(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振させるレーザ発振装置と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシート状に投入させるレーザシート形成用走査光学系と、この走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を撮像する画像撮像手段と、前記レーザ発振装置と画像撮像手段をタイミングをとって同期化駆動させるタイミングコントロール手段と、前記画像撮像手段で撮像された２時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを比較・解析し、個々の粒子の移動方向および移動量を計測する画像処理手段を備え、この画像処理手段による個々の粒子の移動量から流体の流動・流速分布を計測するように構成し、
前記画像撮像手段は、走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画像伝送手段と、光伝送された２次元粒子軌跡画像として撮像する撮像手段とを備え、
さらに、前記画像伝送手段は、多数本の光ファイバを束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可撓性のイメージガイドで構成され、
前記イメージガイドは、対物レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像を光ファイバで各画素に分解して撮像手段側の他端面まで同一画像を伝送するように構成され、
前記レーザ発振装置の発光時間を調整し前記２時刻の粒子軌跡画像における粒子軌跡を前記イメージガイドの単繊維径よりも大きくすることを特徴とする流体の流動計測システム。
【請求項２】
前記走査光学系と画像撮像手段は、一体的に組み合わせて構成され、流体の流動場で１次元あるいは２次元移動可能に構成された請求項１に記載の流体の流動計測システム。
【請求項３】
前記走査光学系は、直交するレーザシートを流体の流動場内に形成し、この直交するレーザシート上の２次元粒子画像を光伝送する画像伝送手段をそれぞれ設けた請求項２に記載の流体の流動計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動計測技術に係り、特に閉空間内を流動する流体の流速および流れ方向を計測する流体の流動計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定することは、原子力発電プラントや火力発電プラント、化学プラント等におけるプラント挙動予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価や機器改良にとって極めて重要である。実機レベルのプラント、特に外界と環境を異にする厳しい環境下での流体の流動計測技術は、複雑な流れをもつ流体流動計測条件のために、流動計測が極めて困難な状況にある。
【０００３】
中でも、原子炉圧力容器や火力発電プラントの熱交換器内のように、厳しい環境下にある熱流動場における流体の流速や流れ方向等の流体流動測定は、アクセス性を含め複雑な流体流量計測条件のために極めて困難である。
【０００４】
しかしながら、近年熱流動場における可視化技術の研究が進み、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以下、ＰＩＶという。）が開発されつつある。このＰＩＶと光ファイバを束ねたイメージガイドを併用することにより、原子炉圧力容器内のように、外界と環境を異にする閉空間における流体の流動測定が期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、イメージガイドを通してＣＣＤカメラによって撮像された粒子画像には、粒子の輝度パターンだけでなく、イメージガイドの光ファイバの配列（俵積みの構造）の輝度パターンも存在する。光ファイバの配列輝度パターンが相互相関法による解析の際に弊害となり、粒子の輝度パターンに対して誤対応（過誤ベクトル）を招く。
【０００６】
また、最小の空間分解能を与える光ファイバの単繊維一本よりも粒子像径を大きくすると、参照窓画像内に最低でも粒子は６〜８個あることが望ましいとされるため、参照窓画像を大きく取らなくてはならなくなり、計算量が莫大に増加してアルゴリズムとしては現実的ではないものとなる（探索する領域が増えるとその４乗に比例して計算量は増加する）。
【０００７】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、イメージガイドを利用した粒子軌跡追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｔｒｅａｋ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）により画像処理を行って流体の流動状態を検出するアルゴリズムの最適化を行い、流体の流動分布を精度よく正確に行うことができる流体の流動計測システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流体の流動計測システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、レーザ光を発振させるレーザ発振装置と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシート状に投入させるレーザシート形成用走査光学系と、この走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を撮像する画像撮