一种自动寻找流场边界的方法及系统

1.本发明涉及一种自动寻找流场边界的方法及系统，属于光学层析技术领域。


背景技术：

2.在利用莫尔层析技术对高温复杂流场进行物理参数反演时，需要分区重建，因为流场内成分分布复杂。然而，到目前为止，仍然是通过流场的折射率和亮度的转折点来近似确定不同区域之间的边界，这严重影响了参数反演的效率和精度。本发明提出了一种自动寻找流场不同区域边界的方法，使得莫尔层析技术用于流场诊断时区域划分的效率和精度大大提高。总之，相关研究将对于利用莫尔层析技术实现高温复杂流场的结构显示和关键参数测量具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种自动寻找流场边界的方法及系统。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种自动寻找流场边界的方法，包括：
5.获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；
6.遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。
7.进一步的，所述获取待测流场的莫尔条纹，包括：利用莫尔层析技术实验装置取待测流场的莫尔条纹。
8.进一步的，所述根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线，包括：
9.利用滤波反投影技术根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线。
10.进一步的，所述遍历所述折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界，包括：
11.初始化上升下降标志为上升，分别遍历亮度数据和折射率数据，
12.如果fi＜f
i-1
，那么f
i-1
就是下降部分的开始点数据，上升下降标志修改为下降，则：
13.d
ln
＝i-1
14.u
vn
＝f
i-1-c
vn
15.fi为当前位置点的亮度或折射率数据，f
i-1
为前一位置点的亮度或折射率数据，i＝2,3,
…
,n，n是最后一个位置点，d
ln
为第n个下降部分的开始点，上一个上升部分的开始点到该第n个下降部分的开始点的上升幅度为u
vn
，c
vn
为上一个上升部分的开始点位置的数据；
16.如果fi≥f
i-1
，那么继续遍历下一点数据，直到确定下降部分的开始点数据或者遍历结束，确定下降部分的开始点后上升下降标志修改为下降；
17.在遍历过程中当上升下降标志为下降，且fi＞f
i-1
，那么f
i-1
就是上升部分的开始点，则：
18.u
lm
＝i-1
19.d
v(m-1)
＝f
i-1-c
vm
20.u
lm
为第m个上升部分的开始点，d
vm
为上一个下降部分的开始点到该第m个上升部分的开始点的下降幅度，c
vm
为上一个下降部分的开始位置的数据；
21.在遍历过程中当上升下降标志为下降，且fi≤f
i-1
，那么继续遍历下一点数据，直到确定上升部分的开始点数据或者遍历结束，确定上升部分的开始点后上升下降标志修改为上升；
22.当遍历结束，最后一部分只记录了开始点位置和上升下降标志，通过下式单独计算其变化幅度，
23.当最后一部分的上升下降标志是上升，那么其上升幅度u
ve
为：
24.u
ve
＝f
n-cv.
25.当最后一部分的上升下降标志为下降，则其下降幅度d
ve
为：
26.d
ve
＝f
n-cv.
27.获取遍历结束后所有开始点位置、上升下降标志、上升幅度和下降幅度；
28.利用聚类分析从所有上升幅度和下降幅度中确定幅度变化属于剧烈变化的一类和微弱变化的一类；
29.根据剧烈变化的一类中的上升幅度和下降幅度的开始点位置、上升下降标志确定峰，所述峰为剧烈变化一类中连续的上升和下降部分，连续的是指该部分的上升幅度和下降幅度对应的开始点位置之间不存在微弱变化的一类中的上升幅度或下降幅度对应的开始点；
30.遍历所有峰，得到亮度数据或折射率数据的边界；
31.结合亮度数据的边界和折射率数据的边界确定整个待测流场的所有边界，其中，每个峰的边界为该峰第一个上升幅度或下降幅度对应的开始点位置到下一个微弱部分的开始点位置。
32.进一步的，所述结合亮度数据的边界和折射率数据的边界确定整个待测流场的所有边界，包括：将亮度和折射率曲线的所有边界点全部作为待测流场的边界点。
33.进一步的，所述利用聚类分析从所有上升幅度和下降幅度中确定幅度变化属于剧烈变化的一类和微弱变化的一类，包括：
34.从所有上升幅度和下降幅度的幅度值进行两两差值计算；
35.差值计算的绝对值与预先设置的阈值进行比较，若差值计算的绝对值大于阈值，将两个幅度中幅度值较大的归入剧烈变化一类；
36.从剧烈变化一类中确定最小幅度值，将所有上升幅度和下降幅度的幅度值中小于所述最小幅度值的幅度归入微弱变化一类。
37.进一步的，所述阈值为最大幅度和最小幅度的差值的一半。
38.一种自动寻找流场边界的系统，包括：
