管道內周向液膜特徵光學畸變校正與測量方法與流程
2023-04-24 21:14:11
本發明屬於多相流測試領域，特別涉及一種管道內周向液膜特徵的光學畸變校正和測量方法。
背景技術：
對於管道內氣液兩相流，當氣相佔據管道截面中心，而液相附著於管道內壁流動時，稱為氣液環狀流。環狀流具有較寬的氣、液相流速範圍，而且液膜流動消耗少，熱質交換能力強，廣泛存在於石油、化工、水利、能源、冶金、核工業等國民經濟重要的工業生產過程、系統和裝備中。對於管道內液膜重要的特徵參數，如液膜厚度及其分布、波速、液膜與管壁間剪切應力等的準確測量具有非常重要的意義。在高流速下，由於液霧以及氣液相間的相互作用，液膜流動呈現非軸對稱性，除了沿液膜流動方向的管道軸向液膜流動結構，解析管道圓周截面上的液膜流動特徵和流動結構具有更為重要的研究意義。
典型的管道內液膜流場測試方法，如基於電導探針的測量方法僅能探測其附近的信號，且具有平均效應，在液膜厚度較大時，信號靈敏度會降低，即使採用多電導電極陣列，對於隨時空高速變化的動態液膜而言，仍然難以獲得足夠高的時空解析度。平面雷射誘導螢光(PLIF)技術是一種具有原理優勢的流場診斷方法，具有非侵入、高時空解析度、場測量以及可視化的突出優勢，已成為環狀流和液膜研究的前沿和熱點。該方法是採用接近螢光物質最大吸收波長的雷射作為激發光源，照射空間流場某一截面，誘導溶於液相中的螢光分子發出螢光，利用高速攝像機獲取螢光圖像並進行診斷的一種先進光學診斷方法。
針對基於PLIF的液膜流動測試，由於管道以及氣液相折射率的差異，以及管道彎曲形狀所帶來的影響，攝取到的液膜圖像難免失真，採集計算得到的實際液膜厚度大於原始液膜厚度。目前為了克服管道內液膜光路畸變和失真帶來的影響，使其易於診斷，一般會建立矩形管道，或通過折射率匹配的方法，即在圓管外安裝方形管道，其間充滿折射率相近的工作液體來進行光路補償，這種基於外加結構的折射率匹配方法增加了測量的複雜性，在有些場合也難以實現。因此，如何實現管道內液膜特徵的普適性、高精度測量成為具有突破性的關鍵技術之一。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種基於靶標校準的管道內周向液膜光學畸變校正和測量方法，不依賴於管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,即使在圓管外不加方形水套也可以實現周向液膜特徵的非侵入、高精度測量與分析。本發明採用的技術方案是，管道內周向液膜特徵光學畸變校正與測量方法，步驟如下：
1)、設計適用於管道內周向液膜測量的圓形校準靶標，採集液相工質條件下待測周向截面的靶標畸變圖像，提取靶標畸變圖像上的特徵點；
2)、將靶標畸變圖像與理想靶標圖像上的特徵點進行匹配，基於多項式函數建立原始圖 像與畸變圖像特徵點之間的映射數學模型；
3)、調整片狀雷射，使其水平照亮靶標平面處的管道橫截面，激發溶解有特定螢光溶劑的軸向液膜產生螢光，利用高速攝像機攝取圓管內周向液膜的雙視角螢光圖像；
4)、將採集的液膜原始圖像進行灰度化、差影及濾波預處理，並基於映射數學模型對預處理後的液膜圖像進行畸變校正，具體分為兩步，一是對原畸變圖像與畸變校正後圖像進行映射變換，二是基於灰度插值確定畸變校正後圖像的灰度值；
5)、將畸變校正後的雙視角圖像中心位置重合，並對攝取的左、右半周液膜圖像有效部分進行融合，準確還原周向液膜的流動狀態，以便提取周向液膜特徵，並進一步分析管道內液膜的演化特性及傳熱傳質特性。
靶標設計為圓形，直徑為管道內徑2倍，靶標特徵由距離靶心不同遠近的圓點組成，位於靶心的中心圓點直徑為1mm，距離其最近且與豎直方向夾角分別為0°、90°、180°及270°處分別排列4個小圓點，直徑為0.25mm，將管道中心作為投影基準，其餘圓點按橫向與縱向間距1.5mm依次排列，直徑為0.5mm，，根據雙視角周向液膜的分布特性，採用單臺高速攝像機和折光分光光路虛擬兩臺高速攝像機，將靶標平面置於片狀雷射照亮的待測圓周截面位置上，在管道內加注液相；