像手段と、前記レーザ発振装置と画像撮像手段をタイミングをとって同期化駆動させるタイミングコントロール手段と、前記画像撮像手段で撮像された２時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを比較・解析し、個々の粒子の移動方向および移動量を計測する画像処理手段を備え、この画像処理手段による個々の粒子の移動量から流体の流動・流速分布を計測するように構成し、前記画像撮像手段は、走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画像伝送手段と、光伝送された２次元粒子軌跡画像を撮像する撮像手段とを備えたものであり、さらに、前記画像伝送手段は、多数本の光ファイバを束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可撓性のイメージガイドで構成され、前記イメージガイドは、対物レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像を光ファイバで各画素に分解して撮像手段側の他端面まで同一画像を伝送するように構成し、前記レーザ発振装置の発光時間を調整して粒子軌跡を前記イメージガイドの単繊維径よりも大きくしたものである。
【０００９】
また、上述した課題を解決するために、本発明の流体の流動計測システムにおいては、請求項２に記載したように、前記走査光学系と画像撮像手段は、一体的に組み合わせて構成され、流体の流動場で１次元あるいは２次元移動可能に構成されたものである。
【００１０】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明の流体の流動計測システムにおいては、請求項３に記載したように、前記走査光学系は、直交するレーザシートを流体の流動場に形成し、この直交するレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を光伝送する画像伝送手段をそれぞれ設けたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る流体の流動計測システムの一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る流体の流動計測システムの構成を示す原理図である。
【００１３】
本発明の流体の流動計測システム１０には、高出力のレーザ光を発振させるレーザ発振装置１１が光源として備えられる。レーザ発振装置１１には小型で高出力レーザ光を発振する半導体レーザやパルスレーザ等が用いられる。例えば、出力１６Ｗの連続光で中心発振波長８０８ｎｍの半導体レーザが光源として用いられる。
【００１４】
レーザ発振装置１１から発振されたレーザ光は、送光用ファイバ１２を通ってレーザシート形成用走査光学系１３に案内される。走査光学系１３はレーザ発振装置１１から発振されたレーザ光を流体の流動場１４にシート状に投射させるようになっている。
【００１５】
流体の流動場１４は、外界と環境を異にする閉空間内に形成される。また、場合に応じて、外界に開放された形態で流体の流動場１４が形成されていてもよい。流動場１４は、気体、液体のうちの少なくともいずれかの流体からなる。具体的には、例えば、原子炉圧力容器のダウンカマ部、炉心シュラウド、火力発電プラントの熱交換器や蒸気発生器内等の閉空間における流体の速度場を対象とする。また、船舶、航空機あるいは自動車等のような、水流や気流と接触する構造部位や機材まわりにおける流体の流動場も対象とすることができる。なお、図１に示す原理図では、流体の流動場１４として水の流動場の実験例を示している。容器１５あるいは配管内にノズル１６より水を噴出させて流体としての水の流動場１４を形成している。
【００１６】
走査光学系１３は、流体の流動場１４にレーザ発振装置１１からの発振レーザ光をシート状に照射して流体流動場１４にレーザシート１７を形成している。このレーザシート１７により流体の流動場１４を可視化している。流動計測システム１０では、流体流動場１４の奥行き方向の空間分解能を確保するために、発振レーザ光をシート状に照射している。
【００１７】
走査光学系１３は、図２に示すようにレーザシート１７の作成のためのレーザ光照射光学系である。レーザ発振装置１１として例えば半導体レーザを用いると、半導体レーザからの発振レーザ光は、送光用ファイバ１２から大きな広がり角を持って出射される。出射されたレーザビームは軸対称の光となっておらず、非点較差があり、レーザビームの形状変換は複雑となる。
【００１８】
このため、走査光学系１３には、送光用ファイバ１２から出射されたレーザビームからレーザシート１７を形成するためのレーザシート形成用光学手段としてのレンズ群１８が用いられる。このレンズ群１８は、出射レーザビームを並行レーザビームにコリメートさせる２枚のコリメートレンズ１９ａ、１９ｂと、コリメートレンズ１９ａ、１９ｂによって並行光となったレーザビームをレーザシート１７の厚み方向で約１〜２ｍｍ程度にウエストさせる長焦点レンズ２０と、レーザシート１７を形成するシリンドリカルレンズ２１とを組み合わせてレーザシート形成用光学手段が構成される。コリメートレンズ１９ａ、１９ｂには、例えば、平凸レンズが用いられる。
【００１９】
走査光学系１３からシート状に照射されるレーザ光により、流体の流動場１４にレーザシート１７が形成され、流体の流動場１４がシート状に可視化される。そして、レーザシート１７の測定範囲１７ａに対向して画像伝送手段２２が設けられる。図１に示したように、画像伝送手段２２に近い容器１５壁には、レーザシート１７上の画像が画像撮像手段２９で撮像可能となるように、透過用窓ガラス２３が設置されている。
【００２０】
