基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统及测量方法

摘要

本发明提供的是一种基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统及测量方法。水下三维流场测量模块由两台高速相机、波长532nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、水下水密雷体、水动力导流翼型片体组成；空气流场三维测量模块由两台高速相机、波长1064nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、流线型舱体、空气导流翼型片体组成。在得到液体的三维速度矢量和气体的三维速度矢量后，数据处理系统依据自由液面轮廓将近自由液面气液两相流场进行合成，得到近自由液面气液两相流场的三维速度矢量，进而进行流体力学分析。本发明将三维流场测量系统模块化设计，便于安装，能够获得全局、丰富的两相流流场信息。

权利要求

1.一种基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统，其特征是：包括水下流场三维测量模块、空气流场三维测量模块、相机同步装置以及粒子图像处理系统；

所述水下流场三维测量模块包括两台液相高速相机、一台波长532nm激光器以及相应的532±10nm滤光镜、激光导光臂Ⅰ、水下水密雷体、水动力导流翼型片体；

所述空气流场三维测量模块包括两台气相高速相机、一台波长1064nm激光器以及相应的1064±10nm滤光镜、激光导光臂Ⅱ、流线型舱体、空气导流翼型片体；

所述相机同步装置由同步器构成，用于同步水下流场三维测量模块中两台液相高速相机和空气流场三维测量模块中两台气相高速相机的拍摄速率和拍摄时间，使四台高速相机拍摄的图像对是同一时间轴的；

所述粒子图像处理系统对粒子图像进行自由液面特征提取、粒子图像分割与合成以及粒子图像互相关运算；

水下流场三维测量模块中的波长532nm激光器和空气流场三维测量模块中的波长

1064nm激光器发出的激光片光处于同一平面，片光厚度不大于1mm，聚焦于近自由液面附近的气液两相待测区域。

2.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统，其特征是：水下流场三维测量模块中两台液相高速相机和空气流场三维测量模块中两台气相高速相机分别从待测区域的右前方和右后方以一定的倾斜视角对同一测量区域进行观测，并且这四台高速相机的分辨率与时间解析能力相同。

3.根据权利要求1或2所述的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统，其特征是：水下水密雷体的外形为流线型。

4.一种利用权利要求1所述的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统的测量方法，其特征是：

液相中布撒密度与水相近的示踪粒子，气相中布撒密度与空气相近的示踪粒子，在进行近自由液面气液两相流场测量时，水下流场三维测量模块处于自由液面的下方，波长532nm激光器发出532nm波长的激光，由激光导光臂Ⅰ将激光导入水下水密雷体中，经过片光源，形成具有上扬角度的532nm激光片光，该片光首先照亮水下流场中的密度与水相近的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮上方空气流场中的密度与空气相近的示踪粒子；同时，水下水密雷体中配有532±10nm滤光镜的两台液相高速相机对测量区域中被

532nm激光照亮的密度与水相近的示踪粒子和密度与空气相近的示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片Ⅰ，所述示踪粒子照片Ⅰ中只有密度与水相近的示踪粒子代表真实的测量区域液体流体质点，空气流场三维测量模块处于自由液面的上方，波长1064nm连续激光器发出

1064nm波长的激光，由激光导光臂Ⅱ将激光导入下方流线型舱体中，经过片光源，形成具有下俯角度的1064nm激光片光，该片光首先照亮空气流场中的密度与空气相近的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮下方水流场中密度与水相近的示踪粒子，流线型舱体中配有

1064±10nm滤光镜的两台气相高速相机对测量区域中被1064nm激光照亮的密度与空气相近的示踪粒子和密度与水相近的示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片Ⅱ，所述示踪粒子照片Ⅱ中只有气相示踪粒子代表真实的测量区域气体流体质点；

