JP2011017603A - Method for measuring particle image flow velocity - Google Patents

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元亮 星野
Minoru Teramura
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Abstract

【課題】 粒子画像流速測定方法において、二つの画像における輝度パターンの相互相関値のピーク値を利用して誤ベクトルを精度良く判定する。
【解決手段】 粒子画像流速測定装置は、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を2回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める。二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第1ピーク値fpおよび第2ピーク値spを比較し、第1ピーク値fp/第2ピーク値sp≧1.2が成立したときに速度ベクトルの信頼性が高いと判定するので、誤ベクトルを確実に判定して流れの状態の測定精度を高めることができる。
【選択図】 図5
PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately determine an erroneous vector using a peak value of a cross-correlation value of luminance patterns in two images in a particle image flow velocity measuring method.
A particle image flow velocity measuring apparatus supplies a tracer particle from a tracer particle supply unit to a flow field around an object, irradiates the tracer particle with a time difference, and irradiates a laser beam twice to capture reflected light. The velocity vector of the flow field is obtained based on the two images of the obtained tracer particles. The two images are each divided into a plurality of inspection regions, and the first peak value fp and the second peak value sp of the cross-correlation values of the luminance patterns of the tracer particles in each inspection region of the two images are compared, and the first image is compared. Since it is determined that the reliability of the velocity vector is high when the peak value fp / the second peak value sp ≧ 1.2 is established, it is possible to reliably determine the erroneous vector and increase the measurement accuracy of the flow state.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を2回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法に関する。   The present invention is obtained by supplying tracer particles from a tracer particle supply unit to a flow field around an object, irradiating the tracer particles with a time difference, irradiating laser light twice, and imaging reflected light with an imaging unit. The present invention relates to a particle image velocimetry method for obtaining a flow field velocity vector based on two images of tracer particles.

トレーサ粒子が含まれる流体の流れ場に2次元状のレーザーシートを微小な時間差を有する2時刻において照射し、各々の時刻におけるレーザーシート内のトレーサ粒子の画像をカメラで撮像し、それらの2時刻の画像に基づいて流れ場の状態を測定する粒子画像流速測定法(PIV:Particle Image Velocimetry)が知られている。   The flow field of the fluid containing the tracer particles is irradiated with a two-dimensional laser sheet at two times having a minute time difference, and images of the tracer particles in the laser sheet at each time are taken with a camera. A particle image velocity measurement method (PIV: Particle Image Velocimetry) that measures the state of a flow field based on the image of the above is known.

かかる粒子画像流速測定装置では、流体中に含まれるトレーサ粒子からの反射光だけを撮像することが望ましいが、実際には流体中に置かれた物体からの反射光、風洞の観測窓に付着したゴミからの反射光、ハレーション等のノイズ成分がトレーサ粒子からの反射光と共に撮像されることが避けられないため、カメラの画像から流体の速度ベクトルを算出する際に誤った速度ベクトル(誤ベクトル)が算出されてしまう可能性がある。   In such a particle image velocimetry apparatus, it is desirable to image only the reflected light from the tracer particles contained in the fluid, but in reality, the reflected light from the object placed in the fluid is attached to the observation window of the wind tunnel. Since it is inevitable that noise components such as reflected light from the dust and halation are captured together with the reflected light from the tracer particles, an incorrect velocity vector (false vector) is used when calculating the fluid velocity vector from the camera image. May be calculated.

かかる誤ベクトルの算出を最小限に抑えるべく、画像の各画素の時間平均輝度値あるいは時間差をおいて撮像された複数の画像の最小輝度値を原画像からノイズとして除去することで、トレーサ粒子の反射光だけを残した画像を得るものが、下記特許文献1により公知である。   In order to minimize the calculation of such an error vector, the time average luminance value of each pixel of the image or the minimum luminance value of a plurality of images taken with a time difference is removed as noise from the original image, so that the tracer particle A technique for obtaining an image in which only reflected light is left is known from Patent Document 1 below.

またカメラの連続する2時刻における濃淡画像から空間周波数成分をハイパスフィルタおよびローパスフィルタでフィルタリングすることで、トレーサ粒子の画像のみを残して2時刻の濃淡画像の最大移動距離を精度良く得るものが、下記特許文献2により公知である。   Also, by filtering the spatial frequency component from the gray image at two consecutive times of the camera with a high-pass filter and a low-pass filter, the maximum moving distance of the two-time gray image can be obtained with high accuracy, leaving only the tracer particle image. It is known from Patent Document 2 below.