画像撮像手段２９は、レーザシート１７上の画像を伝送する画像伝送手段２２と、２次元粒子軌跡画像を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ２４とを有する。画像伝送手段２２はレーザシート１７上の２次元粒子軌跡画像を撮像手段としてのＣＣＤカメラ２４に伝送させるようになっている。画像伝送手段２２は、図３に示すように、数千本から数万本の光ファイバ２５を束ねて一体化（溶融）させた可撓性のイメージガイド２６が用いられる。イメージガイド２６は、図３に示すように、束ねられた光ファイバ２５の両端面の各位置が正確に対応するように並設されて束ねられる。イメージガイド２６の両端面は平面に仕上げられ、対物レンズ２７により一方のファイバ端面に結像された画像を各画素ファイバとしての光ファイバ２５に分解し、同一画像をＣＣＤカメラ２４側のファイバ端面まで伝送している。ファイバ端面からカメラレンズ２８を経てＣＣＤカメラに記録される。画像撮像手段２９はイメージガイドを備えずに、レーザシート１７上の２次元粒子軌跡画像を直接撮像できるようにしてもよい。
【００２１】
イメージガイド２４の画像の限界（解像度）は、単一の光ファイバ２５の直径と配列の仕方によって決まり、像の見え方は、イメージガイド２６に束ねられる光ファイバ２５の総本数と並べ方によって決まる。光ファイバ２５のコア径より小さな光量の光分布は、光ファイバ２５を伝わる間に平均化され、各コア断面内では明るさは一様となる。したがって、イメージガイド２６は光ファイバ２５のコア径が画素（ピクセル）としての空間分解能の最小単位となる。
【００２２】
実際のイメージガイド２６は、多数本の光ファイバ２５が俵積み（六方稠密配列）構造で整然とかつ稠密に配列されている。このイメージガイド２６で光ファイバ間隔とほぼ等しい間隔の格子状物体を観察すると、物体の像の強度分布と無関係なモアレ干渉縞が生じる。
【００２３】
また、光ファイバ２５間にクラッド部分が融着されているイメージガイド２６では、クラッドの厚さが薄くなると、１つの光ファイバ２５のコアに入った光が隣のコアに漏れてしまう場合が生じる。このため、像の境界が滲み、像のコントラストが低下する。このため、イメージガイド２６は、六方稠密配列構造を採用したとき、クラッドの厚さが薄過ぎないことが条件となる。
【００２４】
一方、流体の流動計測システム１０には、タイミングコントロール手段３０が備えられている。タイミングコントロール手段３０はタイミングスケジューラ３１とシンクロナイザ３２とから構成される。タイミングスケジューラ３１からのタイミングでレーザ発振装置１１が発振せしめられる一方、この発振タイミングとシンクロナイザ３２で同期をとってＣＣＤカメラ２４が駆動せしめられる。すなわち、タイミングコントロール手段３０は、レーザ発振装置１１と操作手段としてのＣＣＤカメラ２２との同期をとって駆動させるようになっている。
【００２５】
ＣＣＤカメラには、例えば、近赤外線領域に感度を持つ解像度ＶＧＡ（６４０×４８０ｐｉｘｅｌｓ）、フレームレート３０Ｈｚ、８ビット（モノクロ２５６階調）のものが用いられる。ＣＣＤカメラ２４は、レーザシート１７上の２次元粒子軌跡画像をレーザ発振装置１１からの発振タイミングと同期をとって撮像しており、ＣＣＤカメラ２４で撮像されたアナログの画像信号は画像処理手段３５に送られて画像処理され、後述する粒子軌跡追跡法により流体の流動場１４における流体の流速分布や流れ方向が計測される。ＣＣＤカメラ２４には、例えば、逐次読出方式（プログレッシブスキャン）のカメラが用いられ、配列されたＣＣＤの奇数ライン、偶数ラインの電荷蓄積時間は同時に行われる。このＣＣＤカメラ２４は通常のカメラに較べ垂直方向の解像度に優れている。
【００２６】
また、画像処理手段３５は、ＣＣＤカメラ２４からのアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器としてのフレームグラバボード３６と、このフレームグラバボード３６からデジタル画像信号がＰＣＩバス等の信号線３７を介して送られ、デジタル画像処理するコンピュータ３８とを有する。
【００２７】
この流体の流動計測システム１０は、ＣＣＤカメラ２４にてアナログ撮影し、画像処理手段３５によりデジタル処理し、デジタル録画するアナログ撮影・デジタル録画方式を採用している。
【００２８】
図１に示す流体の流動計測システム１０は実験室対応の例を示した。実用化に際しては、図４および図５に示すように、レーザシート用走査光学系１３と画像撮像手段２９は一体化される。図４では、走査光学系１３と一体化した画像撮像手段２９の画像伝送手段２２は側方視可能な可視化用プローブ４０として構成されている。プローブ４０先端に設置された光学窓（透過用窓ガラス）４１から４５°直角プリズム４３により光路を曲げ画像伝送手段を構成したファイバースコープ４４にて画像伝送される。図４（Ａ）は、この一体化した流体の流動計測システムを図１の容器１５内における流体としての水の流動場に用いた例を示す。図５では、一体化した走査光学系１３と画像撮像手段２９の画像伝送手段２２とを本体ケーシング４５に格納している。
【００２９】
次に、流体の流動計測方法を説明する。
【００３０】
図１に示された流体の流動計測システム１０では、照明に用いる半導体レーザの発光時間を比較的長くとり、ＣＣＤカメラ２４に粒子の流跡（軌跡）を撮像する。そして、この撮像された時間的に微小時間異なる２時刻の粒子軌跡画像を輝度パターンとみなして画像処理手段３５のコンピュータ３８により比較・解析の画像処理を行い、個々の粒子の移動量を推定する。この流体の流動計測装置１０においては、この手法を粒子軌跡追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｔｒｅａｋ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）と呼ぶ。この粒子軌跡追跡法は、粒子の流跡を記録することにより、必要以上に粒子像径を大きくすることなく、かつ最小の空間分解能となる光ファイバ単繊維に対して十分な粒子像の情報を与えることができる。
