PTV技术：精细流场分析的必备工具

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：为尽量减少玻璃接头不平整对水流的影响，底板每块玻璃长3.3m，边壁每块玻璃长2.4m。图1-5摄像系统布置示意图两套四个摄像机安装完成后，用同步器将它们连接起来以保证视频信号同步。

在本文的研究中，建立了四部摄像机的三维图像示踪测速系统，对10种不同水沙条件下推移质颗粒运动进行了观测和比较，统计分析了推移质纵向时均速度随水流条件的变化情况，并分别探讨了颗粒粒径、比重和水力比降对推移质平均运动速度的影响以及跃长、跃高等参数随水沙条件的变化，并对颗粒与床面碰撞前后的运动速度的概率密度分布进行了统计(唐立模，2006)。

1.2.2.1　设备仪器

试验水槽长20m(试验段长16.8m)，宽29.5cm，边壁和底板均为玻璃，在离试验段进口12m 处有1m 长的底板架空，可以在水槽下部安装摄像机。为尽量减少玻璃接头不平整对水流的影响，底板每块玻璃长3.3m，边壁每块玻璃长2.4m。在每块边壁玻璃接头上游1m 处离床面4cm 的地方直接在玻璃上打测压孔 (保证测压孔与流线垂直)，安装了6个高精度的压力传感器以测量沿程水位。水槽为自循环系统，采用计算机控制的变频器调节低扬程轴流泵电机的转速，实现流量的自动控制，为减少电机振动对水流特性的影响，电机段与水槽槽身用橡皮和胶管连接。在水槽的回水管上安装电磁流量计监测流量过程。水位计和流量计的信号均直接送入计算机的A/D 卡采样储存。

四部摄像机分为两组，每两部摄像机相互垂直安装以获得颗粒的三维运动轨迹，摄像机的长轴(矩形视野)沿水流方向布置且指向流向。一个摄像机安装在水槽下部的正中，光轴垂直于水槽，另一个安装在水槽侧面，光轴平行于水槽的底板，两个摄像机的光轴安装在水槽的同一个横截面上。直接在水槽上安装支架固定摄像机，使摄像机与水槽的相对位置始终不变，保证摄像机只进行一次标定就可以进行各种水力坡度下的试验。一组摄像机的测量范围(长×宽×高)大约为8cm×7cm×6cm，采样频率为1/25s。采用两组摄像系统沿上下游拼接安装，并有部分搭接，统一标定后两套系统具有同一的坐标系，能获得单个颗粒较长的运动轨迹，摄像系统安装示意如图1-5所示。

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图1-5　摄像系统布置示意图

两套四个摄像机安装完成后，用同步器将它们连接起来以保证视频信号同步。系统采用一卡4路实时同步图像采集卡实现严格的同步采样，每路的分辨率为768×576像素。采用计算机的数据总线直接传输图像数据到计算机内存，如内存为1G，则连续采样时间可达20s，共568 帧图像。在测量段的下游水面以上布设柱形光源，光柱往上游倾斜向下，可照亮两组镜头的测量区域而又不会使槽底下面的镜头反光。

1.2.2.2　空间坐标的校正

由于镜头有一定的扩散角，随着被测物体离镜头距离的变化，其成像的大小也随之变化。颗粒在一个镜头的成像与其在另一个方向的位置有关，其相互关系与镜头型号、安装方式及与被测物体的相对位置等因素有关，只能通过实际标定确定。采用“空间多层正交网格”的方法对系统进行标定，建立了间距1cm、横向7排、垂向7层、纵向20点的正交网格测点。整个标定过程均在水下进行，以消除光线折射的影响。

对侧面的水平摄像机，可以得出每个球的X2和Y 坐标，垂直镜头则得出X1和Z 坐标。

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图1-6　水平摄像机标定测量结果

图1-6为水平摄像机测量的结果，X2为水流方向，Y 垂直于床面方向，Y1～Y7即为在高度上布设的7层球体。每一层球体的高程相同，但在图像中高度方向的像素坐标则不同，对每一层而言，长边距镜头最近，短边最远。镜头轴线大致在Y4的位置。垂直摄像机的测量结果与水平摄像机相似。

图1-7为两个摄像机得到的Y—Z 平面的结果，水流方向垂直于画面向里，每个点为水流方向的9个球体的叠加，图形基本重合表明距镜头同一平面的图像基本不变形，说明采用的摄像镜头具有良好的光学性能。图中的结果反映出Y—Z 两个方向的像素坐标值都是距镜头近的值大，距镜头远的值小。

从图1-6和图1-7看出，图像的坐标值与测点距镜头的远近(景深)有关，即一个方向的测点坐标可以用另一个方向的坐标值来校正。两个相互90°垂直安装的摄像机正好可以相互校正，如用垂直摄像机的Z 坐标可以判断水平摄像机的景深，而水平摄像机的Y坐标又能判断垂直摄像机的景深，据此可以用公式精确地计算颗粒的空间坐标。

校正的结果见图1-8，图中的线条为标定布设球体的正交网格，圆圈为计算得到的球体三维空间坐标。从图中看出，经校正后实测球体的三维坐标都在网格的节点上。

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图1-7　两个镜头测量组合效果

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图1-8　镜头校正结果

经过校正之后，空间误差平均为0.28mm，可以满足试验精度的要求。单颗粒穿过测量区域的平均时间约为0.27s，则单颗粒平均运动速度的测量误差大约为1.0mm/s，系统可以正式用于试验测量和分析。为进行统计分析，单颗粒穿过测量区域的采样帧数应不小于4帧。如水流速度为50cm/s，则穿过8cm 长的测量区需0.16s，可以采集4帧图像，所以流速范围应小于50cm/s。

1.2.2.3　参数计算

在量测断面上游4.0m 左右的水面中线按一定的时间间隔放入粒径相同的单个颗粒，颗粒到测量断面时已达到稳定的随机运动状态。当颗粒穿过测量区时，记录下颗粒的三维运动轨迹，经二值化处理得出颗粒在每个摄像机图形中的像素值，取颗粒所占像素的形心为其在该摄像机图形中的像素坐标，经过校正和转换后即可得出单个颗粒连续运动轨迹的空间坐标。图像连续采样的时间间隔为0.04s，据此可以求出三个方向速度的序列值。

将实测的单颗粒的速度按相对高度分区，分别计算各区的统计特征值。

颗粒的加速度为两部分组成:一是在同一位置，颗粒速度随时间变化的时间加速度;二是同一颗粒的速度随空间位置变化的位移加速度。从试验中得出的每个颗粒的空间坐标可以求出位移加速度，当颗粒顺序通过某一截面时，各个颗粒速度的变化代表了颗粒运动的时间加速度。

某区内的总体平均速度:

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