一種水流中分布式ptv流場測量系統的製作方法

2023-12-10 08:12:37

一種水流中分布式ptv流場測量系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水流中分布式PTV流場測量系統，包括河工模型、示蹤粒子、一組智能相機、一組ＰＯＥ交換機、無線路由器和流場顯示室；所述示蹤粒子均勻分布在河工模型的水流中，所述智能相機安裝在河工模型的水流表面上方，所述智能相機與ＰＯＥ交換機連接，所述ＰＯＥ交換機與無線路由器相連接，所述無線路由器與無線網卡聯通，流場顯示室與無線網卡連接。本實用新型通過採用智能相機和無線測量，提高了測量速度，直接輸出測量數據，克服了現有技術中輸出圖像數據，數據量大，無法實現無線測量，而且由於處理速度低，無法瞬時測量的技術問題。
【專利說明】一種水流中分布式PTV流場測量系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種水流中分布式PTV流場測量系統，具體涉及一種水流中表面流場的分布式圖像測速系統，屬於水力學及河流動力學【技術領域】。
【背景技術】
[0002]水流結構是水力學及河流動力學的核心內容，模型試驗是開展水流研究的重要手段，而流速測量技術是獲取水流結構數據的基礎，開展模型試驗流場測量技術的研究對提高水流泥沙研究水平十分必要和迫切，可為水利工程建設、防洪、航運、水生態治理與修復、水汙染防治與水環境改善等提供先進的技術支撐。
[0003]目前在水流模型試驗研究中，廣泛應用的是粒子圖像跟蹤測速技術(PTV, Particle Tracking Velocimetry,粒子圖像跟蹤測速技術),主要用於河工及港工模型大範圍瞬時表面流場的測量。但目前的PTV流場測量系統多採用普通模擬攝像頭，需要通過視頻線與圖像採集卡進行多通道圖像採集，當測量範圍較大時，通常需要布置數十個甚至上百個攝像頭，布線非常複雜繁瑣。此外，計算機需對多個攝像頭的圖像進行循環處理，計算出每個攝像頭拍攝區域的流場然後進行全場拼接，才能得到全流場。當攝像頭數量較多時，圖像處理時間會比較長，就很難保證測量的是瞬時流場，布線複雜、圖像處理時間長等難題急需得到解決，已經嚴重製約了水流研究水平的提高。
[0004]目前採用有線測量方式，布線較複雜，增加了安裝難度，另外，由於每臺計算機圖像採集卡支持的通道數有限，當攝像頭數量太多時，需要多臺計算機，操作不方便。而且由於線太多，經常會出現信號幹擾，影響成像質量。
[0005]綜上所述，模型試驗流場測量技術是水流研究的關鍵技術，為了克服目前PTV流場測速技術難以解決的難題，急需研發一種能夠實現無線測量、滿足瞬時性要求的粒子圖像測速的裝置或系統，進一步提高流場測量技術水平。
實用新型內容
[0006]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型的第一目的是提供一種分布式PTV流場瞬時測量系統。
[0007]技術方案:為解決上述技術問題，本實用新型提供的一種水流中分布式PTV流場測量系統，包括河工模型、示蹤粒子、一組智能相機、一組P O E交換機、無線路由器和流場顯示室；所述示蹤粒子均勻分布在河工模型的水流中，所述智能相機安裝在河工模型的水流表面上方，所述智能相機與P O E交換機連接，所述P O E交換機與無線路由器相連接，所述無線路由器與無線網卡聯通，流場顯示室與無線網卡連接。
[0008]優選地，所述每個POE交換機分別與若干個智能相機連接，無線路由器分別與每個POE交換機相連接。
[0009]優選地，所述示蹤粒子呈橢圓形狀，所述示蹤粒子的長軸寬度是示蹤粒子短軸寬度的2?4倍。[0010]優選地，所述示蹤粒子分為白色，所述示蹤粒子採用PP材料與天然石膏調製而成，示蹤粒子的密度接近水的密度，漂浮於水流表面。
[0011]有益效果:本實用新型提供的彩色粒子圖像測速系統相對於現有技術而言，結構簡單，易於搭建，有利於推廣使用；通過採用智能相機進行分布式圖像處理和無線測量，解決了採用攝像頭與採集卡有線相連的方式，布線複雜，計算時間長，難以滿足瞬時同步測量的要求。本實用新型通過智能相機結構分布和無線測量提高了測量速度，直接輸出測量數據，實現瞬時測量，保證了數據實時準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的分布式PTV流場測量系統示意圖；
[0013]圖2為流場顯示示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。