【００３１】
粒子軌跡画像は、レーザシート１７上の水（流体）中に浮遊し、拡散分布する個々の粒子（浮遊物等の異物）のある時刻での流跡の画像を表しており、デジタル化された輝度を持つピクセル（画素）によって構成される。画像処理手段３５による画像処理の過程では、各粒子軌跡画像のうち限定された矩形領域１７ａ（図１参照）を取り出して画像処理される。デジタル化された粒子軌跡画像中のある１点の値を「輝度値」と定義し、この輝度値が矩形領域１７ａの領域に分布しているものを「輝度パターン」と称する。
【００３２】
粒子軌跡画像から水（流体）中の個々の粒子の移動量を推定するアルゴリズムは、得られた粒子軌跡画像を輝度分布の変化であると判断し、レーザシート１７上の粒子の輝度パターンがある時間内に移動する量を個々の粒子について定量的に解析するものである。この粒子の移動量の解析には相互相関法を用いる。
【００３３】
そこで、本発明に係る流体の流動計測システム１０においては、粒子軌跡追跡法による流体の流動測定の最適化を図るために、相互相関計算の妨げとなる光ファイバ２５の背景処理を行う。
【００３４】
特願２０００−２０７４７６号公報に係る流体の流動計測システムおよびその計測方法では、粒子画像流速計測（ＰＩＶ）法を適用したものであり、このＰＩＶ法では、凍結画像が用いられる。通常のＰＩＶ法では、粒子像径がイメージガイド２６の光ファイバ２５単繊維一本より小さいと、もはや失われた粒子の情報は回復できるものではないので、算出される相関係数は俵積みの輝度パターンに強く影響を受け、速度検出に非常に大きな弊害となり、誤対応を招く。
【００３５】
凍結画像を用いるＰＩＶ法では、要求されるパラメータ（粒子像径、数密度）は非常に制限を受ける。そこで、本発明で用いられる粒子軌跡追跡法では、照明に用いる半導体レーザの発光時間を比較的長くとり、粒子の流跡を記録、粒子群ではなく個々に粒子の移動量を見積もるアルゴリズムを構築し、ソフトウェアに実装した。個々の粒子の流跡を記録することにより、必要以上に粒子像径を大きくとることなく、かつ最小の空間分解能となる光ファイバ２５の単繊維に対して十分な粒子像の情報を与えることができる。この粒子軌跡追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｔｒｅａｋ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）の手法は、レーザの発光時間を容易に制御することができる半導体レーザを用いることによって可能となる。
【００３６】
本発明で用いる粒子軌跡追跡法では、この背景処理も含めて、主に以下の６段階の手順を経て粒子の移動量の算出が行われる。
【００３７】
（１）ノイズの除去（背景処理）
イメージガイド２６を通してＣＣＤカメラ２４で撮像された粒子軌跡画像を処理し、時系列に得られた粒子軌跡画像を各ピクセル毎に輝度値の加算平均値を求め、各々の粒子軌跡画像の輝度値から加算平均値を引くことで、光ファイバ２５のファイバ配列の輝度パターン除去を行う。
【００３８】
光ファイバ配列の輝度パターン除去の画像処理アルゴリズムを以下に説明する。
【００３９】
測定データの粒子軌跡画像をｘとするとき、粒子軌跡画像ｘは、
【数１】
ｘ＝ｓ＋ｎ                    ……（１）
但し、ｓは信号成分（光ファイバ配列の輝度パターン）
ｎは雑音成分（粒子群の輝度パターン）
で表される。
【００４０】
すなわち、測定データの粒子軌跡画像ｘには、信号（光ファイバ配列の輝度パターン）に雑音（粒子の輝度パターン）が重なった画像を測定していると考える。加算平均を取ることによる光ファイバ配列の輝度パターン除去処理は、ＳＮ比が小さく、信号と雑音の構成周波数にも大差がない場合や同じ条件で何度も測定を繰返すことが可能な場合に有効な手法である。
【００４１】
式１を時系列要素を負荷して表示すると、式２のように表される。
【００４２】
【数２】
ｘｉ（ｋ）＝ｓｉ（ｋ）＋ｎｉ（ｋ）        ……（２）
ｉ＝ｉ枚目の粒子画像、
ｋ＝ｉ枚目の粒子画像内のｋ番目のピクセル輝度値、
をそれぞれ示す。
【００４３】
粒子軌跡画像の撮影において、取り込んだ粒子軌跡画像の枚数をＭ枚とすれば、Ｍ枚の粒子軌跡画像に対する加算平均ｘ（ｋ）は次のように表せる。
【００４４】
【数３】
0003685256.tif 000002
【００４５】
光ファイバ配列の輝度パターンｓは、同一の実験条件（送光系・受光系）であれば、連続する粒子軌跡画像においては同じパターンが出現するため、Ｍ回の加算によりＭ倍の輝度値となり、これを平均する（Ｍで除する）加算平均処理を行うと、もとの輝度値のままである。すなわち、加算平均処理により、粒子の存在しない光ファイバ配列のみ映った画像を得ることができ、光ファイバ配列の存在する粒子軌跡画像から各画素毎に光ファイバ配列の輝度値（輝度パターン）を引けば、光ファイバ配列の輝度パターンの除去が可能となる。
【００４６】
この背景処理によって、取得した画像の背景輝度は画面全体にわたってほぼ均一になるので、相関計算処理に対して有効だけでなく、二値化処理においても有効な手段となる。
【００４７】
（２）二値化・膨張化
