WO2005095994A1

WO2005095994A1 - 流体計測システム及び流体計測方法

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Publication number: WO2005095994A1
Application number: PCT/JP2005/006384
Authority: WO
Inventors: Michitsugu Mori; Hideaki Tezuka
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2005-10-13
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Abstract

　遠方の被測定流体の流動を検知でき、ＰＩＶシステムの実用レベルでの新たな用途を提供する。　本発明の流体計測システムは、ＣＣＤカメラ２に長焦点光学系３を備えると共に、撮像した２時刻の粒子画像を比較して解析する画像処理手段４３を備えている。また、画像の輝度信号から所定以上の高周波成分を残すためのハイパスフィルタを備え、被測定流体中に生じている乱流構造を抽出し、かかる乱流構造を捉えて撮像する構成である。このため、接近困難な被測定流体の流れ場を解析することができる。

Description

明細書

流体計測システム及び流体計測方法

技術分野

[0001] 本発明は、遠方の被測定流体の流れ場を解析する長距離型の流体計測システム及び流体計測方法に関する。

背景技術

[0002] 例えば、発電施設などの煙突力排出される煙を遠方から観測するシステムとして、特許文献 1、特許文献 2に開示された技術が知られている。これらは、 ITVカメラやカラーカメラを複数台用い、各カメラ間の視差や色差を利用して煙突力排出される煙の有無を検知する。

特許文献 1：特開昭 63 - 88428号公報

特許文献 2：特開平 10— 232198号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 発電所等の煙突から排出される煙、水蒸気、火山灰、黄砂などについては、発電所等の運転管理や周辺環境への影響予測等のため、煙等の流れの速度や方向などの流動を検知することが望まれる。しかるに、特許文献 1及び 2に開示された技術では、煙等の有無を検知できるのみである。

[0004] 一方、近年、複雑な流れ場の流動を、粒子画像の処理により高精度かつ精密に測定する画像相関法及び粒子追跡法 (PTV)などの粒子画像流速測定法 (以下、「PI V」という）が知られている。例えば、被測定流体の流れ場にレーザ光をシート状に投入してレーザーシートを形成して、レーザーシート上の 2時刻の粒子画像を撮像し、その輝度パターン分布を比較して流体の流速や方向を測定する。し力しながら、 PIV は、水'オイルなどの液体の流れ場解析、燃焼の流れ場解析、自動車等の移動物体周囲における風洞実験による流れ場解析など、主として、閉空間における流体の流れ場解析に用いられているに過ぎない。すなわち、従来の PIVは、被測定流体までの距離が 1メートル程度と!/、つた近距離の、わゆる実験室用として開発されて、るに過ぎず、実用レベルでの利用が望まれている。

[0005] 本発明は上記に鑑みなされたものであり、煙突の排煙、水蒸気、火山灰、黄砂などの遠方の被測定流体の流動を検知でき、 PIVの実用レベルでの新たな用途を提供可能な流体計測システム及び流体計測方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

[0006] 上記課題を解決するに当たって、本発明者らは、まず、長焦点光学系を利用することに着目した。その一方、被測定流体までの距離が長いと、撮像手段の 1画素中に複数個の粒子画像が含まれる場合があるが、この場合には、各粒子画像の移動量を求めることはできない。そこで、本発明者は、かかる場合に、被測定流体の乱流構造 (渦、ないしは渦に類似した流れ構造力もなるクラスタ）を抽出することに着目し、本発明を完成するに至った。

[0007] すなわち、請求項 1記載の発明では、被測定流体に含まれる粒子の画像を微小時間間隔で撮像する撮像手段と、前記撮像手段で取得した連続する複数時刻の輝度パターン分布を比較して、粒子群の移動方向及び移動量を計測し、被測定流体の流れ場を解析する画像処理手段とを備えた流体計測システムであって、

前記撮像手段が長焦点光学系を備え、長距離離間した被測定流体を撮像可能な長距離型であると共に、

前記撮像手段により得られた粒子画像から、被測定流体の乱流構造を抽出する乱流構造抽出手段を備え、前記画像処理手段により、抽出された乱流構造の移動方向及び移動量を計測し、被測定流体の流れ場を解析する構成であることを特徴とする流体計測システムを提供する。

請求項 2記載の発明では、前記乱流構造抽出手段が、前記撮像手段により撮像された画像を輝度の空間周波数成分へ変換する空間周波数成分変換手段と、変換された周波数成分力所定以上の高周波成分を残すノヽィパスフィルタと、ノ、ィパスフィルタによりフィルタリング処理した後の周波数成分を画像へ変換する画像変換手段とを備えていることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システムを提供する。

請求項 3記載の発明では、前記乱流構造抽出手段は、さらに、前記撮像手段により撮像された画像信号に窓関数をかける手段を有することを特徴とする請求項 2記載の流体計測システムを提供する。

請求項 4記載の発明では、前記窓関数として、ブラックマン窓を用いることを特徴とする請求項 3記載の流体計測システムを提供する。

請求項 5記載の発明では、前記撮像手段により得られた連続する複数時刻の輝度パターン分布から、連続する複数時刻の輝度パターン分布の差分を差分輝度パターン分布として求める差分算出手段を有し、

前記画像処理手段では、差分算出手段により得られる連続する複数時刻の差分輝度パターン分布を用いて被測定流体の流れ場を解析するものであることを特徴とする請求項 1〜4の、ずれか 1に記載の流体計測システムを提供する。