特開2001−74415号公報JP 2001-74415 A 特開2008−140103号公報JP 2008-140103 A

しかしながら、上記特許文献1、2に記載されたものは、誤ベクトルの排除にある程度の効果は期待できるものの、誤ベクトルを排除する精度を更に向上させる余地を残している。   However, although what is described in Patent Documents 1 and 2 can be expected to have a certain degree of effect in eliminating erroneous vectors, there is still room for further improving the accuracy of eliminating erroneous vectors.

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、粒子画像流速測定方法において、二つの画像における輝度パターンの相関度のピーク値を利用して誤ベクトルを精度良く判定することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the particle image flow velocity measurement method is to accurately determine an erroneous vector using a peak value of a correlation degree of luminance patterns in two images.

上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を2回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法において、前記二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、前記二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第1ピーク値および第2ピーク値を比較することで前記速度ベクトルの信頼性を判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法が提案される。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the tracer particles are supplied from the tracer particle supply means to the flow field around the object, and the laser beam is emitted with a time difference between the tracer particles. In the particle image flow velocity measurement method for obtaining the velocity vector of the flow field on the basis of the two images of the tracer particles obtained by irradiating the reflected light with the imaging means, the two images are respectively applied to a plurality of inspection regions. The reliability of the velocity vector is determined by comparing the first peak value and the second peak value of the cross-correlation values of the luminance patterns of the tracer particles in each inspection region of the two images. A particle image flow velocity measuring method is proposed.

また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、第1ピーク値/第2ピーク値≧1.2が成立したときに、前記速度ベクトルの信頼性が高いと判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法が提案される。   According to the invention described in claim 2, in addition to the configuration of claim 1, when the first peak value / the second peak value ≧ 1.2 is established, the reliability of the velocity vector is high. A particle image flow velocity measuring method characterized by determining is proposed.

尚、実施の形態の第1、第2第1CCDカメラ32A,32Bは本発明の撮像手段に対応する。   The first and second first CCD cameras 32A and 32B in the embodiment correspond to the image pickup means of the present invention.

請求項1の構成によれば、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を2回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める。二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第1ピーク値および第2ピーク値を比較することで速度ベクトルの信頼性を判定するので、誤ベクトルを確実に排除して流れの状態の測定精度を高めることができる。   According to the configuration of the first aspect, the tracer particles are supplied from the tracer particle supply means to the flow field around the object, the laser light is irradiated twice with a time difference between the tracer particles, and the reflected light is imaged by the imaging means. Then, the velocity vector of the flow field is obtained based on the two images of the obtained tracer particles. Each of the two images is divided into a plurality of inspection regions, and the velocity vector is compared by comparing the first peak value and the second peak value of the cross-correlation values of the luminance patterns of the tracer particles in each inspection region of the two images. Since the reliability is determined, it is possible to reliably eliminate erroneous vectors and increase the flow state measurement accuracy.

また請求項2の構成によれば、第1ピーク値/第2ピーク値≧1.2が成立したときに速度ベクトルの信頼性が高いと判定するので、誤ベクトルをより一層確実に排除して流れの状態の測定精度を高めることができる。   According to the second aspect of the present invention, when the first peak value / second peak value ≧ 1.2 is established, it is determined that the reliability of the speed vector is high. The measurement accuracy of the flow state can be increased.

風洞に設けられた粒子画像流速測定装置の全体平面図。The whole top view of the particle image flow velocity measuring apparatus provided in the wind tunnel. 図1の2部拡大図。FIG. 2 is an enlarged view of part 2 of FIG. 1. 図2の3−3線拡大断面図。FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2. 図3の4−4線断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 of FIG. レーザーシートおよびCCDカメラのZ軸方向の移動の説明図。Explanatory drawing of a movement of the Z-axis direction of a laser sheet and a CCD camera. 第1、第2時刻の画像からピークレシオを算出する過程の説明図。Explanatory drawing of the process which calculates a peak ratio from the image of 1st, 2nd time. 第1、第2ピークのレシオと誤ベクトルの数との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the ratio of a 1st, 2nd peak, and the number of erroneous vectors.