[0015]如圖1所示，一種水流中分布式PTV流場測量系統，包括河工模型1、示蹤粒子2、一組智能相機3、一組P O E交換機4、無線路由器5、無線網卡7和流場顯示室8 ;所述示蹤粒子2均勻分布在河工模型I的水流中，所述智能相機3安裝在河工模型I的水流表面上方，所述智能相機3與P O E交換機4連接，所述P O E交換機4與無線路由器5相連接，所述無線路由器5與無線網卡7聯通，流場顯示室8與無線網卡7連接。
[0016]所述每個POE交換機4分別與若干個智能相機3連接，無線路由器5分別與每個POE交換機4相連接；所述示蹤粒子2呈橢圓形狀，所述示蹤粒子2的長軸寬度是示蹤粒子短軸寬度的2?4倍；所述示蹤粒子2分為白色，所述示蹤粒子2採用PP材料與天然石膏調製而成，示蹤粒子2的密度接近水的密度，漂浮於水流表面。
[0017]河工模型I是根據天然河流按照一定比尺縮小而成的實體模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等關鍵問題中，用以模擬河道水流泥沙運動及河床演變情況的一種重要研究手段。
[0018]本實施例中採用的示蹤粒子,呈橢圓流線形狀,示蹤粒子的長軸寬度是示蹤粒子2短軸高度的2?4倍，優選為長軸寬度是短軸高度的3倍。顏色為白色，該示蹤粒子採用PP材料與天然石膏調製而成，與水流密度接近，漂浮於水流表面，跟隨性好，不易擱淺，不易聚集。
[0019]智能相機3採用康耐視In-Sight Micro，該智能相機含有多種視覺工具庫，包括圖像採集工具庫、斑點提取工具庫等。垂直於實體河工模型I水流表面，採集示蹤粒子2的運動圖像，並自動提取出粒子坐標數據。粒子坐標數據通過無線路由器無線傳輸至流場顯示室，流場顯示室實時採集智能相機輸出的粒子坐標數據，進行計算分析後顯示流場。
[0020]本實用新型測量原理流程步驟如下:
[0021]a)在水流中均勻布撒彩色示蹤粒子漂浮在水流表面；
[0022]b)用若干個智能相機拍攝示蹤粒子的運動圖像，自動提取粒子坐標；
[0023]c) POE交換機與若干個智能相機相連，並通過無線路由器將智能相機輸出的粒子坐標數據輸出到計算機的流場顯示室；[0024]d)流場顯示室採用粒子匹配算法計算得到表面流場，包括以下步驟:
[0025]I)採用粒子運動距離最短的方法對連續兩幀圖像中的粒子進行匹配，針對第I幀圖像中的每個示蹤粒子，在第二幀圖像中設定搜索半徑，在搜索範圍內與之距離最短的作為匹配粒子；
[0026]2)通過標定，將圖像坐標換算為實際坐標，將粒子運動距離除以時間得到流速:V= Δ d/ Δ t ；
[0027]3)在每個智能相機拍攝範圍內設置兩個明顯的特徵點，通過匹配特徵點，進行平移和旋轉變換，完成全流場的拼接。
[0028]4)將各個粒子的坐標及流速進行全場顯示。
[0029]圖2所示為流場顯示圖,流速矢量9為標識流速坐標、大小及方向。
[0030]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種水流中分布式PTV流場測量系統，其特徵在於:包括河工模型(I)、示蹤粒子(2)、一組智能相機(3)、一組P O E交換機(4)、無線路由器(5)、無線網卡(7)和流場顯示室(8);所述示蹤粒子(2)均勻分布在河工模型(I)的水流中，所述智能相機(3)安裝在河工模型(I)的水流表面上方，所述智能相機(3)與P O E交換機(4)連接，所述P O E交換機(4)與無線路由器(5)相連接，所述無線路由器(5)與無線網卡(7)聯通，流場顯示室(8)與無線網卡(7)連接。
2.根據權利要求1所述的一種水流中分布式PTV流場測量系統，其特徵在於:所述每個POE交換機(4)分別與若干個智能相機(3)連接，無線路由器(5)分別與每個POE交換機(4)相連接。
3.根據權利要求1所述的一種水流中分布式PTV流場測量系統，其特徵在於:所述示蹤粒子(2)呈橢圓形狀，所述示蹤粒子(2)的長軸寬度是示蹤粒子短軸寬度的2?4倍。
4.根據權利要求3所述的一種水流中分布式PTV流場測量系統，其特徵在於:所述示蹤粒子(2)為白色，所述示蹤粒子(2)採用PP材料與天然石膏調製而成，示蹤粒子(2)的密度接近水的密度，漂浮於水流表面。
【文檔編號】G01P5/20GK203616340SQ201320660875
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】陳誠 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院