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1、word粒子图像测速技术PIV1PIV简介粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学与空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。粒子图像测速技术PIV是一种用屡次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。PIV是流场显示技术的新开展。它是在传统流动显示技术根底上, 利用图形图像处理技术开展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克制了两种测量技术的弱点而成的, 既具备了单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。图1. 粒子图像测速技术2PIV的原理PIV技术原理简
2、单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或屡次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速DPIV用CCD相机作记录)。3PIV系统组成PIV系统通常由三局部组成, 每一局部的要求都相当严格。图2. 粒子图像测速系统结构1直接反映流场流动的示踪粒子。除要满足一般要求
3、( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原如此为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜m 量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动
4、。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干预光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比拟困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流
5、速分布。PI V 技术中粒子浓度一般为10左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。2成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度与其分辨率的不同而进展调节(一般为微秒至毫秒量级) 。片光要尽可能的薄( lmm以下) , 片光的厚度控制对于二维的PIV来说非常重要，太厚就把三维的速度压入二维, 也就不能如实反响流场的二维分布。曝光时间和曝光能量是一对矛盾。为了把有限的光能量都用于曝光，PIV系统一般采
6、用双脉冲激光器作为光源。一般水中曝光脉冲能量在几十毫焦耳就可以得到理想的曝光图像, 在空气中如此要求更高。3图像处理系统。图像处理系统用于完成从两次曝光的粒子图像中提取速度场。将粒子图像分成假如干查询区(同一小区内的粒子假定有一样的移动速度, 并且作直线运动; 此外, 查询区内的最大粒子位移不能超过查询区的1/4;在片光厚度方向的位移不能超过片光厚度的114;平面位移要大于两倍粒子图像直径)，在查询光束的作用下, 利用杨氏条纹法或自相关法逐个处理查询区，得到粒子的移动速度,进而得到速度场分布。在早期的PW 技术中, 由于两次曝光图像被记录在同一幅胶片上, 所以速度的流向存在180。的方向不确定
7、性( 方向二义性)，为得到速度方向, 需要一套复杂的系统。可使用粒子图像预偏置方法或双色PIV技术来处理方向二义性问题110)。由于PIV查询系统与其图像处理系统较为复杂, 仪器调节、胶片处理以与数据处理等往往要花费较多的时间, 所以随着数字成像系统与其数字图像处理技术的开展，FP IV技术正在被DPIV技术所代替。4PIV分类41按其成像介质PIV按其成像介质可分为基于模拟介质的GPIV(graphic particle image velocimetry)和基于CCD的DPIV(digital particle image velocimetry)。GPIV是用照相采集的方法将序列图像记录
8、在胶片或录像带上，然后用光学方法或扫描仪形成数字图像，实现自相关模板匹配运动估值其优点是模拟介质分辨率高(如普通135底片包含有10 5007 500个像素，这样一X100mm125mm的肖像底片将会有30000x37500个像素，普通摄像管所能提供的分辨率约为500500个像素，较高分辨率的摄像管也不过做到4096x4096个像素)，可以观测较大的视场，且精度高，图像捕获速度快，可以测量高速流场(马广云，申功圻HJ)但是，由于其成像后的处理时间长，因而无法实现在线应用，成为其不可克制的缺陷同时由于GPIV一般将2次或屡次曝光成像在同一底片上(单帧多曝光图像)，在图像分析上有速度矢量方向二义性
9、问题，虽已有解决方法，但处理较复杂。图3. 用于柴油机喷雾测试的DPIV系统简图DPIV系统实际上是PIV系统的数字化形式，它强调用数字方法来记录视频图像而不是摄影胶片，DPIV所有的分析都用计算机来进展，代替了GPIV的复杂的光学系统，不需再做胶片的湿处理，同时DPIV将2次或屡次曝光的粒子由CCD-Camera经数字图像采集设备采得该截面的序列图像(单帧单曝光图像而非GPIV的单帧多曝光图像)，自然解决了速度方向的二义性问题DPIV的决定性优点在于便于数字处理，能提供实验参数的在线调整，使得它成为PIV的重要开展方向。42按粒子密度分PIV源于固体应变位移测量的散斑技术，首先将这一技术从原
10、理与方法上引入流场测速中当首推Adrain，他将PIV技术按照示踪粒子的浓度分为激光散斑测速技术(1aser speckle velocimetry，LSV)，粒子图像测速仪(particle image velocimetry，P)以与粒子跟踪测速仪(particle tracking velocimetry,PTV)三类。当流场中粒子浓度极低时，我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动，从记录的粒子图像中测得单个粒子的位移，这种低粒子图像密度模式的测速方法即为PTV技术；当流场中粒子浓度很高时，以至于用相干光照明时，粒子衍射图像在成像系统像面上互相干预形成激光散斑图案(散斑已经掩盖了真实的粒子图
11、像)，这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为LSV技术；PIV技术是指选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式，但并未在成像系统像面上形成散斑图案，而仍然是真实的粒子图像(或单个的粒子衍射图像)，此时这些粒子已无法单独识别，底片判读只能获得一判读小区域(interrogation area)中多个粒子位移的统计平均值目前，LSV技术己很少采用，这是因为高粒子浓度对流场干扰较大，而测量精度、实验设备均与PIV技术根本一样PTV技术从本质上讲是PIV技术的延伸，由于粒子稀疏，使得可提取的流场速度信息较少，限制了对流场细微结构的研究此外PTV取得原始速度向量点的位置是随机分布的(PIV被认为是按网格状分
12、布的)，需要内捕建立网格表示图但是PTV算法似乎比PIV算法更容易从二维推广至三维。5三维PIV(3DPIV)技术前面介绍的PIV方法采用的是片光束照明方式，因此只能测量局限于片形光束所照明的二维平面内的速度分布而实际上三维流场的三维速度分布测量才是PIV技术的最终目标关于三维流速的测量方法，目前主要有全息照相(摄像)法、立体照相(摄像)法与二维加一维法(2D+ID)法等51 全息照相法(holographic particle image velocimetry, HPIV)根据全息照相(摄像)的原理获得全息图像，由于全息图像把流场的三维速度场瞬时凝固在一X全息胶片中，通过分层再现，既可提取
13、流场的三维信息全息照相仅是记录粒子运动的手段，其处理方法还是依靠PIV或PTv技术和三维重建理论。HPIV由于涉与到复杂的光路系统，对设备与环境的要求较为苛亥U，距离实际应用还有一段距离。52 立体照相(摄像)法体视摄像法研究较多，该法是用2台或多台相机从不同方位记录被照明流场的一个切面，根据两相机空间位置投影关系和视差，把两相机的2个二维坐标映射为空间一点的三维坐标，把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场，完成粒子空间位移场和速度场的重建137J应当说目前Adrain的工作代表了此领域的最高水平国内以jE航申功忻教授为领导的课题小组在3DPIV的研究方面也进展了开创性的工作。53
14、 2D+1D法是切面内二维测量和纵向(离面)一维测量相结合的三维速度测量方法，又可分为粒子跟踪色谱法、粒子跟踪光强梯度法、粒子跟踪温度梯度法以与实验与数值相结合的方法(在获得多个平行切面二维速度场的情况下，利用不可压缩性流体的连续性方程求得纵向流速分布)等。6 PIV的优势PIV的突出优点表现在：(1)突破了空间单点测量(如LDV)的局限性，实现了全流场瞬态测量；(2)实现了无扰测量，而用毕托管或HwFV等仪器测量时对流场都有定的干扰；(3)容易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息因此，该技术在流体测量中占有重要的地位 /