將靶標的圓點質心作為待提取特徵點，根據光路分析，圓管內靶標中心區域的光路畸變最小，因此可以將中心區域處4個小圓點的位置關係作為已知條件，對靶標畸變圖像進行灰度化、差影、濾波以及閾值分割，提取各圓點特徵的質心及面積，根據面積屬性獲取靶標中心位姿關係，並利用已知4個小圓點與中心點之間的位置關係，由近及遠依次推導出其餘圓點的質心坐標，建立理想靶標圖像，並得到其特徵點坐標及其位姿關係，根據畸變靶標圖像與理想圖像特徵點之間的畸變投影關係匹配特徵點，基於多項式函數建模的方法得到畸變校正的數學模型，其原理如下：
設p(u,v)為理想圖像，p(x,y)為對應畸變的圖像，兩者的特徵點坐標存在非線性對應關係F，即
(x,y)＝F(u,v) (1)
上式可用多項式模型來近似，即
式中，aij和bij為待定係數，n為多項式次數。通過特徵點匹配獲得多組匹配對，基於最小二乘擬合得到式(2)中多項式係數。
進一步地，基於靶標校正後，利用雷射照射該橫截面流場，採用高速攝像機攝取並對畸變的液膜螢光圖像進行校正處理，即對圖像上每一坐標值(u,v)進行變換F，得到在畸變圖像上的對應坐標(x,y)，在獲得畸變圖像與校正圖像坐標之間的變換關係後，採用灰度插值法，確定校正後圖像灰度值。
本發明的特點及有益效果是：
本發明方法通過基於靶標的畸變校正方法，結合平面雷射誘導螢光技術，實現了圓管內周向液膜的光學畸變校正與高精度可視化測量。該方法突破了傳統測量手段必須建立矩形管 道，或通過折射率匹配(在圓管外安裝方形透明管，其間充滿折射率相近的工作液體)進行光路補償的局限性，基於畸變校正數學模型實現了管道內周向液膜的高精度、普適性測量，為後續氣液環狀流中液膜流動結構及演化特性分析奠定了堅實基礎。
附圖說明：
圖1為管道內周向液膜流動特徵不同測量方法示意圖(以豎直管道為例)。圖中，(a)為傳統折射率匹配方法示意圖，(b)為本發明測量方法示意圖。
圖2為設計的校準靶標與高速攝像機採集的靶標圖像。圖中，(a)為設計的靶標樣式及局部放大圖，(b)為實際採集的靶標圖像。
圖3為管道內周向液膜畸變校正前與畸變校正後的圖像。圖中，(a)為畸變校正前的周向液膜圖像(預處理後)，(b)為畸變校正後的液膜圖像，(c)為左右視角融合後的液膜圖像。
具體實施方式
本方法適用於環狀流圓管內周向液膜特徵的光學畸變校正和測量，同樣也適用於其他流型或降膜圓管內周向液膜特徵的光學畸變校正和測量。
針對圓管內周向液膜，本發明通過基於靶標的光學畸變校正，結合平面雷射誘導螢光技術，實現了周向液膜特徵的光學畸變校正與高精度測量。設計了新型圓形校準靶標，基於靶標建立畸變圖像與真實圖像之間的變換關係，並通過液膜圖像預處理、畸變校正及圖像融合，即使不採用方形管道或增加水套裝置，仍然可以有效重建管道內液膜圖像，進而高精度地提取周向液膜時空流動特徵。
具體校正及測量方法如下：
1、設計適用於管道內周向液膜測量的圓形校準靶標，採集液相工質條件下待測周向截面的靶標畸變圖像，提取靶標畸變圖像上的特徵點；
2、將靶標畸變圖像與理想靶標圖像上的特徵點進行匹配，基於多項式函數建立原始圖像與畸變圖像特徵點之間的映射數學模型；
3、調整片狀雷射，使其水平照亮靶標平面處的管道橫截面，激發溶解有特定螢光溶劑的軸向液膜產生螢光，利用高速攝像機攝取圓管內周向液膜的雙視角螢光圖像；
4、將採集的液膜原始圖像進行灰度化、差影及濾波等預處理，並基於映射數學模型對預處理後的液膜圖像進行畸變校正，具體分為兩步，一是對原畸變圖像與畸變校正後圖像進行映射變換，二是基於灰度插值確定畸變校正後圖像的灰度值；
5、將畸變校正後的雙視角圖像中心位置重合，並對攝取的左、右半周液膜圖像有效部分進行融合，準確還原周向液膜的流動狀態，以便提取周向液膜特徵，並進一步分析管道內液膜的演化特性及傳熱傳質特性等。
本發明一種基於靶標校準的管道內周向液膜流動參數光學畸變校正和測量方法，其獨特之處在於：不依賴於管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,對於圓形管道而言，即使不外加方形水套也可以實現周向液膜厚度、分布等流動特徵的無擾、準確測量和分析，對於非軸對稱氣液環狀流流動結構和流動特性的研究而言尤為重要。
