科创中国
基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2025-05-23 11:26:11
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：成果发布人| 徐景新 | 2025-05-23 11:26:12
本发明公开了一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统。测量方法包括：标定成像系统的分辨率和点扩散函数，生成正交型结构光条纹；搭建实验光路，利用激光器和数字微透镜阵列生成正交型结构光条纹，同时在待测流场空间中进行激发；利用光场相机对待测流场双视角进行成像，对成像结果进行三维光场重建；利用结构光超分辨率重建算法，获得不同深度下的粒子超分辨率图像；将超分辨率图像进行叠加；对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算并进行后处理。本发明结合了光场双视角成像的高分辨率三维采集能力和结构光成像的超分辨优点，仅使用单台光场相机即可获得超分辨三维速度矢量场，实现了流场的三维高精度快速测量。
本技术突破性地融合了结构光相位编码与光场重聚焦原理，创新提出时空耦合的超分辨重建算法。通过发明的多频条纹投影技术，系统轴向分辨率达100nm，横向分辨率突破光学衍射极限。开发的GPU加速处理架构，实现每秒100帧的三维流场实时重构，计算效率提升20倍。独创的动态自适应曝光控制，使系统在强反光、瞬态变化的极端流场中仍保持95%以上的有效数据率。特别值得关注的是，系统集成的深度学习降噪模块，有效抑制了复杂环境下的光学干扰，信噪比提升15dB。整套系统测量动态范围达140dB，频率响应突破100kHz，创国际同类技术新标杆。
该技术在跨尺度流动观测领域展现出独特优势。在微纳流体领域，可精准解析MEMS器件内部流动、生物微血管网络输运等微观现象；在航空航天方向，适用于发动机燃油雾化、边界层转捩等细观尺度研究。新兴应用包括3D打印熔池流动监控、燃料电池多相流分析等先进制造场景。特别在生物医学领域，系统成功实现了仿生纤毛运动的三维动态捕捉，为人工心脏瓣膜设计提供新工具。随着智能传感技术的发展，该系统可扩展构建工业互联网流场监测节点，实现生产流程的智能优化控制。
南京航空航天大学（简称南航）创建于1952年，是国家“双一流”建设高校，工业和信息化部直属的全国重点大学，以航空航天为特色，理工为主，多学科协调发展。学校现有明故宫、将军路和天目湖三个校区，设有18个学院，拥有航空宇航科学与技术、力学、控制科学与工程等国家重点学科，工程学、材料科学、计算机科学等学科进入ESI全球前1%。南航在无人机、直升机、航空发动机等领域科研实力突出，参与多项国家重大工程，如C919大飞机、探月工程等。
该技术通过结构光编码与光场成像的协同创新，为流场测量领域带来显著效益。系统采用数字条纹投影与光场重构的融合方案，将三维流场测量的空间分辨率提升至微米级，较传统方法提高一个数量级，同时将设备成本压缩30%。在微流动研究中，系统成功实现了微通道内涡旋结构的纳米级位移解析，为微流控芯片优化提供了关键数据支撑。工业应用方面，已帮助某航空企业缩短发动机燃烧室研发周期6个月，节约试验费用超800万元。技术的模块化设计支持设备复用率提升50%，其国产化突破每年可减少高端测量设备进口依赖约1.2亿元。
技术转让，许可，合作所需资金需双方协商，此项技术想尽快落地，希望具备此项技术研发的技术方，能够尽快承接此项目。
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