应用基于Canny算子的边缘检测算法，将示踪粒子照片Ⅰ和Ⅱ中自由液面轮廓提取出来，并将图像二值化，应用自由液面的轮廓将水下流场三维测量模块中两台液相高速相机捕获的示踪粒子照片Ⅰ中气相的部分去除，仅仅保留被532nm激光照亮的密度与水相近的示踪粒子部分；应用自由液面的轮廓将空气流场三维测量模块中两台气相高速相机捕获的示踪粒子照片Ⅱ中液相的部分去除，仅仅保留被1064nm激光照亮的密度与空气相近的示踪粒子部分，之后，基于真实的示踪粒子图像，应用自适应互相关算法计算出不同相机视角下平面的二维速度矢量；

在应用自适应互相关算法得到不同视角下流场的二维速度矢量后，依据流体流动的三维连续性，将不同视角下相机拍摄的平面二维速度矢量合成为平面三维速度矢量；

在水下流场三维测量模块获得液相流场的三维速度矢量、空气流场三维测量模块获得气相流场的三维速度矢量之后，依据自由液面轮廓，应用图像拼接技术，将空气三维流场信息与水下三维流场信息拼接起来，得到近自由液面处非线性气液两相流场的三维流场信息。

说明书

基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统

及测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是涉及的是一种实验流体力学中非接触式流场测量的装置及方法，具体地说是一种近自由液面风浪耦合流场三维测量系统及测量方法。

背景技术

[0002] 在流体力学中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流动显示技术的单点测量已不能满足人们对流体流动认知的需求。这就需要新的测量技术，实现流动显示由单点测量向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展(盛森芝,徐月亭,袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展[J].力学与实践,2002,24(5):1-14.)。近代以来，从20世纪初对湍流流动测量有开创新意义的热线热膜流速计(Hot Wire/Film Anemometer,HWFA)的出现，到20世纪60年代，激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)利用流场中粒子的Mie散射，测量散射光对入射光的多普勒频移量，根据此计算粒子的运动速度，实现流场的无接触测量。再到20世纪80年代，粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术实现了点向面的流场测量，是近代流动显示技术的最重要突破之一。

[0003] 多相流动一直是流体力学研究领域的热点和难点，粒子图像测速技术(PIV)因为其测量流场的无干扰、瞬态和全场速度测量的特点，十分适用于多相流流场测量(许联锋,陈刚,李建中,等.气液两相流动粒子成像测速技术(PIV)研究进展[J].水力发电学报,2004,23(6):103-107.)。对于气液两相流问题，由于自由液面的存在和空气与水的物理属性差异，气液两相流中水气交界面处的流场流动极为复杂，水气两相流场测量难度大大增加，传统的测量手段根本无法解决，所以新型流场测量技术的开发势在必然。目前全球范围的单相流体三维PIV测量技术正逐步趋于成熟，但是气液两相流场PIV测量技术并不完善。
1997年，William L.Peirson(Peirson W L.Measurement of surface velocities and shears at a wavy air–water interface using particle image velocimetry[J].Experiments in Fluids,1997,23(5):427-437.)首次使用PIV技术来研究自由液面处风与水之间的相互作用，在其搭建的PIV系统中使用两台CCD相机，研究了水气交界面处的二维流场速度和风场对水流场的影响程度。2009年，DE Turney(Turney D E,Anderer A,Banerjee S.A method for three-dimensional interfacial particle image velocimetry(3D-IPIV)of an air–water interface[J].Measurement Science&Technology,2009,20(20):045403.)等开发了一种用于测量水气交界面的三维粒子图像测速技术，但该技术需要将水体完全染黑有一定的局限性。2015年，Matthieu A.Andre(AndréM A,Bardet P M.Interfacial shear stress measurement using high spatial resolution multiphase PIV[J].Experiments in Fluids,2015,56(6):1-18.)等对二维的气液两相之间的阻力、粘性剪切应力和气液间动量传递机制进行了实验研究。上述这些测量技术与手段对气液两相流场的研究做了很大的贡献，但是都有各自的局限性，对于近自由液面处非线性、强三维空间性的气液两相流场至今仍没有一个较好的测量技术或方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种能够进行近自由液面气液两相流的三维流场同步测量，获得全局、丰富的两相流流场信息的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的近自由液面气液两相流场三维测量系统的测量方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 本发明的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统包括水下流场三维测量模块、空气流场三维测量模块、相机同步装置以及粒子图像处理系统；

