(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210595965.4 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 王辉　王翔宇　龙国徽　陈炫任　 王超　 (74)专利代理 机构 哈尔滨华夏松花江知识产权 代理有限公司 23213 专利代理师 杨晓辉 (51)Int.Cl. G06T 7/80(2017.01) G06T 7/62(2017.01) G06T 7/521(2017.01) G06T 7/136(2017.01)G06V 10/44(2022.01) (54)发明名称 单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置 (57)摘要 单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装 置， 解决了如何采用单相机获得三维速度和位置 信息的问题， 属于激光测速技术。 本发明包括： 激 光发射器发出设定频率的激光， 入射至激光扩束 器， 扩束后产生非相关光对观测区域进行照明， 显微镜头朝向观测区域， 高速相机与显微镜头连 接， 通过显微镜头拍摄观测区域的喷雾图像， 并 将喷雾图像发送至处理器； 处理器用于将所有喷 雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储， 获得各喷 雾图像中所有液滴的形状与位置特征， 确定液滴 的平均粒径， 通过PSF点扩散函数半波长值， 获得 离焦距离， 排除离焦距离的不合理情况， 对相邻 两张喷雾图像对应液滴进行匹配， 根据匹配后的 两个液滴的距离和间 隔时间， 获得三维速度。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 114862971 A 2022.08.05 CN 114862971 A 1.单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 包括 高速相机(1)、 显微镜 头(2)、 激光扩束器(6)、 激光发射器(8)和处 理器(12)； 激光发射器(8)发出设定频率的激光， 入射至激光扩束器(6)， 激光扩束器(6)扩束后产 生非相干光5对观测区域进行照明， 显微镜头(2)朝向观测区域， 高速相机(1)与显微镜头 (2)连接， 通过显微镜 头(2)拍摄观测区域的喷雾图像， 并将喷雾图像发送至处 理器(12)； 处理器(12)， 用于将所有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储， 对喷雾图像处理， 获 得各喷雾图像中所有液滴的形状与位置特征， 确定液滴的平均粒径SMD， 通过PSF点扩散函 数半波长值与离焦距离的关系， 获得离焦距离， 排除离焦距离的不合理情况， 利用各喷雾图 像中液滴的位置与形状特征， 对相邻两张喷雾图像对应液滴进行匹配， 根据匹配后的两个 液滴的距离和间隔时间， 获得 液滴移动速度， 完成三维速度测定 。 2.根据权利要求1所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述处理器(12)包括图像导入及预 处理模块、 自适应阈值切割模块、 液滴标号模块、 液滴离焦 距离二义性排除模块和特 征匹配模块； 图像导入及预处理模块， 同时与自适应阈值切割模块和特征匹配模块连接， 用于将所 有喷雾图像拍摄先后的时间顺序进行存储， 逐张图像进 行预处理： 去除背 景及轮廓检测， 将 预处理后的图像发送至自适应阈值切割模块； 自适应阈值切割 模块， 与液滴离焦距离二义性排除模块连接用于将预处理后的图像进 行灰度， 及通过自适应阈值函数将图像二值化， 遍历图像中所有 液滴， 获得单个液滴的形状 与位置特 征， 确定液滴的平均粒径SMD； 液滴离焦距离二义性排除模块， 用于利用PSF点扩散函数半波长值χest计算被测液滴的 离焦距离 z， 利用最大梯度法排除离焦距离 z的不合理情况， 得到液滴的真实离焦距离； 获取PSF点扩散函数半波长值 χest， 根据 χest＝f1(z)获得离焦距离 z； f1()表示 χest和离焦距离 z的拟合关系； 式中， f为相机焦距， l表示被测液滴与透 镜之间的距离； 获得被测液滴的焦点内参数l nfL3： 其中， 表示被测液滴的最大梯度； dei为被测液滴直径； Imax为被测液滴的最大 灰度水平； Imin为被测液滴的最小灰度水平； 根据lnfLq＝f2(z,dei)分别获得z1、 z2对应的焦点内参数l nfL1和焦点内参数l nfL2； f2()表示焦点内参数l nfLq与z、 dei的拟合关系； 根据lnfL1、 lnfL2和lnfL3的关系， 确定被测液滴的真实离焦距离为z1或z2： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114862971 A 2特征匹配模块， 用于利用各喷雾 图像中液滴的位置与形状特征， 对相邻两张喷雾 图像 对应液滴 以特征和距离较近两个因素为原则进行匹配， 并通过V＝L/t计算液滴的移动速 度， L表示相邻两张图像中的同一液滴的移动距离， t 表示相邻两张图片的拍摄获间隔时间。 3.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述处理器(12)还 包括液滴标号模块； 液滴标号模块与自适应 阈值切割模块连接， 液滴标号模块对自适应阈值切割 模块识别 出的液滴进行 标记及标号。 4.根据权利要求3所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述处理器(12)还包括计算结果可视化展示和存储模块， 用于将图像导入及预处理模块、 自 适应阈值切割模块、 液滴标号模块、 液滴离焦距离二义性排除模块和特征匹配模块的处理 结果进行展示及存 储。 5.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述PTV装置还 包括控制器(1 1)， 用于调节激光发射器(8)和所述高速相机(1)的工作频率。 6.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 控 制器(11)将激光发射器(8)和高速相机(1)调至相同工作频率。 7.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述PTV装置还 包括光纤(7)； 激光发射器(8)通过光纤(7)与激光扩束器(6)连接， 用于将激光发射器(8)产 生的激光 定向传导至 激光扩束器(6)。 8.根据权利要求7所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述PTV装置还 包括固定架(9)； 激光扩束器(6)与激光发射器(8)同时安装在 所述固定架(9)上， 固定为一体， 且可随固 定架(9)的放置调整激光扩束器(6)的出光方向， 保证照亮观测区域(4)。 9.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 激 光发射器(8)和高速相机(1)布置在观测区域的两侧， 且相对布置 。 10.根据权利要求2所述的单相机测定喷雾粒径和三维速度的PTV装置， 其特征在于， 所 述PTV装置还包括微位移平台(3)， 发射喷雾的喷嘴安装在微位移平台(3)上， 为喷嘴提供角 位移。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114862971 A 3