，其特征在于，在得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量之后包括：
从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，所述关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取横坐标平均值的整数部分作为第一行数据的对称轴的初始值m；确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于 [m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到2b 1个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标；计算的平均值，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。6.一种基于可变背景的流场测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的基于可变背景的流场测量装置，包括：所述背景图案生成模块执行下述步骤：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为边长a的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；步骤s5:生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6:判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；步骤s7：以生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板；使用相机对液晶面板显示的最优背景图案进行成像，得到第一图像；将待测流场放置在液晶面板和相机之间，使用相机对待测流场和最优背景图案进行成像，得到第二图像；所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。7.根据权利要求6所述的基于可变背景的流场测量方法，其特征在于，所述方法还包括：设置相机的分辨率和采集的帧频；将相机的分辨率和待测流场的大小输入背景图案生成模块。
8.根据权利要求6所述的基于可变背景的流场测量方法，其特征在于，使用相机对液晶面板显示的最优背景图案进行成像之前包括：将led平行背光源调节至最大亮度，将光线投射在液晶面板上；调整相机高度及水平，使其视场完全覆盖待测流场区域及待测流场区域后方的最优背景图案。9.根据权利要求6所述的基于可变背景的流场测量方法，其特征在于，所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度，包括：获取第一图像和第二图像；对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像做互相关处理，得到整个流场区域背景图案的偏移分布；根据整个待测流场区域背景图案的偏移分布获得待测流场相对折射率分布；根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；根据待测流场相对折射率分布，计算待测流场密度分布；根据待测流场密度分布，计算待测流场温度分布。10.根据权利要求9所述的基于可变背景的流场测量方法，其特征在于，在得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量之后包括：从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，所述关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取横坐标平均值的整数部分作为第一行数据的对称轴的初始值m；确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于 [m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到2b 1个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标；计算的平均值，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。

技术总结
本申请提供了一种基于可变背景的流场测量装置及方法，涉及纹影法定量测量技术领域，包括：LED平行背光源、液晶面板、相机、图像处理模块和背景图案生成模块；LED平行背光源，用于向液晶面板发射平行光源；背景图案生成模块，用于基于预设的背景图案生成算法，根据相机分辨率和视场生成最优背景图案，将最优背景图案发送至液晶面板进行显示；相机，用于对最优背景图案前未放置待测流场和最优背景图案前放置待测流场分别进行成像，得到第一图像和第二图像；图像处理模块，用于对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。本申请根据测量需求更改背景图案的大小和样式，提高了待测流场的测量精度。提高了待测流场的测量精度。提高了待测流场的测量精度。


技术研发人员：杨立军 李敬轩 张玥 梁炫烨
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2022/4/22