請求項 6記載の発明では、前記撮像手段が、長距離離間した被測定流体中の自然光反射による輝度パターン分布を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システムを提供する。

請求項 7記載の発明では、レーザ光を被測定流体中にシート状に投入させるレーザ光投入手段をさらに備えると共に、

前記撮像手段が、長距離離間した被測定流体中のレーザ光反射による輝度バターン分布を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システムを提供する。

請求項 8記載の発明では、前記撮像手段の設置位置から 10m以上 20km以下離間した被測定流体を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 1に記載の流体計測システムを提供する。

請求項 9記載の発明では、長距離離間した被測定流体に含まれる粒子の画像を、長焦点光学系を備えた撮像手段により微小時間間隔で撮像し、

前記撮像手段により取得した複数時刻の粒子画像の輝度パターン分布を比較して、粒子群の移動方向及び移動量を計測し、

前記粒子群の移動方向及び移動量から前記被測定流体の流れ場を解析する流体計測方法であって、

前記撮像手段により得られた粒子画像の 1画素中に含まれる粒子数が複数である場合に、被測定流体の乱流構造を抽出し、抽出された乱流構造の移動方向及び移動量を計測することにより、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする流体計測方法を提供する。

請求項 10記載の発明では、前記被測定流体の乱流構造を抽出する工程では、前記撮像手段により撮像された画像を輝度の空間周波数成分へ変換し、変換された周波数成分から所定以上の高周波成分を残すフィルタリング処理を行ヽ、フィルタリング処理した後の周波数成分を画像へ変換することを特徴とする請求項 9記載の流体計測方法を提供する。

請求項 11記載の発明では、前記被測定流体の乱流構造を抽出する工程では、さらに、前記撮像手段により撮像された画像信号に窓関数をカゝける工程を有することを特徴とする請求項 10記載の流体計測方法を提供する。

請求項 12記載の発明では、被測定流体の自然光反射による輝度パターン分布を撮像し、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜11のいずれか 1に記載の流体計測方法を提供する。

請求項 13記載の発明では、被測定流体中にレーザ光をシート状に投入させ、被測定流体のレーザ光反射による輝度パターン分布を撮像し、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜 12のヽずれか 1に記載の流体計測方法を提供する。

請求項 14記載の発明では、前記撮像手段の設置位置から 10m以上 20km以下離間した被測定流体を撮像し、該被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜 13の、ずれか 1に記載の流体計測方法を提供する。

請求項 15記載の発明では、被測定流体として、前記撮像手段の設置位置から 10 m以上 20km以下離間した煙、火山灰、水蒸気、黄砂、雲、花粉又は空気の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜 14のヽずれか 1に記載の流体計測方法を提供する。

発明の効果

本発明によれば、長焦点光学系と撮像した 2時刻の粒子画像を比較して解析する画像処理手段とを備えているため、接近困難な被測定流体の流れ場を解析することができ、 PIVシステムの実用レベルでの新たな用途を提供できた。また、画像の輝度信号力も所定以上の高周波成分を残すためのハイパスフィルタを備えた構成とした場合には、被測定流体中に生じている乱流構造を抽出することができ、力かる乱流構造を捉えて PIV手法を適用することにより、自然光下、より遠方の被測定流体を解析することが可能となる。

また、被測定流体の乱流構造を抽出する手段を備えることにより、撮像手段の 1画素中に複数個の粒子画像が含まれる場合に、抽出された乱流構造の移動方向及び移動量を計測することにより、被測定流体の流れ場を解析できる。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の一の実施形態に係る流体計測システムの概要を示す図である。

[図 2]図 2は、上記実施形態に係る流体計測システムのコンピュータの概略構成を示すブロック図である。

[図 3]図 3は、上記実施形態に係る流体計測システムを用いた流体計測方法の一態様を示す図である。

[図 4]図 4は、上記実施形態に係る流体計測システムを用いた流体計測方法の他の態様を示す図である。

[図 5]図 5は、ハイパスフィルタによるフィルタリングする際の空間周波数の求め方を説明するための図である。

[図 6]図 6 (a)は、 CCDカメラの 1画素中に、多数の粒子からの散乱光の輝度情報が記録される場合のシミュレーション用の原画像であり、図 6 (b)〜（d)は、流体計測システムにより撮影した場合をシミュレーションした画像である。

[図 7]図 7 (a)は、図 6 (a)と同様に多数の粒子力の輝度情報が CCDカメラの 1画素中に記録される平行光源の原画像であり、図 7 (b)〜（d)は流体計測システムにより撮影した場合をシミュレーションした画像である。

[図 8]図 8は、試験例 2の被測定流体である排煙の原画像を示す図である。

[図 9]図 9は、試験例 2においてノ、ィパスフィルタによりフィルタリングしたものを逆変換して示した乱流構造の画像である。

[図 10]図 10は、試験例 2で計測した被測定流体の流れ場の様子を示す図である。 [図 11]図 11は、試験例 2と同様の条件下における排煙のシミュレーション図である。