以下、図1〜図7に基づいて本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、所定の流速の空気の一様流が供給される風洞11の内部に例えば自動車車体の模型のような物体12が置かれており、その上流側に設置されたトレーサ粒子供給手段13から直径が数μmの微小な油滴(トレーサ粒子)が一様流中に供給される。一様流は物体12の表面に沿って流れの向きを変え、3次元の速度場を形成する。風洞11の壁面の少なくとも一部には透明な観測窓14が設けられており、この観測窓14を挟んで物体12に臨む位置に粒子画像流速測定装置15が配置される。   As shown in FIG. 1, an object 12 such as a model of an automobile body is placed inside a wind tunnel 11 to which a uniform flow of air having a predetermined flow velocity is supplied, and tracer particles installed upstream thereof. Fine oil droplets (tracer particles) having a diameter of several μm are supplied from the supply means 13 into the uniform flow. The uniform flow changes the direction of the flow along the surface of the object 12 and forms a three-dimensional velocity field. A transparent observation window 14 is provided on at least a part of the wall surface of the wind tunnel 11, and a particle image flow velocity measuring device 15 is disposed at a position facing the object 12 with the observation window 14 interposed therebetween.

図2〜図4に示すように、粒子画像流速測定装置15は風洞11の軸線と平行に配置された主ガイドレール21と、主ガイドレール21と平行に配置された副ガイドレール22と、主ガイドレール21に移動自在に支持された主トラバーサ23と副ガイドレール22に移動自在に支持された一対の第1、第2副トラバーサ24A,24Bと、主トラバーサ23および第1副トラバーサ24Aを連結する第1連結ロッド25Aと、主トラバーサ23および第2副トラバーサ24Bを連結する第2連結ロッド25Bとを備えており、第1、第2連結ロッド25A,25Bは同じ長さを有している。   As shown in FIGS. 2 to 4, the particle image flow velocity measuring device 15 includes a main guide rail 21 arranged in parallel with the axis of the wind tunnel 11, a sub guide rail 22 arranged in parallel with the main guide rail 21, A main traverser 23 supported movably on the guide rail 21, a pair of first and second sub traversers 24A and 24B supported movably on the sub guide rail 22, and the main traverser 23 and the first sub traverser 24A are connected. The first connecting rod 25A and the second connecting rod 25B for connecting the main traverser 23 and the second sub-traverser 24B are provided, and the first and second connecting rods 25A, 25B have the same length. .

主ガイドレール21の両端に設けられた駆動スプロケット26および従動スプロケット27に無端のタイミングベルト28が巻き掛けられており、その一方の弦部は主トラバーサ23の一方の貫通孔23a(図4参照)に相対移動不能に係合し、その他方の弦部は主トラバーサ23の他方の貫通孔23b(図4参照)を非係合で通過する。駆動スプロケット26をモータ29(図3および図4参照)で駆動すると、従動スプロケット27との間に巻き掛けたタイミングベルト28が回転し、主トラバーサ23は主ガイドレール21に沿って移動する。主トラバーサ23が移動すると、それに第1、第2連結ロッド25A,25Bを介して連結された第1、第2副トラバーサ24A,24Bが副ガイドレール22に沿って移動する。   An endless timing belt 28 is wound around a driving sprocket 26 and a driven sprocket 27 provided at both ends of the main guide rail 21, and one chord portion thereof is one through hole 23 a of the main traverser 23 (see FIG. 4). The other string portion passes through the other through-hole 23b (see FIG. 4) of the main traverser 23 in a non-engagement manner. When the drive sprocket 26 is driven by a motor 29 (see FIGS. 3 and 4), the timing belt 28 wound around the driven sprocket 27 rotates, and the main traverser 23 moves along the main guide rail 21. When the main traverser 23 moves, the first and second sub-traversers 24A and 24B connected thereto via the first and second connecting rods 25A and 25B move along the sub-guide rail 22.