[0007] 所述水下流场三维测量模块包括两台液相高速相机、一台波长532nm激光器以及相应的532±10nm滤光镜、激光导光臂Ⅰ、水下水密雷体、水动力导流翼型片体；

[0008] 所述空气流场三维测量模块包括气相两台高速相机、一台波长1064nm激光器以及相应的1064±10nm滤光镜、激光导光臂Ⅱ、流线型舱体、空气导流翼型片体；

[0009] 所述相机同步装置由同步器构成，用于同步水下流场三维测量模块中两台液相高速相机和空气流场三维测量模块中两台气相高速相机的拍摄速率和拍摄时间，使四台高速相机拍摄的图像对是同一时间轴的；

[0010] 所述粒子图像处理系统对粒子图像进行自由液面特征提取、粒子图像分割与合成以及粒子图像互相关运算。

[0011] 本发明的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统还可以包括：

[0012] 1、水下流场三维测量模块中的532nm激光器和空气流场三维测量模块中的1064nm激光器发出的激光片光处于同一平面，片光厚度不大于1mm，聚焦于近自由液面附近的气液两相待测区域。

[0013] 2、水下流场三维测量模块中两台液相高速相机和空气流场三维测量模块中两台气相高速相机分别从待测区域的右前方和右后方以一定的倾斜视角对同一测量区域进行观测，并且这四台高速相机的分辨率与时间解析能力相同。

[0014] 3、水下水密雷体的外形为流线型。

[0015] 基于本发明的基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统的测量方法为：液相中布撒密度与水相近的示踪粒子，气相中布撒密度与空气相近的示踪粒子，[0016] 在进行近自由液面气液两相流场测量时，水下流场三维测量模块处于自由液面的下方，波长532nm激光器发出532nm波长的激光，由激光导光臂Ⅰ将激光导入水下水密雷体中，经过片光源，形成具有上扬角度的532nm激光片光，该片光首先照亮水下流场中的密度与水相近的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮上方空气流场中的密度与空气相近的示踪粒子；同时，水下水密雷体中配有532±10nm滤光镜的两台液相高速相机对测量区域中被532nm激光照亮的密度与水相近的示踪粒子和密度与空气相近的示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片Ⅰ，所述示踪粒子照片Ⅰ中只有密度与水相近的示踪粒子代表真实的测量区域液体流体质点，空气流场三维测量模块处于自由液面的上方，波长1064nm连续激光器发出1064nm波长的激光，由激光导光臂Ⅱ将激光导入下方流线型舱体中，经过片光源，形成具有下俯角度的1064nm激光片光，该片光首先照亮空气流场中的密度与孔相近的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮下方水流场中密度与水相近的示踪粒子，流线型舱体中配有1064±10nm滤光镜的两台气相高速相机对测量区域中被1064nm激光照亮的密度与空气相近的示踪粒子和密度与水相近的示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片Ⅱ，所述示踪粒子照片Ⅱ中只有气相示踪粒子代表真实的测量区域气体流体质点；

[0017] 应用基于Canny算子的边缘检测算法，将示踪粒子照片Ⅰ和Ⅱ中自由液面轮廓提取出来，并将图像二值化，应用自由液面的轮廓将水下流场三维测量模块中两台液相高速相机捕获的示踪粒子照片Ⅰ中气相的部分去除，仅仅保留被532nm激光照亮的密度与水相近的示踪粒子部分；应用自由液面的轮廓将空气流场三维测量模块中两台气相高速相机捕获的示踪粒子照片Ⅱ中液相的部分去除，仅仅保留被1064nm激光照亮的密度与空气相近的示踪粒子部分，之后，基于真实的示踪粒子图像，应用自适应互相关算法计算出不同相机视角下平面的二维速度矢量；