[図 12]図 12は、差分算出手段の一例を説明するための概念図である。

[図 13]図 13は、差分算出手段の他の例を説明するための概念図である。

[図 14]図 14は、差分算出手段のさらに他の例を説明するための概念図である。発明を実施するための最良の形態

[0010] 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳しく説明する。図 1は、本発明の一の実施形態に係る流体計測システム 1を示し、撮像手段としての、長焦点光学系 3を備えた CCDカメラ 2、コンピュータ 4等を備えて構成される。

CCDカメラ 2に、長焦点光学系 3が装着されるが、長焦点光学系 3としては、単焦点系のレンズ（以下、「単レンズ」という）を用いることが好ましい。この場合、ターレットを設け、複数種類の単レンズを選択可能な構成とすることがより好ましい。ターレットを用いることにより、単レンズの自動選択も可能となる。ズーム機能を有するレンズの場合、一般に像面湾曲が大きい点で欠点があるが、高屈折率のガラスで安定した像が得られるものであれば使用することができる。なお、本実施形態では、撮像手段として、 CCD撮像素子を備えたカメラ（CCDカメラ）を使用している力これに代え、 CM OS撮像素子を備えたカメラを用いることもできる。

[0011] また、長焦点光学系 3を構成する光学望遠鏡としては、ニュートン式、カセグレイン式等のいずれでも使用可能である。また、副鏡は、鏡筒内において副鏡支持具 (スパイダー）によって支持されている力粒子画像を拡大すると、十字型などのスパイダ一による光芒が写し出され、これが粒子画像と重なるなどして判別が困難となる。そこで、従来使用されている十字型などのスパイダーに代え、鏡筒内で、各面が主鏡の光軸に対して直交する向きとなるように配置した平行平板ガラスに副鏡を支持することが好ましい。平行平板ガラスであるため、光の反射が低減され、ノイズとなる光芒の写りを低減できる。なお、平行平板ガラスとしては、光学ガラスカゝら形成することが好ましい。

[0012] コンピュータ 4は、図 1及び図 2に示したように、 CCDカメラ 2に接続され、 CCDカメラ 2の駆動を制御する制御手段 41と、 CCDカメラ 2により撮影された画像信号を受信して所定の処理を行う画像取り込み手段 42及び画像処理手段 43とを備えてなる。制御手段 41は、 CCDカメラ 2の適切な焦点距離 fの算出等を行うコンピュータプロダラムとしての焦点距離調整手段 41aを備えてなるが、詳細については後述する。画像取り込み手段 42は、 CCDカメラ 2からのアナログ画像信号をデジタルィ匕するフレームグラバボードを備えてなる。画像処理手段 43は、フレームグラバボードから出力されるデジタル画像信号である画像フレームを PIV手法により解析処理する。なお、画像処理手段 43の前段に、像の歪み収差などを補正する回路を設けることもできる。

[0013] 画像処理手段 43では、 CCDカメラ 2により微小時間間隔をおいて撮像された連続する 2時刻の粒子画像を輝度パターンの分布とみなし、 2つの粒子画像を比較解析して粒子群の移動量を推定する。すなわち、粒子画像中のある 1点の値を輝度値とし、この輝度値が粒子画像中の所定領域に分布しているものを輝度パターンとして、相互相関法又は輝度差累積法により、力かる輝度パターンの類似度を求め、 2画像間の粒子群の画素上の移動量及び移動方向を求める。そして、粒子群の画素上移動量'移動方向と微小時間間隔 A tとにより、被測定流体の実際の流速、流れの方向を求め、流れ場を解析する。

[0014] ここで、画像処理手段 43により解析処理して粒子群の移動量等を求めるに当たつて、 2時刻の粒子画像中の所定の輝度パターンの粒子群が離れすぎていては、両者の相関を知ることが困難である。従って、粒子群の移動距離は縦又は横の全画素数に対して 0. 5〜10%程度 (例えば、縦 (又は横)の全画素数 1000画素の場合で、 5 〜： LOO画素）の領域に収まっていることが好ましい。その一方、本発明では、撮像手段である CCDカメラ 2から長距離離間した遠方の被測定流体の流れ場を解析することを目的としており、 CCDカメラ 2に長焦点光学系 3を装着している力粒子群の移動量が上記領域に収まる力否かは、長焦点光学系 3の焦点距離 fに依存すると共に、 2 時刻の撮像時間間隔 A t、及び被測定流体までの距離 Lにも依存する。

[0015] このため、上記制御手段 41の焦点距離調整手段 41aでは、画像処理手段 43により得られる 2時刻の粒子画像における粒子群の移動距離力上記範囲内に収まるようにするため、適切な焦点距離 fを求める演算を行う。具体的には、次の関係式（1)、 ( 2)より、上記範囲内に設定される 2時刻の粒子画像における粒子群の設定移動画素数と、力かる設定移動画素数に対応する焦点距離 fを求める。設定移動画素数 = (VX A t) /D- - - (l)

D= (f/L) X const (2)

但し、 Vは被測定流体の仮速度、 A tは連続する 2時刻の撮像時間間隔、 Dは 1画素当たりに映る像の大きさ、 Lは撮像手段の設置位置力被測定流体までの距離である。 constは、実験力も得られた定数であり、被測定流体の位置に実際にスケールを配置し、当該スケールの単位長さ（例えば、 1mm)が何画素に相当するかを測定して得た値である。但し、 Lが約 20m以上の場合には、 Lの値と一致する位置にスケールを配置する必要はなぐ約 20m以上の任意の位置にスケールを配置してその単位長さが何画素に相当するかを測定して求める。