主ガイドレール21の延長線上にレーザヘッド30が設けられており、レーザヘッド30は主ガイドレール21に沿ってレーザービームLbを照射する。主トラバーサ23の上面にミラーおよびシリンドリカルレンズよりなるレーザーシート照射手段31が設けられており、レーザーシート照射手段31はレーザービームLbをそれに直交する平面を照射するレーザーシートLsに変換する。レーザービームLbおよび風洞11の軸線はZ軸方向に延び、レーザーシートLsはZ軸方向に対して直交するX軸およびY軸方向に延びている。   A laser head 30 is provided on an extension line of the main guide rail 21, and the laser head 30 irradiates the laser beam Lb along the main guide rail 21. Laser sheet irradiation means 31 comprising a mirror and a cylindrical lens is provided on the upper surface of the main traverser 23, and the laser sheet irradiation means 31 converts the laser beam Lb into a laser sheet Ls that irradiates a plane orthogonal to the laser beam Lb. The axes of the laser beam Lb and the wind tunnel 11 extend in the Z-axis direction, and the laser sheet Ls extends in the X-axis and Y-axis directions orthogonal to the Z-axis direction.

第1、第2副トラバーサ24A,24Bの上面にそれぞれ第1、第2CCDカメラ32A,32Bが設けられており、第1、第2CCDカメラ32A,32BはレーザーシートLsに対して鏡面対称な位置に配置されて該レーザーシートLs上の一点を指向している。第1、第2CCDカメラ32A,32Bは物体12の近傍のレーザーシートLsの所定領域を撮像するものであり、その撮像領域の全域でピントが合うように第1、第2CCDカメラ32A,32Bにはシャインフルーグアダプタが設けられる。レーザーシート照射手段31を搭載した主トラバーサ23と、第1、第2CCDカメラ32A,32Bを搭載した第1、第2副トラバーサ24A,24Bとは一定の位置関係を保ってZ軸方向に移動するため、レーザーシートLsと第1、第2CCDカメラ32A,32Bとは一定の位置関係を保ってZ軸方向に移動する。   First and second CCD cameras 32A and 32B are provided on the upper surfaces of the first and second sub-traversers 24A and 24B, respectively, and the first and second CCD cameras 32A and 32B are mirror-symmetrical with respect to the laser sheet Ls. Arranged and directed to one point on the laser sheet Ls. The first and second CCD cameras 32A and 32B image a predetermined area of the laser sheet Ls in the vicinity of the object 12, and the first and second CCD cameras 32A and 32B have a focus on the entire imaging area. A Shine Frog adapter is provided. The main traverser 23 on which the laser sheet irradiation means 31 is mounted and the first and second sub-traversers 24A and 24B on which the first and second CCD cameras 32A and 32B are mounted move in the Z-axis direction while maintaining a fixed positional relationship. Therefore, the laser sheet Ls and the first and second CCD cameras 32A and 32B move in the Z-axis direction while maintaining a certain positional relationship.

主トラバーサ23および第1、第2副トラバーサ24A,24BはZ軸方向に所定距離ずつ間欠的に移動し、停止する度にレーザーシートLsが短い時間間隔Δtで2回照射される。実施の形態ではZ軸方向の1mの距離を10cm間隔で間欠的に移動する(図5参照)。前記時間間隔Δtは風洞11内の一様流の流速が高いほど小さく設定されるもので、その間のトレーサ粒子のZ軸方向の移動距離が測定に適した大きさになるように調整される。また前記時間間隔Δtにおけるトレーサ粒子のZ軸方向の移動距離は、レーザーシートLsのZ軸方向の厚さを超えないように設定される。   The main traverser 23 and the first and second sub-traversers 24A and 24B move intermittently by a predetermined distance in the Z-axis direction, and the laser sheet Ls is irradiated twice at a short time interval Δt each time it stops. In the embodiment, a distance of 1 m in the Z-axis direction is moved intermittently at intervals of 10 cm (see FIG. 5). The time interval Δt is set to be smaller as the flow velocity of the uniform flow in the wind tunnel 11 is higher, and is adjusted so that the moving distance of the tracer particles in the Z-axis direction therebetween becomes a size suitable for measurement. Further, the movement distance of the tracer particles in the Z-axis direction at the time interval Δt is set so as not to exceed the thickness of the laser sheet Ls in the Z-axis direction.