[0018] 在应用自适应互相关算法得到不同视角下流场的二维速度矢量后，依据流体流动的三维连续性，将不同视角下相机拍摄的平面二维速度矢量合成为平面三维速度矢量；

[0019] 在水下流场三维测量模块获得液相流场的三维速度矢量、空气流场三维测量模块获得气相流场的三维速度矢量之后，依据自由液面轮廓，应用图像拼接技术，将空气三维流场信息与水下三维流场信息拼接起来，得到近自由液面处非线性气液两相流场的三维流场信息。

[0020] 本发明提出了一种基于粒子图像测速技术的近自由液面气液两相流场三维测量系统及测量方法，能够测量近自由液面处非线性、强三维空间性的气液两相流场，为近自由液面处气液两相流场的测量提供了有效的测量技术。

[0021] 水下流场三维测量模块由两台高速相机，一台波长532nm高能量连续激光器以及相应的532±10nm滤光镜，激光导光臂，水下水密雷体，水动力导流翼型片体等主要部分组成，该模块的外形均为流线型，目的是尽量避免测量设备对待测区域液相流场的干扰。

[0022] 空气流场三维测量模块由两台高速相机，一台波长1064nm高能量连续激光器以及相应的1064±10nm滤光镜，激光导光臂，流线型舱体，空气导流翼型片体等主要部分组成，该模块的外形均为流线型，目的是尽量避免测量设备对待测区域气相流场的干扰。

[0023] 水下流场三维测量模块中的532nm激光器和空气流场三维测量模块中的1064nm激光器发出的激光片光处于同一平面，片光厚度不大于1mm，聚焦于近自由液面附近的气液两相待测区域。

[0024] 水下流场三维测量模块中两台高速相机和空气流场三维测量模块中两台高速相机分别从待测区域的右前方和右后方以一定的倾斜视角对同一测量区域进行观测，并且这四台高速相机的分辨率与时间解析能力是一样的。

[0025] 相机同步装置主要由同步器构成，用于同步水下流场三维测量模块中两台高速相机和空气流场三维测量模块中两台高速相机的拍摄速率和拍摄时间，使本测量系统中四台高速相机拍摄的图像对是同一时间轴的。

[0026] 数据处理系统是以高性能计算机为硬件基础，C++与Matlab语言为数字图像处理基础，对粒子图像进行自由液面特征提取，粒子图像分割与合成以及粒子图像互相关算法等数据分析。

[0027] 本发明所述的近自由液面气液两相流场三维测量系统中的水下流场三维测量模块和空气流场三维测量模块可以分开使用，单独测量液相流场和气相流场。

[0028] 水下三维流场测量模块和空气三维流场测量模块中激光器和高速相机的空间布局不是固定的，激光器可以在两台高速相机的前部、中部和后部，用以符合实际测量中的工况。激光器置处于不同的位置时，改变粒子图像处理算法中相机与激光片光之间的夹角即可。

[0029] 在水下流场三维测量模块得到液体的三维速度矢量和空气流场三维测量模块得到气体的三维速度矢量后，数据处理系统依据自由液面轮廓将近自由液面气液两相流场进行合成，最终得到近自由液面气液两相流场的三维速度矢量，进而进行气液两相流的涡量、剪切应力、雷诺应力等深入的流体力学分析。本发明将三维流场测量系统模块化设计，便于安装，创新性地提出了近自由液面气液两相流场三维测量系统，能够进行近自由液面气液两相流的三维流场同步测量，获得全局、丰富的两相流流场信息。