画像処理粒子軌跡画像から粒子の識別を行うための前処理として、二値化および膨張化画像処理を行う。水（流体）中に浮遊する粒子の軌跡像は、光ファイバ２５のクラッドの影響を受け、連続的なものとはならず、断続的な画像として記録される（図６（ａ）参照）。この断続的粒子画像を二値化処理しても、クラッドによって情報の失われた部分は回復されない（図６（ｂ）参照）。これらの分断された粒子の軌跡像を同一の粒子の移動軌跡として認識させるために、膨張化画像処理が行われる。膨張化画像処理とは、注目の画素が存在すれば、その周囲のすべての画素を０から２５５に変換するものである（８連結の膨張処理）。本アルゴリズムでは、この膨張化処理を２回繰返すことで分断された断続的粒子画像は、連続性のある軌跡画像として回復される（図６（ｃ）参照）。
【００４８】
（３）ラベリングおよび粒子画像位置の検出
１枚の粒子軌跡画像には複数（多数）の粒子画像が存在するので、それぞれを個々の粒子として認識させるラベリングを行う。それぞれの連結した画素には同じ番号を、異なった連結成分には別の番号をつける。このような個々の領域に番号付けを行うことをラベリングと呼ぶ。ラベリングによって識別された粒子画像は、元画像に戻って中心位置が算出される。中心座標は、以下の重心法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｉｍａｇｅ  ｃｅｎｔｒｏｉｄ）によって求められる。
【００４９】
Ｘ０、Ｙ０を求める重心、ｉ、ｊを各点の座標、Ｉをその座標の輝度値とすると、重心Ｘ０、Ｙ０は、
【数４】
0003685256.tif 000003
で表される。Ｙ０についても同様である。
【００５０】
（４）相関計算による整数移動量の算出
（１）〜（３）の粒子画像前処理によって、粒子軌跡画像の中心位置が検出されたので、個々の粒子の移動量を相互相関法により求める。
【００５１】
なお、流体の流動計測システム１０のＣＣＤカメラ２４で撮像された第１時刻における２次元粒子軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡画像を「参照画像」と、「参照画像」のうち限定された矩形領域を「参照窓画像」と、第１時刻とは微小時間異なる第２時刻における２次元粒子軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡画像を「探索画像」と、「探索画像」のうち限定された矩形領域を「探索窓画像」とそれぞれ定義する。
【００５２】
相互相関法による粒子の移動量推定は、「探索窓画像」と「参照窓画像」との間で次式で表される相関値Ｒをもつことが知られており、この相関値Ｒをもって個々の粒子の輝度パターンの類似度を求め、比較検討して２画像間の個々の粒子の移動量を求める手法である。
【００５３】
【数５】
0003685256.tif 000004
【００５４】
【数６】
0003685256.tif 000005
【００５５】
式５および式６に示すように、相関値Ｒは、探索窓画像および参照窓画像の輝度値の二乗平均で除する（正規化）ことによって、−１から１までの値をとる。相関値Ｒが１のときに２画像は完全に一致し、相関値Ｒの値が大きいほど窓画像間の類似度が大きいことを意味する。
【００５６】
式５および式６において、Ｉ１およびＩ２は参照窓画像と探索窓画像の各画素の輝度を表し、ξ、ηは探索窓画像と参照窓画像の相対的な位置で表す。相関値が最大となる位置ξ、ηが画像内での粒子の移動量ΔＸ’、ΔＹ’に相当する。参照窓画像の大きさｎ×ｍおよび参照窓画像との相対的な位置は、予測される最小および最大速度から決定される。
【００５７】
（５）サブピクセル移動量の算出
（４）の相関計算により、粒子画像の移動量の整数値が求まるので、相関係数のピークの近傍３点を用いた正規分布近似（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｐｅａｋ−ｆｉｔ）により、サブピクセル移動量を見積もる。ｘ、ｙ方向についてそれぞれ独立に算出される。
【００５８】
（６）較正
以上の手順により、粒子軌跡画像の移動量がピクセル（ｐｉｘｅｌ）単位で求まるので、較正により実空間での移動量に変換される。
【００５９】
図７にトレーサー粒子の混入したグリセリン溶液を回転円盤上に設置し、擬似的な流れを撮影した粒子軌跡画像を、図８にこの粒子軌跡画像６０フレーム分を粒子軌跡追跡法により画像処理して個々の粒子の移動量を算出した結果を示す。
【００６０】
【実施例】
以下に、粒子軌跡追跡法による画像処理を行う本発明に係る流体の流動計測システムの性能の評価、および流動計測システムの実流動場への適用性について説明する。
【００６１】
【実施例１】
（微動台による移動量の検定）
平板上に描かれた粒子画像を微動台（メカニカルステージ）によって移動させ、その移動量を７０ｍｍ×７０ｍｍの較正板を使って測定し、実際に移動させた真の値と、本発明の流動計測システムによりＳｔｒｅａｋ法により計測した測定値とを比較し、誤差を実測してその精度の検定を行った。
【００６２】
較正板は、７０ｍｍ×７０ｍｍの矩形内に６４点の格子点を有するものを用いた。したがって、計測範囲は７０ｍｍ×７０ｍｍである。このときの撮像倍率は、５．０１１ｍｍ／ｐｉｘｅｌであった。
【００６３】
粒子は粒子径３、６、８ｐｉｘｅｌｓの３種類を用いた。粒子像は、流体中にシーディングされた粒子をレーザシート照明によって撮像し、これをプリンタによってプリントアウトして平板上に接着させたものである。
【００６４】
粒子像の撮像は、基準位置（較正における基準位置）に設置された平板上の粒子像と微動台による移動後の粒子像とをＣＣＤカメラにより撮像し、これを一つの画像対とした。画像対から移動量ベクトルの算出は相互相関法によるものであり、実流動場の計測に用いられる方法と同等のものである。一組の画像対から算出されるベクトル数は約１５０個であった。
【００６５】