風洞11内を流れる一様流は物体12の周囲で方向を変えて3次元流となり、そこに含まれるトレーサ粒子も空気の流線に沿って移動する。時刻t1における1回目の照射に同期して第1、第2CCDカメラ32A,32BがレーザーシートLsに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の2方向からの2枚の画像を取得する。同様にして、時刻t1′=t1+Δtにおける2回目の照射に同期して第1、第2CCDカメラ32A,32BがレーザーシートLsに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の2方向からの2枚の画像を取得する。   The uniform flow flowing in the wind tunnel 11 changes its direction around the object 12 to become a three-dimensional flow, and the tracer particles contained therein also move along the air streamline. The first and second CCD cameras 32A and 32B image the tracer particles irradiated on the laser sheet Ls in synchronization with the first irradiation at the time t1, so that 2 of the tracer particles distributed in the irradiation surface from two directions. Get the images. Similarly, the first and second CCD cameras 32A and 32B take images of the tracer particles irradiated on the laser sheet Ls in synchronization with the second irradiation at time t1 ′ = t1 + Δt, so that the tracer distributed in the irradiation surface is obtained. Two images from two directions of particles are acquired.

本実施の形態では、PIVの種々の手法のうち、2時刻t1,t1′において取得した二つの画像の輝度パターンを比較してトレーサ粒子群の移動ベクトルを求める「画像相関法」を採用する。   In the present embodiment, among various methods of PIV, an “image correlation method” is employed in which the luminance patterns of two images acquired at two times t1 and t1 ′ are compared to obtain the movement vector of the tracer particle group.

図6には、例えば第1CCDカメラ32Aで2時刻において取得した二つの画像が示される。第1CCDカメラ32Aの軸線はレーザーシートLsの照射面に対して傾斜しているため、その画像のx−y平面はレーザーシートLsの照射面のX−Y座標に対して傾いている。四角い枠は、第1CCDカメラ32Aの画像を碁盤目状に分割した検査領域の一つであり、各々の検査領域においてトレーサ粒子群のx−y平面内の移動ベクトルが算出される。即ち、時刻t1に取得した第1画像の所定の検査領域におけるトレーサ粒子群の輝度パターンが、時刻t1′に取得した第2画像の所定の検査領域のどの位置に移動したかを相互相関値C(Δx,Δy)を用いて検出し、その移動ベクトルを時間Δtで除算したものを該検査領域における2成分速度ベクトルとする。以下、その2成分速度ベクトルの算出過程を説明する。   FIG. 6 shows, for example, two images acquired at two times by the first CCD camera 32A. Since the axis of the first CCD camera 32A is inclined with respect to the irradiation surface of the laser sheet Ls, the xy plane of the image is inclined with respect to the XY coordinates of the irradiation surface of the laser sheet Ls. The square frame is one of inspection areas obtained by dividing the image of the first CCD camera 32A into a grid pattern, and the movement vector in the xy plane of the tracer particle group is calculated in each inspection area. That is, the cross-correlation value C indicates which position in the predetermined inspection area of the second image acquired at time t1 ′ the luminance pattern of the tracer particle group in the predetermined inspection area of the first image acquired at time t1. A detection is made using (Δx, Δy), and the movement vector divided by time Δt is set as a two-component velocity vector in the inspection region. Hereinafter, the process of calculating the two-component velocity vector will be described.

先ず、第1ピーク値fpおよび第2ピーク値spの初期値を共に0に設定する。   First, the initial values of the first peak value fp and the second peak value sp are both set to zero.

fp←0
sp←0
続いて、次式で定義される相互相関値C(Δx,Δy)を算出する。
fp ← 0
sp ← 0
Subsequently, a cross-correlation value C (Δx, Δy) defined by the following equation is calculated.

Figure 2011017603
Figure 2011017603

ここで、f(x,y)は第1画像の輝度パターンから求めた輝度関数であり、g(x,y)は第2画像の輝度パターンから求めた輝度関数である。よって、g(x+Δx,y+Δy)は、g(x,y)の輝度分布をx軸方向に−Δxだけ移動させ、y軸方向に−Δyだけ移動させたものに相当する。従って、Δx,Δyは時間間隔Δtにおける輝度パターンの移動量に対応する。   Here, f (x, y) is a luminance function obtained from the luminance pattern of the first image, and g (x, y) is a luminance function obtained from the luminance pattern of the second image. Therefore, g (x + Δx, y + Δy) corresponds to the luminance distribution of g (x, y) moved by −Δx in the x-axis direction and by −Δy in the y-axis direction. Therefore, Δx and Δy correspond to the movement amount of the luminance pattern in the time interval Δt.