附图说明

[0030] 图1是基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统的整体结构示意图。

[0031] 图2是近自由液面气液两相流场三维测量系统正视图。

[0032] 图3是近自由液面气液两相流场三维测量系统侧视图。

[0033] 图4是近自由液面气液两相流场三维测量系统俯视图。

[0034] 图5是水下流场三维测量模块结构示意图。

[0035] 图6是空气流场三维测量模块结构示意图。

[0036] 图7是可变窗口进行矢量分析原理图。

[0037] 图8是自适应互相关算法流程图

[0038] 图9(a)-图9(b)是三维速度矢量合成原理图。

[0039] 图10是近自由液面气液两相流场三维测量系统工作流程图。

具体实施方式

[0040] 下面举例对本发明做更详细的描述。

[0041] 结合图1至图6，本发明的基于粒子图像测速技术的近自由液面气液两相流场三维测量系统包括水下流场三维测量模块、空气流场三维测量模块、相机同步装置以及粒子图像处理系统。本发明的测量系统主要目标是对非线性近自由液面处风浪耦合作用下的气液两相流场进行三维的动态测量。水下流场三维测量模块包括水密水下雷体8、两台液相高速相机9和10、波长532nm连续激光器14、激光导光臂16和水动力导流翼型片体18；空气流场三维测量模块包括流线型舱体11、两台气相高速相机12和13、波长1064nm连续激光器15、激光导光臂16和空气导流翼型片体17。该测量系统中的各个部件空间布局如下：水下流场三维测量模块的整体外形由水密水下雷体8、三个水动力导流翼型片体18和波长532nm连续激光器14组成，其中激光器处于中间水动力导流翼型片体的上方，中间水动力导流翼型片体内部包含激光导光臂16，将位于上方激光器发出的激光传递至水下雷体中，使得激光片光从雷体的中部发出；液相高速相机Ⅰ9位于雷体的前端，液相高速相机Ⅱ10位于雷体的后端，且两个相机与激光片光间的间距是相同的，及两台高速相机的观察视角是相同的，位于前部和后部的水动力导流翼型片体中包含有高速相机的控制线缆；532nm激光片光源与水下两台高速相机三点处于同一直线上，整个水密水下雷体约在水下40cm至60cm处；空气流场三维测量模块的整体外形由三个流线型舱体11、三个空气动力导流翼型片体17和波长1064nm连续激光器15组成，其中激光器处于中间空气动力导流翼型片体的上方，中间空气动力导流翼型片体内部包含激光导光臂16，将位于上方激光器发出的激光传递至中间流线型舱体中，使得激光片光从中间流线型舱体发出；气相高速相机Ⅰ12位于前部流线型舱体中，气相高速相机Ⅱ13位于后部流线型舱体中，且两个相机与激光片光间的间距是相同的，及两台高速相机的观察视角是相同的，位于前部和后部的空气动力导流翼型片体中包含有高速相机的控制线缆，1064nm激光片光源与水下两台高速相机三点处于同一直线上，整个空气流场三维测量系统约在水上40cm至60cm处；并且液相高速相机Ⅰ9与气相高速相机Ⅰ12、液相高速相机Ⅱ10与气相高速相机Ⅱ13、波长532nm激光片光3与波长1064nm激光片光15均处于同一纵向位置上。