粒子像の描かれた平板の移動は、ｘ方向に５０μｍづつ１０ｍｍまで行い、２００枚の画像を取得し、１００組の画像対を得た。移動量算出は、相互相関法および正規分布近似（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｐｅａｋ−ｆｉｔ）により行った。
【００６６】
最小の空間分解能となるイメージガイド２６の光ファイバ単繊維径は、イメージガイド２６の周波数解析結果からｄｆ＝３．１２ｐｉｘｅｌｓであるので、３種類の粒子像径３、６、８ｐｉｘｅｌｓに対して、それぞれｄτ／ｄｆ＝０．９６、１．９２、２．５６倍となる。
【００６７】
図９、図１０および図１１にそれぞれ、Ｓｔｒｅａｋ法（粒子軌跡追跡法）による計測結果の偏り誤差（Ｂｉａｓ  ｅｒｒｏｒ）、ばらつき誤差（ＲＭＳ  ｅｒｒｏｒ）および確率密度分布（ＰＤＦ）を示す。各図において、ｄτ／ｄｆ＝０．９６の曲線をａ、ｄτ／ｄｆ＝１．９２の曲線をｂ、ｄτ／ｄｆ＝２．５６の曲線をｃとし、図中の横軸は真の移動量（Ａｃｔｕａｌ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）［ｐｉｘ．］を示す。図１１に示されたＰＤＦは、真の移動量がそれぞれ０．５ｐｉｘｅｌｓ、２．５ｐｉｘｅｌｓ、４．５ｐｉｘｅｌｓにおけるものである。
【００６８】
図９は、平板をｘ方向に移動させたときのｘ方向移動量の計測値の偏り誤差を示しており、真値の移動ピクセル数からどけだけはずれて測定したかをプロットしたもので、偏り誤差は計測範囲内の全ベクトルの平均値と真値との差を示している。
【００６９】
また、図１０は計測範囲内の計測値のルート二乗平均をとったものであり、図１１は、真の移動量が、左の山から０．５ピクセル、２．５ピクセル、４．５ピクセルの時、Ｓｔｒｅａｋ法（粒子追跡法：ＰＴＶ）による測定値が、全体の誤差数を１０（％）とした時、何個（％）、真値よりずれたところで実際計測されたか、示している。この山の幅が狭ければ狭いほど、誤差は少ないことを表している。例えば、真中の山の２．５ピクセル移動の時、２ピクセルと計測したのは、１００個のうち約９個ということを意味する。
【００７０】
図９ないし図１１に示されたように、粒子軌跡追跡法では、粒子径による計測値の相違はあまり現れず、偏り誤差βは約β＝±０．２ｐｉｘｅｌｓの範囲に収まった。
【００７１】
実験で用いた光ファイバ２５には光を通さない（透過率が比較的低い）クラッドがあるために、粒子像の欠落が原因となり、振動効果が見られる。図９に示された偏り誤差には、粒子像径に依る値の変化は見られず、これは粒子軌跡によって光ファイバ径に対して十分な情報が与えることができることによる。
【００７２】
図１０に示されたＳｔｒｅａｋ法によるばらつき誤差も粒子像径に依らずほぼ同一の値を示しているが、比較的大きな値となった。これは、確率密度分布を見ても分かるように、ヒストグラムの形状が正規分布とはならず、真値付近で水平に近い分布となることが原因している。これは粒子軌跡像の相関をとっているためであり、すなわち、粒子軌跡の輝度値は比較的なだらかであり、その画像の相関係数分布もまたなだらかなものとなるためである。粒子軌跡追跡法では、その粒子を通常の粒子画像に比べ大きくとっていることが、ばらつき誤差εｋを大きくする（０．３〜０．５ｐｉｘｅｌｓ）。しかし、粒子像径によってＰＤＦが大きく割れてしまうような誤差の発生の仕方はしないことが示され、また、偏り誤差の精度は有効であることが確認された。
【００７３】
【実施例２】
（実流動場での計測）
図１に示すような実験容器１５内に水（流体）の流動場１４を設けて本発明の流動計測システム１０により軸対称噴流の計測を行い、実流動場計測における流体の流動計測システムの性能を検討した。
【００７４】
流体の流動計測システムの検討は、ドップラ式レーザ流速計（ＬＤＶ）による計測と比較して行った。
【００７５】
容器１５は、例えば縦２５０ｍｍ、横２５０ｍｍ、高さ２５０ｍｍの立方体容器であり、中央に矩形噴流出口（ノズル）１６を持たせた。作動流体には水道水を用い、これにトレーサー粒子として３〜３０μｍの球形ポリエチレン粒子を混入した。図１に示すように、実験設備では作動流体を、下部の貯溜タンク５０に一旦ためた後、ポンプ５１により上部のリザーバタンク５２へ供給した。リザーバタンク５２に供給された作動流体は一部を仕切量５２ａを介してオーバーフローさせることにより、水頭圧（ヘッド）が一定に保たれる。作動流体はリザーバタンク５２から流動調節バルブ５３、整流用のハニカムおよびメッシュ（図示せず）を経て整流化し、軸対称ノズル１６から設備容器１５内に噴出させて水（流体）の流動場を構成した。リザーバタンク５２内でオーバーフローした水は戻り管５４を経て貯溜タンク５０内に戻される。
【００７６】
一方、容器１５内のノズル１６は面積比が約１０：１に縮流され、安定した速度分布が得られ、ほぼ定常になる状態において流体（水）の流動計測実験を行った。水（流体）の流動場の座標系はノズル１６出口の中心を原点とし、噴流方向（高さ方向）をＺ、半径方向をｒ、周方向をθ、それぞれの方向の速度成分をｗ、ｕ、ｖとした。
【００７７】
ノズル１６からの作動流体の出口速度をｗ＝１６５ｍｍ／秒とし、このときの出口直径（Ｄ＝７ｍｍ）に対するレイノズル数はＲｅ＝１１５５であった。容器１５をオーバーフローする水も、受けタンク５６で一旦受けた後、戻り水配管５７を経て貯溜タンク５０に戻され、水（流体）の循環系５８を構成した。
【００７８】
走査光学系１３と画像伝送手段２２は、図４に示すような走査光学系１３と画像伝送手段２２とが一体化した図４に示すような可視化用プローブ４０を用いた。図４に示すように、可視化用プローブ４０を容器１５の上方から水（流体）の流動場１４に挿入し、レーザ光は上方から鉛直に投入され、対向するプローブ４０からファイバースコープ４４により粒子軌跡画像を撮影した。レーザシート１７と対向するプローブ４０の受光面との距離は約３０ｍｍである。計測範囲は較正板の格子点が存在する範囲である、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの矩形範囲であり、レーザシート１７の厚さは２ｍｍである。