下面結合附圖對本發明做進一步的說明：
圖1所示為管道內周向液膜的不同測量方法示意圖。以豎直管道內環狀流液膜為例，圓形管道內為被螢光劑(如羅丹明B)染色後的液膜，雷射平面水平照射管道內液膜流場，兩臺高速攝像機分別從兩個視角獲取液膜左、右半周液膜圖像並進行處理。由於管道以及氣液相折射率的差異，以及管道彎曲形狀所帶來的影響，管道內液膜會產生光路畸變和失真，傳統的測量方法需要在圓管外安裝方形透明管段，其間充滿折射率相近的工作液體(如水，其折射率n＝1.33)來進行光路補償，如圖1(a)所示。本發明方法基於靶標校準建立畸變圖像與真實圖像之間的關係，不加裝方形水套也可以實現周向液膜特徵的準確測量，如圖1(b)所示。
圖2所示為設計的靶標樣式及高速攝像機採集得到的靶標圖像。靶標設計為圓形，直徑為管道內徑2r。為了方便、快速、準確地提取特徵進行投影變換，設計靶標如圖2(a)所示。靶標特徵由距離靶心不同遠近的圓點組成，中心圓點直徑為1mm，距離其最近且與豎直方向夾角分別為0°、90°、180°及270°處分別排列4個小圓點，直徑為0.25mm，如圖2(a)中放大圖所示，由於管道中心處畸變較小，可將其作為投影基準，其餘圓點按橫向與縱向間距1.5mm依次排列，直徑為0.5mm。根據雙視角周向液膜的分布特性，為了嚴格同步及有效利用高速攝像機視場，採用單臺高速攝像機和折光分光光路虛擬兩臺高速攝像機，將靶標平面置於片狀雷射照亮的待測圓周截面位置上，在管道內加注液相，攝取的雙視角靶標圖像如圖2(b)所示。從圖中可以看出，由於管道形狀及不同折射率的影響，靶標圖像產生了明顯的畸變，中心區域畸變較小，靠近管道處畸變較大。
將靶標的圓點質心作為待提取特徵點，根據光路分析，圓管內靶標中心區域的光路畸變最小，因此可以將中心區域處4個小圓點的位置關係作為已知條件。對靶標畸變圖像進行灰度化、差影、濾波以及閾值分割等，提取各圓點特徵的質心及面積，根據面積屬性獲取靶標中心位姿關係，並利用已知4個小圓點與中心點之間的位置關係，由近及遠依次推導出其餘圓點的質心坐標。建立理想靶標圖像，並得到其特徵點坐標及其位姿關係，根據畸變靶標圖像與理想圖像特徵點之間的畸變投影關係匹配特徵點，基於多項式函數建模的方法得到畸變校正的數學模型，其原理如下：
設p(u,v)為理想圖像，p(x,y)為對應畸變的圖像，兩者的特徵點坐標存在非線性對應關係F，即
(x,y)＝F(u,v) (1)
上式可用多項式模型來近似，即
式中，aij和bij為待定係數，n為多項式次數。通過特徵點匹配獲得多組匹配對，基於最小二乘擬合得到式(2)中多項式係數，為了滿足計算量與畸變校正精度的需求，多項式次數n一般取5。
基於靶標校正後，利用雷射照射該橫截面流場，採用高速攝像機攝取並對畸變的液膜螢光圖像進行校正處理，即對圖像上每一坐標值(u,v)進行變換F，得到在畸變圖像上的對應坐標(x,y)。在獲得畸變圖像與校正圖像坐標之間的變換關係後，採用灰度插值法確定校正後圖 像灰度值，
圖3為採用本發明方法採集得到的周向液膜原始圖像以及畸變校正後的圖像。其中，圖3(a)為基於PLIF攝取的環狀流圓管內周向液膜雙視角圖像，並經過了灰度化、差影及中值濾波等圖像預處理。從圖中可以看出，由於光路畸變的影響，攝取的液膜圖像產生了很大的畸變。基於畸變校正數學模型對圖3(a)進行處理，得到畸變校正後的液膜圖像，如圖3(b)所示。從圖中可以看出，基於靶標的光學畸變校正方法可以很好地對管道內液膜畸變進行逆變換，從而有效地去除由於圓形管道及不同折射率所帶來的畸變影響。將畸變校正後的雙視角圖像中心位置重合，並對圖像中液膜有效部分進行邏輯「與」運算，融合後的周向液膜圖像如圖3(c)所示，準確還原了周向液膜的流動結構。
基於靶標校準後的周向液膜圖像，可以有效還原管道內周向液膜流動分布，準確獲取周向液膜厚度及分布，進而獲得液膜時空統計特徵及波動特徵。該發明為科學研究和工程應用領域中實現管道內液膜的準確、普適測量，深入認識液膜演化及傳熱傳質特性，以及氣液環狀流流動特性等提供了新的技術途徑，有力推動了兩相/多相流動測試和流動理論的發展。