[0016] (2)式より、 1画素当たりに映る像の大きさと Dと焦点距離 fとを線形比例の関係とみなし、上記範囲に収まる移動画素数に対応する適切な焦点距離 fを求めることができる。 1画素当たりに映る像の大きさ Dと焦点距離 fとを線形比例とみなせるのは、被測定流体までの距離 Lが遠いことによるものであり、このようにして焦点距離 fを調整することにより、短い処理時間で適切な長焦点光学系 3を選択できる。

[0017] なお、被測定流体までの距離 Lが短い場合には、 1画素当たりに映る像の大きさ D と焦点距離 fとの関係は非線形となるため、この場合には、両者の相関を示す非線形テーブルを設定しておくことで対処できる。但し、テレセントリック系の光学系を用いることにより、上記と同様に線形比例とみなして計算することもできる。

[0018] 上記した焦点距離調整手段 41aでは、被測定流体までの距離 Lを、所定の方法で計測して求めて、被測定流体の仮速度 Vを決定し、上記関係式により、該距離 Lと仮速度 Vに対応する焦点距離 fを有する長焦点光学系 3を選択している。すなわち、計算により適切な焦点距離 fを算出しているため、簡易かつ短い処理時間で求められるわけであるが、任意の長焦点光学系 3を CCDカメラ 2に仮装着し、当該長焦点光学系 3を用いて被測定流体の画像を 2時刻で測定して、画像処理手段 43により仮の流れ場を解析し、得られた粒子群の移動画素数が上記所定の範囲に収まっているか否かにより、適切な焦点距離 fを備えた長焦点光学系 3を選択する構成とすることもできる。

[0019] なお、被測定流体までの距離 Lの計測方法としては、煙突等の対象物に対し、レーザ距離計や測距儀などにより直接計測する方法や、 GPSから CCDカメラ 2の設置位置の位置情報 (経度'緯度)を得て、対象物の位置 (経度'緯度)との関係で算出することもできる。また、 CCDカメラ 2の設置位置と対象物の位置とを地図上で特定し、両者間の距離 Lを算出することもできる。

[0020] また、被測定流体までの距離によっては、レーザ光投入手段 5を用い、被測定流体にレーザ光をシート状に投入し、 CCDカメラ 2〖こより撮像することもできる。この場合には、図 2に示したように、コンピュータ 4の制御手段 41に、レーザ光投入手段 5によるレーザ光の発振と CCDカメラ 2の駆動との同期を図るタイミングコントロール手段 41 bを設ける。

[0021] ここで、焦点距離調整手段 41aにより、長焦点光学系 3を決定する方法について、図 3に基づき具体的に説明する。

まず、 CCDカメラ 2を所定の位置にセットする。次に、コンピュータ 4の入力手段を利用して CCDカメラ 2から被測定流体までの距離 Lを、上記のようにレーザ距離計を用いるなどして測定し入力する（Sl)。次に、被測定流体の流速 V (最大流速 Vmax) を入力する（S2)。この流速 Vは、上記のように適切な焦点距離 fを備えた長焦点光学系 3を選択するための仮の値であり、任意の値でよいが、画像処理手段 43により得られる 2画像間の移動距離を上記のように縦又は横の全画素数の 0. 5〜10%程度に収めるに当たり、より短い作業時間とするためには、被測定流体の最大流速 Vm axを入力することが好ましい。最大流速 Vmaxは、例えば、煙突等力も排出される煙の場合には、煙を送り出す送風機の仕様に基づく計算値力求められるものを用いることができる。煙突等から排出される煙の実際の最大流速は、煙突流路の圧損等により、この計算値より低ぐ通常、計算値以上になることはない。もちろん、送風機の仕様が特定できない場合や火山灰等を測定する場合には、経験値等を参照しておよその最大流速 Vmaxを入力する。

[0022] 被測定流体までの距離 L、仮の流速 V (最大流速 Vmax)を決定したならば、焦点距離調整手段において、それらに対応する焦点距離 fを上記関係式（1)、（2)を用いて算出する（S3)。この際、計算に用いる 2時刻の粒子画像の撮像時間間隔 A tは、得られる粒子群の移動画素数を上記範囲に収めるため、できるだけ短いことが好ましい。通常 lZ60s〜lZ30sの範囲で設定される。

[0023] このようにして焦点距離 fが決定したならば、対応する長焦点光学系 3を選択し (S4 )、単レンズの場合には、例えば、ターレットを回転させて CCDカメラ 2にセッティングし、あるいは、ズーム機構付きの場合には、ズーム調整し、レーザ光投入手段 5からレ一ザ光をシート状に投入し、連続した 2時刻の粒子画像を撮像する。なお、焦点距離調整手段 41aにより得られた焦点距離 fに対応させてフランジバックを調整して撮像することちでさる。

[0024] 撮像された各画像は、画像取り込み手段 42であるフレームグラバボードによりデジタル信号に変換され、画像処理手段 43により各粒子画像の輝度パターンの移動量、移動方向から、被測定流体の実際の流れ場の流速、流れの方向等が求められる（S 5)。

[0025] 上記説明では、被測定流体の最大流速 Vmaxをおよその値で手動入力した場合について説明しているが、図 4は、手動ではなく自動入力する場合の上記流体計測システムを用いた計測方法を説明するためのフローチャートである。