39.获取模块，用于获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；
40.遍历模块，用于遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。
41.本发明所达到的有益效果：
42.通过本发明可以自动准确地寻找到不同流场成分之间的边界；自动进行，计算速度极快，适合结构复杂的流场区域划分。
附图说明
43.图1为本发明的流程示意图；
44.图2为莫尔层析技术实验装置示意图；
45.图3(a)为丙烷燃烧场的火焰照片，图3(b)为丙烷燃烧场的莫尔条纹；
46.图4(a)为丙烷燃烧场的亮度分布及所有的边界点寻找结果和图4(b)为丙烷燃烧场的折射率分布及所有的边界点寻找结果；
47.图5为丙烷燃烧场的区域划分示意图；
48.图6丙烷燃烧场的折射率或亮度分布曲线区域划分示意图；
具体实施方式
49.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
50.如图1所示，一种自动寻找流场边界的方法，包括：
51.获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；
52.遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。
53.图2所示的实验装置：1是作为光源的中心波长为532nm的激光器，其最大输出功率为400mw；3是焦距为30cm的透镜，与小透镜2组成了扩束准直系统；4是待测高温复杂流场；5和6是光栅常数为0.02mm、间距δ＝17.2mm的ronchi光栅；7和9是焦距为30cm、直径为75mm的成像透镜，并且与光阑8、光屏10组成了4-f系统；ccd1用来测量光屏上的莫尔条纹，ccd2用来测量待测流场的亮度信息，这两个ccd由计算机控制来同步获取同一时刻下的一组信息。
54.基于图2所示的实验装置获取待测流场的莫尔条纹，并重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布。然后，利用现有的滤波反投影技术分别根据折射率和亮度分布曲线寻找出不同区域之间的边界，具体方法如下。
55.如图6所示，设待测的亮度或折射率数据为fi(i＝1,2,
…
,n)，第m个上升部分和第n个下降部分的开始点分别为u
lm
和d
ln
，其上升和下降幅度分别为u
vm
和d
vn
。同时，上一个上升或下降部分的开始位置的数据为cv。初始化上升下降标志为上升，遍历f，如果fi＞f
i-1
且标志为下降，那么f
i-1
就是上升部分的开始点，则：
[0056][0057]
如果fj＜f
j-1
且标志为上升，那么f
j-1
就是下降部分的开始点，则：
[0058][0059]
当遍历结束，最后一部分只记录下了开始点位置和上升下降标志，所以我们需要单独计算其变化幅度。当最后一部分的标志是上升，那么其上升幅度u
ve
为：
[0060]uve
＝f
n-cv.
ꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
当最后一部分的标志为下降，则其下降幅度d
ve
为：
[0062]dve
＝f
n-cv.
ꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
于是，所有上升和下降部分的开始点位置u
l
和d
l
，上升和下降幅度uv和dv都已经计算得到。由于高温等复杂成分存在的流场常常会有较大的折射率或亮度变化，所以我们可以根据变化幅度的剧烈程度将所有的变化过程分为两类。设第i个部分的变化幅度为c
ri
，则由聚类分析可以得到剧烈变化和微弱变化这两类过程的幅度值之间的距离d(g
p
,gq)为：
[0064][0065]
同时
[0066]
d(c
ri
,c
rj
)＝|c
ri-c
rj
|.
ꢀꢀꢀ
(6)
[0067]
其中，g
p
是c
ri
所属的类，gq是c
rj
所属的类。
[0068]
我们知道，变化剧烈的一类部分是我们关心的信息，并且单独的或连续的剧烈变化部分可以视为一个整体的“峰”，这个“峰”的左右侧边缘即为流场的一组边界位置。遍历所有峰，即可得到整个待测流场的所有边界。
[0069]
至此，所有的边界都已经被找到并确定，而后待测流场即可根据这些边界位置进行分区重建。
[0070]