各検査領域は、一辺の長さがpの正方形のピクセルがx軸方向にn個、y軸方向にn個集合したものであり、Δxをpからnpまで掃引し、かつΔyをpからnpまで掃引しながら、相互相関値C(Δx,Δy)を算出する。そして相互相関値C(Δx,Δy)が現第1ピーク値fpを超える度に、相互相関値C(Δx,Δy)を新第1ピーク値fpとし、現第1ピーク値fpを新第2ピーク値spとする。   Each inspection region is a set of n square pixels each having a length of p in the x-axis direction and n in the y-axis direction, sweeping Δx from p to np, and Δy from p to np The cross-correlation value C (Δx, Δy) is calculated while sweeping up to. Each time the cross-correlation value C (Δx, Δy) exceeds the current first peak value fp, the cross-correlation value C (Δx, Δy) becomes the new first peak value fp, and the current first peak value fp becomes the new second peak value fp. Let it be the peak value sp.

このようにしてΔxおよびΔyの全ての値について相互相関値C(Δx,Δy)を算出したとき、最終的な第1ピーク値fpが得られたΔxおよびΔyの値を第1画像から第2画像への輝度パターンの移動量とする。そしてΔx,Δyを第1、第2画像が取得された時間間隔Δtで除算したものが、その検査領域における2成分速度ベクトルのx成分およびy成分であるvx,vyとなる。   When the cross-correlation values C (Δx, Δy) are calculated for all the values of Δx and Δy in this way, the values of Δx and Δy from which the final first peak value fp was obtained are obtained from the first image. The amount of movement of the luminance pattern to the image. Then, Δx and Δy divided by the time interval Δt at which the first and second images are acquired become vx and vy which are the x component and y component of the two-component velocity vector in the inspection region.

このとき、第1画像と第2画像との相関度が高い場合には、第1ピーク値fpは突出して大きくなり、第2ピーク値spは第1ピーク値fpに対して遥かに小さくなるが、第1画像と第2画像との相関度が低い場合には、第1ピーク値fpおよび第2ピーク値spの差は小さくなる、このような場合にはΔxおよびΔyに基づいて求めた2成分速度ベクトルの信頼性が低くなる。   At this time, when the degree of correlation between the first image and the second image is high, the first peak value fp is prominently large and the second peak value sp is much smaller than the first peak value fp. When the degree of correlation between the first image and the second image is low, the difference between the first peak value fp and the second peak value sp becomes small. In such a case, 2 obtained based on Δx and Δy. The reliability of the component velocity vector is lowered.

そこで本実施の形態では、第1ピーク値fpおよび第2ピーク値spの比であるピークレシオfp/spを算出し、ピークレシオfp/spが閾値1.2以上の場合、つまり第1ピーク値fpが第2ピーク値spに対して1.2倍以上であれば、2成分速度ベクトルの信頼性が高いと判断し、逆に第1ピーク値fpが第2ピーク値spに対して1.2倍未満であれば、2成分速度ベクトルの信頼性が低いと判断し、その2成分速度ベクトルを誤ベクトルとして削除する。   Therefore, in the present embodiment, the peak ratio fp / sp that is the ratio of the first peak value fp and the second peak value sp is calculated, and when the peak ratio fp / sp is greater than or equal to the threshold value 1.2, that is, the first peak value. If fp is 1.2 times or more of the second peak value sp, it is determined that the reliability of the two-component velocity vector is high, and conversely, the first peak value fp is 1. If it is less than twice, it is determined that the reliability of the two-component velocity vector is low, and the two-component velocity vector is deleted as an erroneous vector.

図7の横軸はピークレシオであり、縦軸は誤ベクトルの数である。このグラフから、ピークレシオが1.2以上の領域で誤ベクトルの数が極めて少なく、ピークレシオが1.2未満の領域で誤ベクトルの数が急激に増加することが分かる。   The horizontal axis in FIG. 7 is the peak ratio, and the vertical axis is the number of erroneous vectors. From this graph, it can be seen that the number of erroneous vectors is extremely small in the region where the peak ratio is 1.2 or more, and the number of erroneous vectors increases rapidly in the region where the peak ratio is less than 1.2.

以上、第1CCDカメラ32Aで2時刻t1,t1′において取得した二つの画像から各検査領域における2成分速度ベクトルを算出する手法を説明したが、同様にして、第2CCDカメラ32Bで2時刻t1,t1′において取得した二つの画像を比較することで、各検査領域における3成分速度ベクトルを算出することができる。   The method for calculating the two-component velocity vector in each inspection area from the two images acquired at the two CCD cameras 32A at the two times t1 and t1 'has been described. Similarly, the two CCD cameras 32B can calculate the two component velocity vectors at the two times t1 and t1. By comparing the two images acquired at t1 ′, a three-component velocity vector in each inspection region can be calculated.