[0026] この図に示したように、被測定流体までの距離 Lを自動又は手動で入力する点は上記と同様であるが（S 10)、次工程で入力する最大流速 Vmaxは、適宜の流速を初期値として決定している。具体的には、 CCDカメラ 2にセッティング可能なものとして準備されている複数種類の長焦点光学系 3のうち、焦点距離 fのもっとも短いもの、例えば、焦点距離 50mmのもので測定可能な最大流速 Vmax (例えば、 30mZs)が自動的に入力される（Sl l)。

[0027] 被測定流体までの距離しと自動入力される最大流速 Vmaxを用いて上記関係式（1 )、（2)を満足する焦点距離 fを算出する（S12)。そして、算出された焦点距離 fに対応する長焦点光学系 3を選択し、 CCDカメラ 2にセッティングし (S13)、上記と同様に流れ場を計測する（S 14)。本態様においては、解析された結果力も最大流速 Vmax を算出し (S15)、さらに 2画像間の移動距離が検出限界以下、すなわち、移動画素数が 1画素未満が否かを判定する（S16)。通常、このような事態は生じないが、自動選択された最大流速 Vmaxが実際よりも大きすぎた場合には、 2画像が全く同じになつてしまい流れ場を解析できない（工程 S15における最大流速も求められない）ことから、念のため、力かる判定工程を設けておくことが好ましい。移動画素数が 1画素未満となった場合には、関係式（1)、（2)の計算に用いる新たな最大流速 Vmaxを、最大流速 Vmax (新） =最大流速 Vmax (旧） X p

(pは任意に規定した緩和係数、例えば p = 0. 5)

により算出し、改めて関係式（1)、（2)を満足する焦点距離 fを求め、再度上記工程 S 12〜S16を繰り返す。

[0028] 移動画素数が 1画素以上の場合には、 2画像間の移動距離 (移動画素数)が、撮像素子の縦又は横の全画素数に対して 0. 5〜10%程度 (例えば、縦 (又は横)の全画素数 1000画素の場合で、 5〜： LOO画素）か否かがチェックされる（S17)。かかる条件を満足しない場合には、工程 S15により求められた最大流速 Vmaxを用い、工程 S1 2に戻り、長焦点光学系 3を選択し直す。条件を満足する場合は、結果を出力し、計測が終了する。

[0029] ここで、 PIV手法により捉える粒子画像は、一つの粒子が CCD撮像素子の 2画素以上に跨っている必要があり、さらには 2〜5画素に跨って捉えられることが好ましいとされているが、遠方の被測定流体を長焦点光学系 3を介して撮像した場合、 1画素中に含まれる粒子数は多数となり、粒子一つ一つの挙動を 2時刻の画像により解析することは困難ないしは不可能である。そこで、本実施形態では、次のような乱流構造抽出手段を備えている。すなわち、この乱流構造抽出手段は、画像取り込み手段 42により取り込まれた画像について輝度の空間周波数を演算し、演算した空間周波数成分力も所定以上の高周波成分を残すためのノ、ィパスフィルタを備え、ハイノスフィルタを通した後の成分を再び画像へ変換する構成としてヽる。ノ、ィパスフィルタにより、得られた輝度の周波数成分をフィルタリングして所定以上の高周波成分のみを残すことにより、被測定流体のうちから、自然光により反射する粒子の一つ一つを捉えるのではなぐ被測定流体中に生じている乱流構造を抽出することができる。ここでいう乱流構造は、渦、ないしは渦に類似した流れ構造力もなるクラスタであり、このようにクラスタとして捉えることにより、各乱流構造力 SCCD撮像素子の 2画素以上に跨って捉えられ、 PIV手法を用いた解析が可能となる。すなわち、本実施形態では、 PIV手法において用いられる粒子画像とは、この乱流構造の画像ということになる。 [0030] 具体的には、撮像された画像の各画像信号をフーリエ変換するなどして空間周波数成分を求め、これをハイパスフィルタによりフィルタリングする。ハイパスフィルタによりフィルタリングする際の空間周波数 f'は、次式、

(St/D) Xl/3≤f'≤(St/D) Χ5···(3)

(但し、式中、「St」はストローハル数、「D」は乱流構造を発生する物体の代表長さである。 )

の範囲で決定することが好まし、。

ここで、空間周波数 f'は、図 5に示した例では、煙突力も排出される煙の渦のスケールである空間波長 Lの逆数である力空間波長 Lを直接求めることはできない。その一方、連続する 2つの渦の中心間距離 L'は次式により求めることができる。

L'=UXT---(4)

(但し、 Uは煙の主流速度、 Tは渦の放出周期である。 )

そこで、この L'を空間波長に置き換えると、空間周波数 f' =1ZL'となる。一方、ストローハル数 St= (1/T) X (DZU)より、

U=(l/T) X(D/St)---(5)

となる。

そして、（5)式を (4)式に代入すると、

V =DZSt、すなわち、 f， =1/L， =St/D- · · (6)

となる。

(6)式により求められる f'がフィルタリング時において用いられる空間周波数となる力有効な乱流構造を抽出するに当たっては、（6)式により求められる値のみに限定されず、（6)式により求められる f'の値の 1Z3倍以上 5倍以下の範囲で決定することができ、上記 (3)式が空間周波数 f'を決定する条件となる。