[0042] 在进行近自由液面气液两相流场三维测量时，非线性自由液面1上方空气流场布满气相示踪粒子，其下方的水流场布满液相示踪粒子；针对近自由液面气液两相流测量区域4，水下流场三维测量系统中波长532nm连续激光器14发出532nm激光，532nm激光由激光导光臂16传输至下方，经过片光源得到波长532nm,激光片光3，激光处于流场区域测量截面5，532nm的激光照亮该测量截面中的液相示踪粒子7；空气流场三维测量系统中波长1064nm连续激光器15发出1064nm激光，1064nm激光由激光导光臂16传输至下方，经过片光源得到波长1064nm,激光片光2，激光处于流场区域测量截面5，1064nm的激光照亮该测量截面中的气相示踪粒子6；同时，同步器19将粒子图像处理系统20与水下、空气流场三维测量模块中四台高速相机连接成一个系统；水下流场三维测量模块的水密水下雷体8中的液相高速相机Ⅰ和Ⅱ9和10与空气流场三维测量模块的流线型舱体11中的气相高速相机Ⅰ和Ⅱ12和13同时对近自由液面气液两相流测量区域4中被激光照亮的示踪粒子进行拍摄，得到测量区域示踪粒子图像。应用基于Canny算子的边缘检测算法，将粒子图像中自由液面轮廓提取出来；应用提取出的自由液面轮廓将水下流场三维测量模块中两台高速相机捕获的粒子照片中气相的部分去除；同时，应用自由液面的轮廓将空气流场三维测量模块中两台高速相机捕获的粒子照片中液相的部分去除。使水下流场三维测量模块得到被波长532nm激光片光3照亮的真实液相示踪粒子7图像，使空气流场三维测量模块得到被波长1064nm激光片光2照亮的真实气相示踪粒子6图像。之后，基于真实的示踪粒子图像，应用自适应互相关算法得到不同相机视角下平面的二维速度矢量；依据流体流动的三维连续性，将不同视角下相机拍摄的平面二维速度矢量合成为平面三维速度矢量；最后，应用图像拼接技术，依据自由液面轮廓，将空气三维流场信息与水下三维流场信息拼接起来，得到近自由液面处非线性气液两相流场的三维流场信息。本发明将三维流场测量系统模块化设计，便于安装，创新性地提出了近自由液面气液两相流场三维测量系统，能够进行近自由液面气液两相流的三维流场同步测量，获得全局、丰富的两相流流场信息。

[0043] 本发明涉及的测量区域是近自由液面处的气液两相流场，包含气体和液体，由于非线性的自由液面存在，激光从某一相流场射入另一相流场时，光线会发生折射与散射，特别是发生波浪破碎和表面气泡夹带时，非定常的自由液面会使激光产生扭曲和变形，这样高速相机所记录的示踪粒子已经不再代表所测量的流场区域，从而导致错误的流场信息。此外，高速相机在获取示踪粒子图像时，示踪粒子因激光照射发出的光线，在经过气液两相交界面后进入高速相机的CCD芯片时，光线也会在非线性自由液面处发生折射，这样高速相机所获取的示踪粒子图像是具有欺骗性的。因此，仅仅在气液两相中的某一项布置相机是十分不合理的。所以普通的2D-PIV测量系统或Stereo-PIV测量系统对近自由液面气液两相流场无法进行测量。

[0044] 本发明基于PIVParticleImageVelocimetry技术的基本原理，应用尺度极小的示踪粒子来近似的代替并标记两相流场中的水质点和空气质点，通过高能量激光器显示并标定流体质点处的示踪粒子，应用高速相机记录被标记的流体质点运动的轨迹，通过高速相机极短的时间间隔重现流体质点的速度矢量，得到测量区域的流场流动信息。针对近自由液面附近的强非线性、强三维空间性气液两相流场，液相中布撒有浓度均匀的示踪粒子，该示踪粒子密度与水相近镀银空心玻璃球和聚酰胺粒子等都是很好的选择，气相中同样布撒有浓度均匀的示踪粒子，该示踪粒子密度与空气相近固态二氧化碳和聚苯乙烯等都是很好的选择，这些示踪粒子因具有良好的流动跟随性、可见度高、尽可能为球形以及有较高的光散射效率。在进行近自由液面气液两相流场测量时，水下流场三维测量模块处于自由液面的下方，波长532nm高能量连续激光器发出532nm波长的激光，由导光臂将激光导入水下雷体中，经过片光源，形成具有一定上扬角度的532nm激光片光，该片光首先会照亮水下流场中的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮上方空气流场中的示踪粒子。同时，水下雷体中配有532±10nm滤光镜的两台高速相机对测量区域中被532nm激光照亮的液相示踪粒子和气相示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片。该示踪粒子照片中只有液相示踪粒子代表真实的测量区域液体流体质点，照片中的气相示踪粒子是经过自由液面折射后的激光所照亮的，并不代表真实的测量区域气体流体质点。这样水下流场三维测量模块获得的粒子图像中液相粒子代表真实的测量区域水流体质点。空气流场三维测量模块处于自由液面的上方，波长1064nm高能量连续激光器发出1064nm波长的激光，由导光臂将激光导入下方流线型舱体中，经过片光源，形成具有一定下俯角度的1064nm激光片光，该片光首先会照亮空气流场中的示踪粒子，接着经过自由液面的折射照亮下方水流场中的示踪粒子。同时，流线型舱体中配有1064±10nm滤光镜的两台高速相机对测量区域中被1064nm激光照亮的气相示踪粒子和液相示踪粒子进行记录，得到示踪粒子照片。该示踪粒子照片中只有气相示踪粒子代表真实的测量区域气体流体质点，照片中的液相示踪粒子是经过自由液面折射后的激光所照亮的，并不代表真实的测量区域液体流体质点。这样空气流场三维测量模块获得的粒子图像中气相粒子代表真实的测量区域空气流体质点。