第1CCDカメラ32Aの画像から得られた検査領域の2成分速度ベクトルと、第2CCDカメラ32Bの画像から得られた該検査領域の2成分速度ベクトルとは、第1、第2CCDカメラ32A,32Bの撮像方向が異なっていることにより、つまり実際の3成分速度ベクトルを異なる方向から見た視差により異なったものとなる。   The two-component velocity vector of the inspection area obtained from the image of the first CCD camera 32A and the two-component velocity vector of the inspection area obtained from the image of the second CCD camera 32B are the same as those of the first and second CCD cameras 32A and 32B. The imaging direction differs, that is, the actual three-component velocity vector differs depending on the parallax as seen from different directions.

よって前記二つの2成分速度ベクトルと、レーザーシートLsに対する第1、第2CCDカメラ32A,32Bの相対的な位置関係とから、キャリブレーション(校正)によりレーザーシートLsの面内速度(X軸方向の速度VxおよびY軸方向の速度Vy)と、面外速度(Z軸方向の速度Vz)とよりなる3成分速度ベクトルを、照射面の各位置に対応して算出することができる。   Therefore, from the two two-component velocity vectors and the relative positional relationship of the first and second CCD cameras 32A and 32B with respect to the laser sheet Ls, the in-plane velocity (in the X-axis direction) of the laser sheet Ls is obtained by calibration. A three-component velocity vector consisting of the velocity Vx and the velocity Vy in the Y-axis direction and the out-of-plane velocity (velocity Vz in the Z-axis direction) can be calculated corresponding to each position on the irradiation surface.

以上のようにしてレーザーシートLsの照射面内における3成分速度ベクトルが算出されると、主トラバーサ23および第1、第2副トラバーサ24A,24Bを一定の位置関係を保ってZ軸方向に移動させることで、つまりレーザーシートLsおよび第1、第2CCDカメラ32A,32Bを一定の位置関係を保ってZ軸方向に移動させることで、レーザーシートLsでZ軸方向にずれた照射面を照射し、その新たな照射面の各位置における3成分速度ベクトルを算出する。図1には、粒子画像流速測定装置15の照射面が物体12の前端(上流端)側の位置にある状態が実線で示され、物体12の後端(下流端)側の位置にある状態が鎖線で示される。   When the three-component velocity vector in the irradiation surface of the laser sheet Ls is calculated as described above, the main traverser 23 and the first and second sub-traversers 24A and 24B are moved in the Z-axis direction while maintaining a fixed positional relationship. In other words, by moving the laser sheet Ls and the first and second CCD cameras 32A and 32B in the Z-axis direction while maintaining a fixed positional relationship, the laser sheet Ls irradiates the irradiation surface shifted in the Z-axis direction. Then, a three-component velocity vector at each position on the new irradiation surface is calculated. In FIG. 1, a state in which the irradiation surface of the particle image flow velocity measuring device 15 is at a position on the front end (upstream end) side of the object 12 is indicated by a solid line, and a state at a position on the rear end (downstream end) side of the object 12. Is indicated by a chain line.

この操作をZ軸方向に所定距離ずつ離間する複数の照射面について実行した結果をZ軸方向に積み重ねることで、物体12の周囲の3次元空間の全ての3成分速度ベクトルを測定することができ、これより物体12の周囲に形成される速度場を詳細に測定することができる。   By stacking the results obtained by performing this operation on a plurality of irradiation surfaces separated by a predetermined distance in the Z-axis direction in the Z-axis direction, all three-component velocity vectors in the three-dimensional space around the object 12 can be measured. Thus, the velocity field formed around the object 12 can be measured in detail.

尚、レーザーシートLsの位置を軸線Z方向に移動させながら照射面に分布するトレーサ粒子の画像を順次取得するため、各画像が取得された時刻は異なったものとなるが、物体の周囲の流れを定常流として計測するため、前記時刻のずれは問題とはならない。   In addition, since the images of the tracer particles distributed on the irradiation surface are sequentially acquired while moving the position of the laser sheet Ls in the axis Z direction, the time at which each image is acquired is different, but the flow around the object Is measured as a steady flow, the time lag is not a problem.