[0031] (3)式 (又は（6)式)）によれば、主流速度 Uや放出周期 Tを求めることなぐ乱流構造を発生する物体の代表長さ Dとストローハル数 Stのみで空間周波数 f'を容易に求めることができる。代表長さ Dは、例えば、煙突の直径であるため、容易にその値を知ることができると共に、ストローハル数 Stは、実験により、乱流構造を発生する物体の形状に応じてその値が既知となっている（例えば、井上、木谷「乱れと波の非線形現象」（朝倉書店 1993) 162頁参照)。

[0032] フィルタリング時の空間周波数 f'として、上記（3)式の範囲より小さな値を用いた場合には、原画像に近くなり乱流構造を識別できず、大きい値を用いた場合には、乱流構造自体も除去されてしまうため、好ましくない。

なお、乱流構造抽出手段は、撮像された画像の各画像信号をフーリエ変換する前の前処理として、ブラックマン窓をかける手段を有することが好ましい。これにより、参照領域のエッジ部分の値がゼロになって高周波成分が落ちるため、解析精度の低下を抑制できる。ブラックマン窓とは、異なる周期の余弦波を有する窓関数であり、サイドローブ'レベルが非常に小さ、のが特徴である（例えば、「画像解析ノヽンドブック：高木幹夫 ·下田陽久監修：東京大学出版」参照)。

[0033] A.遮蔽体の有効性確認シミュレーション試験

本発明者らは、長焦点光学系 3を構成する光学望遠鏡 3の主鏡に、その中央部を含む部分を任意の遮蔽率で遮蔽する遮蔽体を付設した構成とすると、トレーサー粒子を撮像する場合、一つの粒子画像の輪郭が際立った状態を維持して、すなわちピンぼけするのではなぐピントが合ったまま拡大されることを見出した力これが、 1画素中に複数の粒子を含む乱流構造を捉える場合にも当てはまるか否かにつき、次のようなシミュレーション試験により確認した。

[0034] (試験例 1)

•シミュレーション試験で算出に用、る流体計測システムの条件

(a)長焦点光学系

口径 140mm、焦点距離 2, OOOmm

(b) CCDカメラ

1画素当たりの大きさ：9 /z m

[0035] '計測シミュレーション

図 6 (a)は、 20m離れた距離から上記光学望遠鏡を使用して撮像される CCDカメラ 2の 1画素中に、多数の粒子からの散乱光の輝度情報が記録される場合のシミュレ一シヨン用の原画像であり、図 6 (b)〜（d)は、上記流体計測システム 1により、遮蔽体による遮蔽率（中央遮蔽率)を変化させて撮影した場合をシミュレーションした画像である。

図 7 (a)は、図 6 (a)と同様に多数の粒子力の輝度情報が CCDカメラ 2の 1画素中に記録される平行光源の原画像であり、図 7 (b)〜（d)は、上記流体計測システム 1 により、中央遮蔽率を変化させて撮影した場合をシミュレーションした画像である。なお、図 6 (b)及び図 7 (b)は、中央遮蔽体による中央遮蔽率 0%の場合を、図 6 (c)及び図 7 (c)は、中央遮蔽率 35%の場合を、図 6 (d)及び図 7 (d)は、中央遮蔽率 50% の場合をそれぞれ示す。また、図 7 (e)は口径 70mmの長焦点光学系を使用した場合であって、中央遮蔽率 0%の場合のシミュレーション画像である。

これらの図から明らかなように、 1画素中の粒子数が複数になる場合には、中央遮蔽率が高くなると画像が不鮮明になることがわ力つた。従って、被測定流体の乱流構造を抽出して測定する超長距離用に用いる本実施形態の流体計測システム 1においては、遮蔽体の遮蔽率は低いほど好ましい。好ましい遮蔽率は 0〜40%であり、より好ましくは 0〜20%であり、最も好ましくは 0%である。但し、図 7 (b)及び図 7 (e)を比較すると、長焦点光学系の口径が大きくなると画像が鮮明になっている。

[0036] B.実際の流れ場の解析試験

上記各流体計測システム 1について、長焦点光学系 3を介して被測定流体を撮像し、 PIV手法によりその流れ場を解析する試験を行った。

[0037] (試験例 2)

'流体計測システム 1の構成

(a)長焦点光学系 3

マクストフ'カセグレイン光学望遠鏡（ORION OPTICS社製、製品名「OMI-140」（口径 140mm、焦点距離 2, 000mm) )

なお、測定時は、レデューサーを用いて焦点距離 1, 260mmに調整した。また、主鏡前面には特別な遮蔽体を設けていないが、上記マクストフ'カセグレイン光学望遠鏡の固有の中央遮蔽率は 33%であった。

上記マクストフ'カセグレイン光学望遠鏡は CCDカメラ 2に装着して、 20m及び 50 m離れた位置から、方眼紙及びスケールの画像を撮影して比較したところ、像のゆがみがないことを確認した。 (b) CCDカメラ 2

製品名「MEGAPLUS ES1.0 (10-bit) J (Redlake社製（1画素当たりの大きさは 9 μ m)

)

(c)フレームグラバーボード

製品名「PIXCI- D2X」（EPIX社製）（フレームグラバーボードを介して、 CCDカメラ 2 により得られたデジタル画像信号がコンピュータ 4のハードディスクに記録される。 ) [0038] ，計測