【００７９】
撮影対象領域は、ノズル１６の直径Ｄに対して、水の噴流のポテンシャルコアが消滅し、発達領域といわれ、周囲流体との運動量交換が噴流軸中心にまでおよび、比較的なだらかな速度分布の得られるＺ＝６Ｄの領域に設定した。
【００８０】
撮像された粒子軌跡画像は画像処理手段３５で粒子軌跡追跡法（Ｓｔｒｅａｋ法）により画像処理を行った。
【００８１】
一方、ＬＤＶ（ドップラ式レーザ流速計）による計測もＺ＝６Ｄにおける噴流軸に垂直な断面において別個に行った。これらの計測は、流動場が定常であると仮定し流量を同一条件に調整して行った。
【００８２】
図１２にＬＤＶで測定された噴流出口条件（レイノルズ数：Ｒｅ＝１１５５）を示す。図１２には、平均速度（ＬＤＶ（ｍｅａｎ））と変動速度（ＬＤＶ（ｒｍｓ））の曲線ｄ，ｅを示す。また、図１３に粒子軌跡追跡法によるノズル口から高さ方向Ｚ＝６Ｄ付近の速度ベクトルマップを示す。
【００８３】
粒子軌跡画像では、前述の粒子軌跡追跡法（Ｓｔｒｅａｋ法）によって速度を算出した。図１４および図１５に、それぞれＺ＝６Ｄにおける軸方向平均速度分布ｆと、その変動速度分布ｇを示す。横軸は半径方向、縦軸は軸方向である。本システムによる計測とＬＤＶ計測は、得られた速度分布である軸方向平均速度分布ｈとその変動速度分布ｉよりこの領域を抽出し、統計処理を行って２つの計測法による結果の比較を行った。この流体の流動計測システムにおけるファイバースコープによる軌跡画像は、個々の粒子に対応して算出されること、また、比較的低数密度のシーディングであるため、一組の画像対から得られる速度データが少ない。このような統計量の少なさを補うため、時間方向に多量の画像を撮る必要があり、本実験では１６０００枚の画像から統計量を算出した。図１４および図１５に示す軸方向平均および変動速度分布ｆ，ｇは各点で統計量約１０００であった。ＬＤＶによる計測では、統計量３０００から平均・変動速度データを算出した。
【００８４】
図１５に示される軸方向変動速度分布ｇ，ｉを比較すると、Ｓｔｒｅａｋ法はＬＤＶと傾向が一致し、その大きさにはバイアスが見られた。このバイアス量に関しては、噴流中心（ｒ＝０）において、ＬＤＶに対しては、送り台（微動台）による実験で示されたものよりも大きい量が算出された。図１４に示された軸方向平均速度分布ｆ，ｋについては信頼しうる計測値を有することが確認された。
【００８５】
変動速度分布を参照すると、Ｓｔｒｅａｋ法はＬＤＶと傾向が一致するものの、ＬＤＶの変動速度分布ｉに比べＳｔｒｅａｋ法の変動速度分布ｇは大きな値を示した。レーザの照射時間から換算し、Ｓｔｒｅａｋ法はｒ＝−２．２ｍｍにおいて、ＬＤＶに対して０．６３ｐｉｘｅｌｓとなり、送り台検定結果による精密度に収まっており、比較的せん断の影響を受けにくいことが確かめられた。噴流軸付近では、変動が大きくなっており、速度勾配の小さい領域での微小な変動までは捉えられなかったものと考えられる。また、ｒ＝３．３ｍｍおよびｒ＝−３．３ｍｍ付近において変動が周囲に比べ大きな値を示しているが、平均流速が低速であり、相対的に変動が大きく計測されていると考えられる。
【００８６】
図１６および図１７に、Ｓｔｒｅａｋ法とＬＤＶによる噴流軸中心（ｒ＝０ｍｍ）およびせん断層（ｒ＝２ｍｍ）における測定値の軸方向速度確率密度分布（ＰＤＦ）ｊ，ｋおよびｌ，ｍをそれぞれ示す。噴流軸中心では、両計測法とも正常に計測が行われていることが分かる。また、せん断層（ｒ＝２ｍｍ）においてもほぼ計測は正常に行われていることが分かる。
【００８７】
粒子軌跡追跡法による画像処理を行う本発明の流動計測システムの性能と実流動場への適用性が確認され、この流動計測システムにより流体の流動分布（流速および流れ方向）の測定を、精度よく正確に行うことができる。これにより、原子炉圧力容器内のような外界と環境を異にする厳しい閉空間内の流動場の流体（冷却材）の流動状態を正確に測定することができる。
【００８８】
例えば、原子炉圧力容器のダウンカマ部や炉心シュラウド内の流体（冷却材）の流動状態（冷却材の流速や流れ方向、炉心流量、よどみ状態）の計測を行うことができる。原子炉圧力容器内や蒸気発生器内、火力発電プラントの熱交換器内等の熱流動状態、すなわち、流れが一様でない熱流動（流動分布）の測定を正確に精度よく行うことができるので、構成部品の熱疲労や腐食の進捗状況を正確に管理することができる。
【００８９】
具体的には、蒸気発生器や熱交換器等の内部の伝熱管を支える支持板と熱交換器等の内壁等との間隙に形成される流体のよどみ状態を計測することによって、構成部品の熱疲労や腐食の進捗状況を管理することができるので、より安全に、効率的に操業することができる。また、局部的な流体の流動状態が明らかにされるので熱交換器などの最適化の設計が可能となる。例えば、図５に示された流動計測システムによれば、複雑な間隙においても容易に計測することができる。
【００９０】
また、例えば、図５に示された流動計測システムにおいて、レーザシート形成用走査光学系１３からシート状のレーザ光を２方向に直交するように照射して直行する２方向のレーザシートを形成し、直交する２つのレーザシート上の粒子の流跡をそれぞれの画像伝送手段を介してＣＣＤカメラ２４で撮像することにより、粒子の動きを３次元的に測定でき、ひいては、流体の流動状態を３次元的に測定できる。例えば、原子炉圧力容器のダウンカマ部の冷却材流量を正確に測定するには、ダウンカマ部に本体ケーシング４５（図５参照）を半径方向および周方向の少なくとも一方に移動自在に設置し、本体ケーシング４５を半径方向または周方向、すなわち、Ｘ方向またはＹ方向に移動させつつ個々の粒子の移動量を立体的に正確に測定し、流体の流動状態を測定するようにすればよい。