ところで、仮に第1、第2CCDカメラ32A,32Bの位置を固定し、レーザーシート照射手段31だけをZ軸方向に移動させた場合、レーザーシート照射手段31の移動に伴って第1、第2CCDカメラ32A,32Bとの相対的な位置関係が変化するため、第1、第2CCDカメラ32A,32Bの画像から得られた二つの2成分速度ベクトルから3成分速度ベクトルを算出する際のキャリブレーションがレーザーシートLsの位置を移動させる毎に異なってしまい、そのキャリブレーション工数が増加する問題がある。   If the positions of the first and second CCD cameras 32A and 32B are fixed and only the laser sheet irradiation means 31 is moved in the Z-axis direction, the first and second CCD cameras are moved along with the movement of the laser sheet irradiation means 31. Since the relative positional relationship with 32A and 32B changes, the calibration for calculating the three-component velocity vector from the two two-component velocity vectors obtained from the images of the first and second CCD cameras 32A and 32B is laser. Each time the position of the sheet Ls is moved, there is a problem that the number of calibration steps increases.

しかしながら本実施の形態によれば、レーザーシート照射手段31および第1、第2CCDカメラ32A,32Bが一定の位置関係を保ってZ軸方向に移動するため、レーザーシートLsの位置が移動する度にキャリブレーションを実行する必要をなくしてキャリブレーション工数を軽減することができる。   However, according to the present embodiment, since the laser sheet irradiation means 31 and the first and second CCD cameras 32A and 32B move in the Z-axis direction while maintaining a certain positional relationship, every time the position of the laser sheet Ls moves. Calibration man-hours can be reduced by eliminating the need to perform calibration.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。   The embodiments of the present invention have been described above, but various design changes can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、実施の形態では直接相互相関法を用い、二つの画像の相互相関値C(Δx,Δy)から算出した第1、第2ピーク値fp,spに基づいて誤ベクトルを判定しているが、直接相互相関法以外にFFT相互相関法や自己相関法等の他の相関法を用いることができる。   For example, in the embodiment, a direct cross-correlation method is used to determine an erroneous vector based on the first and second peak values fp, sp calculated from the cross-correlation values C (Δx, Δy) of two images. In addition to the direct cross-correlation method, other correlation methods such as FFT cross-correlation method and auto-correlation method can be used.

また実施の形態では第1、第2CCDカメラ32A,32Bを用いたステレオPIVを採用しているが,本発明は1台のCCDカメラを用いたPIVに対しても適用することができる。   In the embodiment, the stereo PIV using the first and second CCD cameras 32A and 32B is employed. However, the present invention can also be applied to a PIV using a single CCD camera.

12 物体
13 トレーサ粒子供給手段
32A 第1CCDカメラ(撮像手段)
32B 第3CCDカメラ(撮像手段)
fp 第1ピーク値
sp 第2ピーク値
12 Object 13 Tracer particle supply means 32A First CCD camera (imaging means)
32B Third CCD camera (imaging means)
fp first peak value sp second peak value

Claims (2)

物体(12)の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段(13)からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を2回照射して反射光を撮像手段(32A,32B)で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法において、
前記二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、前記二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第1ピーク値(fp)および第2ピーク値(sp)を比較することで、前記速度ベクトルの信頼性を判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法。
The tracer particles are supplied from the tracer particle supply means (13) to the flow field around the object (12), the reflected light is imaged by irradiating the tracer particles with a time difference twice and irradiating the laser light (32A, 32B). In the particle image velocimetry method for obtaining the velocity vector of the flow field based on two images of the obtained tracer particles,
The two images are each divided into a plurality of inspection regions, and the first peak value (fp) and the second peak value (sp) of the cross-correlation value of the luminance pattern of the tracer particles in each inspection region of the two images. To determine the reliability of the velocity vector by comparing the velocity vectors.
第1ピーク値(fp)/第2ピーク値(sp)≧1.2が成立したときに、前記速度ベクトルの信頼性が高いと判定することを特徴とする、請求項1に記載の粒子画像流速測定方法。   The particle image according to claim 1, wherein when the first peak value (fp) / second peak value (sp) ≧ 1.2 is established, it is determined that the reliability of the velocity vector is high. Flow rate measurement method.
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