被測定流体は、火力発電所の煙突尖端から排出される排煙とし、被測定流体から 7 . 8km離れた位置に流体計測システム 100を設置した。日光下、撮像時間間隔 A t = lZ30sで撮像した。得られた 2時刻の各画像信号をフーリエ変換して空間周波数成分を求め、これを上記したハイノスフィルタにより所定以上の高周波成分のみを残し、乱流構造を抽出した。本試験例の場合、フィルタリングする周波数 f'の決定に用いる上記式の代表長さ Dは、煙突尖端の吐出口の直径を 10mとし、ストローハル数 S tは、流れの解析における一般的な数値 (例えば、井上、木谷「乱れと波の非線形現象」（朝倉書店 1993) 162頁）から 0. 4としており、結果として、 f'は、 0. 04 (l/m) となっている。そして、この乱流構造の画像を画像処理手段 43において相互相関法により解析処理した。

[0039] 図 8は、本試験例の被測定流体である排煙の原画像を示す。図 9は、ハイパスフィルタによりフィルタリングしたものを逆変換して示した乱流構造の画像である。図 9から、ノ、ィパスフィルタによりフィルタリング処理されることにより、乱流構造が抽出されていることがわ力る。図 10は、図 9のようにして求めた 2時刻の画像を用いて、被測定流体の流れ場の様子をベクトルで示した図である。図 10に示したように、本試験例の手法により、十分な輝度で排煙の移動量、移動方向を捉えることができた。

[0040] 比較のため、上記により測定された排煙と同じ条件下で、数値解析コード rSTAR — CD (商品名）」を用いてシミュレーションを行った。そのシミュレーション結果力図 11である。図 10と図 11とを比較すると、上昇する排煙の形状、速度ベクトルがよく一致していた。また、図 10から得られた煙突力も排出される排煙の流量は火力発電所の運転流量とほぼ一致していた。従って、本試験例で用いた計測システムは、被測定流体までの距離が 7. 8kmといった超長距離における流れ場の測定に適していることがわ力ゝる。

[0041] ここで、本発明の長焦点光学系を用いて被測定流体の流れ場を解析するに当たつて、屋外で撮像する場合の特徴として、 CCDカメラ 2によって撮像された画像中に、不要な背景（山、ビルなど）が写り込んでしまう。そこで、この場合には、画像処理手段により処理する前の前処理手段として、差分算出手段を設定しておくことが好ましい。

[0042] 差分算出手段は、例えば、 A tlの時間間隔で連続する 2時刻の画像を一組撮像し、 A t2時間をおいて、再び A tlの時間間隔で連続する 2時刻の画像を一組撮像するということを繰り返し、 A tlの時間間隔の 2時刻の画像を複数組撮像する。そして、図 12に示したように、各組における連続する 2時刻の画像間の差分をとる。その結果、同じ画素上の同じ画像信号はキャンセルされる。すなわち、 2つの画像に写っている動かない背景の画像信号はキャンセルされ、結果として、移動した乱流構造の画像のみが残る。このようにして差分算出手段で得られた画像を差分輝度パターン分布とし、 A t2時間をおいた 2つの差分輝度パターン分布画像を得て、これを画像処理手段 43により処理する。これにより、画像処理する際に背景の画像信号が邪魔にならず、被測定流体の流れ場解析の精度を向上させる。

[0043] 差分算出手段としては、上記のほか、図 13に示したように、 A tl時間間隔で連続する 3時刻の画像を複数組撮像し、各組において中心差分を求め、その中心差分により得られた差分輝度パターン分布画像を用いる手段であってもよい。また、図 14に示したように、 A tl時間間隔で連続する複数時刻の画像を次々に撮像していき、連続する 2時刻の画像同士で次々に差分輝度パターン分布画像を得ていく手段を採用することちでさる。

[0044] また、長距離離間した遠方の被測定流体を撮像する場合、 CCDカメラ 2のピントが合っていたとしても被写界深度が深い。このため、 lm程度の近距離の被測定流体を撮像した場合と比較して、乱流構造の速度ベクトルを 2次元座標上に再現する際の精度が劣る。そこで、より正確な 2次元の速度ベクトルを得るために、 CCDカメラ 2を 3 台準備し、 3方向から同じ被測定流体を撮像する手段を用いることが好ましい。例えば、中央の CCDカメラと被測定流体とを結ぶ線に対して、左右に所定の角度 α 1、 α 2離れた位置に他の 2台の CCDカメラを設置する。画像処理手段 43では、まず、それぞれのカメラ力も得られた画像を処理し、速度ベクトルを求める。次に、各角度 α 1、 α 2と、左右の各 CCDカメラ力被測定流体までの距離を用いて、左右の各 C CDカメラで得られた画像を処理して得られた速度ベクトルを、中央の CCDカメラの位置で撮像した場合に得られる速度ベクトルに座標変換する。そして、この座標変換された左右の各画像の速度ベクトルを、中央の CCDカメラで撮像された画像の速度ベクトルと対比し、重複した乱流構造の速度ベクトルのみを抽出する。これにより、被写界深度が深い場合でもより正確な 2次元の速度ベクトルを得ることができる。