[0045] 在测量过程中，相机同步装置将水下流场三维测量模块中两台高速相机和空气流场三维测量模块中两台高速相机的拍摄速率和拍摄起止时间同步，保证四台相机拍摄的粒子图像是同一时刻的。在水下流场三维测量模块和空气流场三维测量模块获得粒子照片后，由于自由液面使激光发生折射，使得粒子照片中会有明显的自由液面轮廓，应用基于Canny算子的边缘检测算法，将粒子图像中自由液面轮廓提取出来，并将图像二值化。应用自由液面的轮廓将水下流场三维测量模块中两台高速相机捕获的粒子照片中气相的部分去除，仅仅保留照片中被532nm激光照亮的液相示踪粒子部分。同时，应用自由液面的轮廓将空气流场三维测量模块中两台高速相机捕获的粒子照片中液相的部分去除，仅仅保留照片中被1064nm激光照亮的气相示踪粒子部分。这样使水下流场三维测量模块得到被532nm激光照亮的真实水下流场示踪粒子图像，使空气流场三维测量模块得到被1064nm激光照亮的真实空气流场示踪粒子图像。之后，基于真实的示踪粒子图像，应用自适应互相关算法计算出不同相机视角下平面的二维速度矢量。

[0046] 自适应互相关算法是一个反复迭代的过程：迭代第一步先假设一个初始偏移值，把这个偏移值当做窗口1到窗口2的偏移量，由此确定了这次迭代获得的矢量；这个矢量经过互相关处理及子像素峰值匹配修正后，再当做新的窗口偏移量，进入下一轮迭代，如图7所示。这样采用可变窗口shifted window处理的优势在于能够获取更多的有效粒子带入矢量分析计算，避免粒子由于位移过大“跳出”计算窗口导致计算粒子数量减少。迭代过程完成后，通过矢量确认对伪矢量进行剔除，优化矢量计算结果。

[0047] 具体迭代过程如下：

[0048] 位移场由一个预报值假定的初始偏移值和一个小的修正值组成，即：

[0049] δ(x,y)＝δp(x,y)+δc(x,y)。

[0050] 上式中δ为窗口偏移量；p表示预报值predictor；c表示修正值corrector。下一步迭代将修正值δc(x,y)通过互相关cross-correlation处理，互相关函数表达式为：

[0051]

[0052] 上式中Φ表示互相关函数cross-correlation function；x,y为图像坐标；m,n为空间相关性变化；Ia和Ib为t0和t0+Δt时刻密度分布。再通过子像素峰值匹配sub-pixel peak fit得到下一步运算的修正值f(Φ(x,y))：

[0053]