【００９１】
図１に示す流動計測システム１０において、図４および図５に示すように走査光学系と画像伝送系とを一体化することにより実用機として応用することができ、さらに広範囲に適用することができる。例えば、原子炉内のインターナルポンプまわりのよどみ状態等を計測することによりインターナルポンプの流動較正の高精度化を図ることができるとともに、流体のよどみ等による構成部品の熱疲労や腐食の進捗状況を正確に管理することができる。また、ＡＢＷＲの改良に伴う炉内構造物の大型化、シュラウドレス化等に伴う流動試験測定に適用可能であり、さらなる情報の高精度化により設計の合理化、またプラントの効率向上に寄与することも可能である。
【００９２】
また、この流動計測システムは、船舶、航空機あるいは自動車等において、水流あるいは気流と接触する構造部位や機材まわりにおける流体の流動場の計測に適用することができる。この場合、外界に開放された形態で流動場が形成されていてもよい。
【００９３】
例えば、船舶の底部や壁面における水流の流動状態（流速や流れ方向、流量、よどみ状態）を計測することができる。流れが一様でない流動状態の測定をも正確に精度よく行うことができる。これにより船舶の底部や壁面等における流れのよどみ箇所等に発生する貝類等の付着汚染や機材の疲労等の進捗状況を正確に管理することができる。また、船体の形状、構造、部材等に伴う流動試験測定により、船舶設計の最適化、合理化を図ることも可能である。
【００９４】
航空機あるいは自動車においても、流動試験測定により高速化、走行安全性等の最適化設計などに寄与することができる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る流体の流動計測システムによれば、必要以上に粒子像径を大きくすることなく、かつ最小の空間分解能となる光ファイバ単繊維に対して十分な粒子像の情報を与えることができ、複雑な流動場における個々の粒子の流速や流れ方向を測定して流体の流速や流れ方向等の流動状態を精度よく正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る流体の流動計測システムの一実施形態を示す概念図。
【図２】  本発明に係る流体の流動計測システムに組み込まれるレーザシート用走査光学系の原理を示す図。
【図３】  本発明に係る流体の流動計測システムに組み込まれる画像伝送手段の原理を示す図。
【図４】  本発明に係る流体の流動計測システムを実用的な計測システムに適用した概念図。
【図５】  本発明に係る流体の流動計測システムを実用的な計測システムに適用した概念図。
【図６】  本発明に係る流体の流動計測システムで撮像された粒子軌跡画像の二値化処理および膨張化処理の結果を示す図。
【図７】  本発明に係る流体の流動計測システムで撮像された粒子軌跡画像を示す図。
【図８】  図７に示された粒子軌跡画像を画像処理した計算結果を示す図。
【図９】  本発明に係る流体の流動計測システムによる計測結果の偏り誤差を示す図。
【図１０】  本発明に係る流体の流動計測システムによる計測結果のばらつき誤差を示す図。
【図１１】  本発明に係る流体の流動計測システムによる計測結果の確率密度分布を示す図。
【図１２】  軸対称噴流の計測実験における噴流出口条件を示す図。
【図１３】  本発明の流動計測システムにおいて、粒子軌跡追跡法で画像処理した計算結果を示す図。
【図１４】  本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計測で得られたＺ＝６Ｄにおける軸方向平均速度分布を示す図。
【図１５】  本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計測で得られたＺ＝６Ｄにおける軸方向変動速度分布を示す図。
【図１６】  本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計測で得られたｒ＝０ｍｍにおける軸方向速度確率密度分布を示す図。
【図１７】  本発明の流動計測システムとＬＤＶによる計測で得られたｒ＝２ｍｍにおける軸方向速度確率密度分布を示す図。
【符号の説明】
１０  流体の流動計測システム
１１  レーザ発振装置（光源）
１２  送光用ファイバ
１３  走査光学系
１４  流体の流動場
１５  容器
１６  ノズル
１７  レーザシート
１８  レンズ群（レンズ光学系）
１９ａ、１９ｂ  コリメートレンズ
２０  長焦点レンズ
２１  シリンドリカルレンズ
２２  画像伝送手段
２４  ＣＣＤカメラ（撮像手段）
２５  光ファイバ
２６  イメージガイド
２７  対物レンズ
２９  画像撮像手段
３０  タイミングコントロール手段
３１  タイミングスケジューラ
３２  シンクロナイザ
３５  画像処理手段
３６  フレームグラバボード
３７  ＰＣＩバス
３８  コンピュータ
４０  可視化用プローブ
４１  透過用窓ガラス
４３  ４５°直角プリズム
４４  ファイバースコープ（画像伝送手段）
４５  本体ケーシング
５０  貯溜タンク
５１  ポンプ
５２  リザーバタンク
５３  バルブ
５８  流体の循環系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0003685256.tif 000019
【図１５】
0003685256.tif 000020
【図１６】
0003685256.tif 000021
【図１７】
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