産業上の利用可能性

以上のことから、本発明では、長焦点光学系を用いて撮像し、得られた画像を PIV 手法を用いて処理することにより、接近困難な遠方の被測定流体の流れ場を解析することができる。従って、例えば、煙突の煙の流れ場を解析することによる発電所の運転管理、原子力発電所や地熱発電所のクーリングタワーからの蒸気の流れ場を解析することによる運転管理、火山灰や黄砂の流れ場を解析することによる環境への影響評価などに利用することができる。また、大規模火災現場力も発生した煙の流れ場を解析して、その対策や避難誘導等に資することができる。また、遠方の被測定流体にレーザ光を投入可能とすることにより、空気流の解析も可能である。このほか、雲 (雲底部）の流れ場を解析することにより、地域的な天気予報に利用することもできるし、送電線や送電鉄塔周りの風の解析や花粉の流れの測定に利用することもできる。また、火山の噴火や大規模火災などにおいては、本発明の流体計測システムを車両に搭載し、移動しながら流れ場を解析していくこともでき、災害の発生状況のリアルタイムでの把握や有効な災害対策にも役立つ。なお、長焦点光学系から被測定流体までの距離は、長焦点光学系や使用する撮像素子の精度によっても異なり、特に限定されるものではないが、入手可能な長焦点光学系等の性能を考慮すると、 10m以上 20km以下で用いることが実用的には好ましい。特に、本発明は、乱流構造を抽出し、乱流構造の速度ベクトルを求めるものであるため、中でも、 1km以上 20km以下の超長距離用として適している。

Claims

請求の範囲

[1] 被測定流体に含まれる粒子の画像を微小時間間隔で撮像する撮像手段と、前記撮像手段で取得した連続する複数時刻の輝度パターン分布を比較して、粒子群の移動方向及び移動量を計測し、被測定流体の流れ場を解析する画像処理手段とを備えた流体計測システムであって、

前記撮像手段により得られた粒子画像から、被測定流体の乱流構造を抽出する乱流構造抽出手段を備え、前記画像処理手段により、抽出された乱流構造の移動方向及び移動量を計測し、被測定流体の流れ場を解析する構成であることを特徴とする流体計測システム。

[2] 前記乱流構造抽出手段が、前記撮像手段により撮像された画像を輝度の空間周波数成分へ変換する空間周波数成分変換手段と、変換された周波数成分力所定以上の高周波成分を残すノヽィパスフィルタと、ハイパスフィルタによりフィルタリング処理した後の周波数成分を画像へ変換する画像変換手段とを備えていることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システム。

[3] 前記乱流構造抽出手段は、さらに、前記撮像手段により撮像された画像信号に窓関数をかける手段を有することを特徴とする請求項 2記載の流体計測システム。

[4] 前記窓関数は、ブラックマン窓を用いることを特徴とする請求項 3記載の流体計測システム。

[5] 前記撮像手段により得られた連続する複数時刻の輝度パターン分布から、連続する複数時刻の輝度パターン分布の差分を差分輝度パターン分布として求める差分算出手段を有し、

前記画像処理手段では、差分算出手段により得られる連続する複数時刻の差分輝度パターン分布を用いて被測定流体の流れ場を解析するものであることを特徴とする請求項 1〜4の、ずれか 1に記載の流体計測システム。

[6] 前記撮像手段が、長距離離間した被測定流体中の自然光反射による輝度パターン分布を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システム。

[7] レーザ光を被測定流体中にシート状に投入させるレーザ光投入手段をさらに備えると共に、

前記撮像手段が、長距離離間した被測定流体中のレーザ光反射による輝度バターン分布を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1記載の流体計測システム。

[8] 前記撮像手段の設置位置から 10m以上 20km以下離間した被測定流体を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 1に記載の流体計測システム。

[9] 長距離離間した被測定流体に含まれる粒子の画像を、長焦点光学系を備えた撮像手段により微小時間間隔で撮像し、

前記撮像手段により得られた粒子画像の 1画素中に含まれる粒子数が複数である場合に、被測定流体の乱流構造を抽出し、抽出された乱流構造の移動方向及び移動量を計測することにより、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする流体計測方法。

[10] 前記被測定流体の乱流構造を抽出する工程では、前記撮像手段により撮像された画像を輝度の空間周波数成分へ変換し、変換された周波数成分カゝら所定以上の高周波成分を残すフィルタリング処理を行ヽ、フィルタリング処理した後の周波数成分を画像へ変換することを特徴とする請求項 9記載の流体計測方法。

[11] 前記被測定流体の乱流構造を抽出する工程では、さらに、前記撮像手段により撮像された画像信号に窓関数をかける工程を有することを特徴とする請求項 10記載の流体計測方法。

[12] 被測定流体の自然光反射による輝度パターン分布を撮像し、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜11のヽずれか 1に記載の流体計測方法。

[13] 被測定流体中にレーザ光をシート状に投入させ、被測定流体のレーザ光反射による輝度パターン分布を撮像し、被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜 12の、ずれか 1に記載の流体計測方法。

[14] 前記撮像手段の設置位置から 10m以上 20km以下離間した被測定流体を撮像し、該被測定流体の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜13のいずれか 1に記載の流体計測方法。

[15] 被測定流体として、前記撮像手段の設置位置力も 10m以上 20km以下離間した煙、火山灰、水蒸気、黄砂、雲、花粉又は空気の流れ場を解析することを特徴とする請求項 9〜14の!、ずれか 1に記載の流体計測方法。