本实施例中，选取丙烷燃烧场进行实验。利用图2中的实验装置获得相应的莫尔条纹，如图3(a)和图3(b)所示。而后通过ccd将条纹导入到计算机里进行折射率和亮度重建，而后根据本发明寻找到丙烷燃烧场的所有边界，如图4(a)和图4(b)所示。最后进行丙烷燃烧场的区域划分，如图5所示，图5上面为亮度曲线，下面为与空气的相对折射率曲线。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种自动寻找流场边界的方法，其特征在于，包括：获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。2.根据权利要求1所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述获取待测流场的莫尔条纹，包括：利用莫尔层析技术实验装置取待测流场的莫尔条纹。3.根据权利要求1所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线，包括：利用滤波反投影技术根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线。4.根据权利要求1所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述遍历所述折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界，包括：初始化上升下降标志为上升，分别遍历亮度数据和折射率数据，如果f
i
＜f
i-1
，那么f
i-1
就是下降部分的开始点数据，上升下降标志修改为下降，则：d
ln
＝i-1u
vn
＝f
i-1-c
vn
f
i
为当前位置点的亮度或折射率数据，f
i-1
为前一位置点的亮度或折射率数据，i＝2,3,
…
,n，n是最后一个位置点，d
ln
为第n个下降部分的开始点，上一个上升部分的开始点到该第n个下降部分的开始点的上升幅度为u
vn
，c
vn
为上一个上升部分的开始点位置的数据；如果f
i
≥f
i-1
，那么继续遍历下一点数据，直到确定下降部分的开始点数据或者遍历结束，确定下降部分的开始点后上升下降标志修改为下降；在遍历过程中当上升下降标志为下降，且f
i
＞f
i-1
，那么f
i-1
就是上升部分的开始点，则：u
lm
＝i-1d
v(m-1)
＝f
i-1-c
vm
u
lm
为第m个上升部分的开始点，d
vm
为上一个下降部分的开始点到该第m个上升部分的开始点的下降幅度，c
vm
为上一个下降部分的开始位置的数据；在遍历过程中当上升下降标志为下降，且f
i
≤f
i-1
，那么继续遍历下一点数据，直到确定上升部分的开始点数据或者遍历结束，确定上升部分的开始点后上升下降标志修改为上升；当遍历结束，最后一部分只记录了开始点位置和上升下降标志，通过下式单独计算其变化幅度，当最后一部分的上升下降标志是上升，那么其上升幅度u
ve
为：u
ve
＝f
n-c
v
.当最后一部分的上升下降标志为下降，则其下降幅度d
ve
为：d
ve
＝f
n-c
v
.获取遍历结束后所有开始点位置、上升下降标志、上升幅度和下降幅度；利用聚类分析从所有上升幅度和下降幅度中确定幅度变化属于剧烈变化的一类和微弱变化的一类；
根据剧烈变化的一类中的上升幅度和下降幅度的开始点位置、上升下降标志确定峰，所述峰为剧烈变化一类中连续的上升和下降部分，连续的是指该部分的上升幅度和下降幅度对应的开始点位置之间不存在微弱变化的一类中的上升幅度或下降幅度对应的开始点；遍历所有峰，得到亮度数据或折射率数据的边界；结合亮度数据的边界和折射率数据的边界确定整个待测流场的所有边界，其中，每个峰的边界为该峰第一个上升幅度或下降幅度对应的开始点位置到下一个微弱部分的开始点位置。5.根据权利要求4所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述结合亮度数据的边界和折射率数据的边界确定整个待测流场的所有边界，包括：将亮度和折射率曲线的所有边界点全部作为待测流场的边界点。6.根据权利要求4所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述利用聚类分析从所有上升幅度和下降幅度中确定幅度变化属于剧烈变化的一类和微弱变化的一类，包括：从所有上升幅度和下降幅度的幅度值进行两两差值计算；差值计算的绝对值与预先设置的阈值进行比较，若差值计算的绝对值大于阈值，将两个幅度中幅度值较大的归入剧烈变化一类；从剧烈变化一类中确定最小幅度值，将所有上升幅度和下降幅度的幅度值中小于所述最小幅度值的幅度归入微弱变化一类。7.根据权利要求5所述的自动寻找流场边界的方法，其特征在于，所述阈值为最大幅度和最小幅度的差值的一半。8.一种自动寻找流场边界的系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；遍历模块，用于遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。

技术总结
本发明公开了一种自动寻找流场边界的方法及系统，包括：获取待测流场的莫尔条纹，根据待测流场的莫尔条纹重建出流场在某个横截面上的折射率和亮度分布曲线；遍历所述横截面上的折射率和亮度分布曲线所有的峰得到整个待测流场的所有边界。优点：通过本发明可以自动准确地寻找到不同流场成分之间的边界；自动进行，计算速度极快，适合结构复杂的流场区域划分。分。分。


技术研发人员：程伟昊 陈云云 陈雅宜
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23