[0054] 上式中表示整数相关峰的位置，修正后修正值结果为：

[0055]

[0056] 最终整个迭代过程公式为：

[0057]

[0058] 矢量确认通过两种确认方法完成：局部临近确认local neighood validation和峰值确认peak validation。

[0059] 局部临近确认规则如下：,选定计算局部误差，可接受矢量控制方程为:

[0060]

[0061] 超出此误差范围的矢量被剔除，其中U为速度；为水平速度；为垂向速度。

[0062] 峰值确认规则如下：预先选定误差范围，可接受矢量控制方程为:

[0063]

[0064] 其中，mean(u)是速度u的平均值，rms(u)为速度u的均方根，超出此误差范围的矢量被剔除。最终，通过这两种确认手段，对互相关分析的结果进行优化，剔除“非真实”矢量，整合得出真实位移和速度矢量。整个自适应互相关法的计算原理如图8的算法流程图。

[0065] 在应用自适应互相关算法得到不同视角下流场的二维速度矢量后，依据流体流动的三维连续性，类似于生物双目视觉原理，将不同视角下相机拍摄的平面二维速度矢量合成为平面三维速度矢量。

[0066] 如图9(a)和图9(b)所示，设粒子的三维空间速度为U＝(u,v,w)，其中u,v,w分别为x，y，z方向上速度分量，其中α1,α2为相机1和相机2视角与激光片光之间在x方向上的夹角，为相机1和相机2视角与激光片光之间在y方向上的夹角。由此可得：

[0067] u＝(u1*tanα2+u2*tanα1)/(tanα1+tanα2)。

[0068] 同理可得y，z方向的速度分量，分别为：

[0069]

[0070]

[0071] 由此，水下流场三维测量模块获得液相流场的三维速度矢量，同时，空气流场三维测量模块获得气相流场的三维速度矢量。最后，依据上述的自由液面轮廓，应用图像拼接技术，将空气三维流场信息与水下三维流场信息拼接起来，得到近自由液面处非线性气液两相流场的三维流场信息。

[0072] 基于粒子图像测速技术的近自由液面气液两相流场三维测量系统的工作流程图如图10所示，详细的流程步骤为：第一步是近自由液面气液两相流场测量准备工作，进行水下流场三维测量模块中高速相机与532nm滤光镜、水密水下雷体等模块安装与调试形成液相流场基本测量设备，清理液体表面污物以及水中杂质形成液相流场测量工作环境，进行空气流场三维测量模块中高速相机与1064nm滤光镜、流线型舱体等模块安装与调试形成气相流场基本测量设备，确定气相流场形成气相流场测量工作环境；第二步是流场测量模块标定与示踪粒子布散，进行水下和空气流场三维测量模块标定确定待测水气两相交接区域，布散水流场和空气流场示踪粒子形成待测气液两相流场环境；第三步是气液两相流场测量，波长532nm激光器发出片光，水下高速相机进行图像采集得到气液两相流场示踪粒子图像，波长1064nm激光器发出片光，水上高速相机进行图像采集得到气液两相流场示踪粒子图像；第四步是气液两相流场的分离与提取并进行计算分析，粒子图像基于Canny算子进行边缘检测和轮廓提取，得到精确的自由液面轮廓，对于水下流场三维测量模块基于自由液面轮廓，去除气相流场信息，保留所需的液相流场信息，根据液相流场的图像选择液相流场图像互相关分析算法和三维重构，得到近自由液面液相三维流场信息，对于空气流场三维测量模块基于自由液面轮廓去除液相流场信息，保留所需的气相流场信息，根据气相流场的图像选择气相流场图像互相关分析算法和三维重构，得到近自由液面气相三维流场信息；第五步是形成完整的气液两相流流场信息，依据自由液面轮廓应用图像拼接技术，将得到的分离相流场信息拼接起来，最终得到近自由液面处气液两相流场的三维流场信息，实现本测量系统的目标。