粒子图像测速技术

粒子图像测速技术（PIV）
1. PIV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，在流体力学及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）是一种用多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发展。

它
是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发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，克服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
2. PIV的原理
PIV技术原理简单，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次或多次曝光的粒子位置，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）。

3. PIV系统组成
PIV系统通常由三部分组成，每一部分的要求都相当严格
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（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，粒子选取的原则为：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。

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，由于激光为干涉光，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较困难。

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及其分辨率的不同而进行调节（一般为微秒至毫秒量级）。

片光要尽可能的薄（I mm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
如实反应流场的二维分布。

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, 在空气中则要求更高。

（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。

将粒子图像分成若干查询区（同一小区内的粒子假定有相同的移动速度, 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查询系统及其图像处理系统较为复杂，仪
器调节、胶片处理以及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及其数字图像处理技术的发展，FP IV技术正在被DPIV技术所代替。

4. PIV分类
4．1 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 500X7 500个像素，这样一张100m M 125mm 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500 >500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，成为其不可克服的缺陷.同时由于GPIV一般将2次或多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问题，虽已有解决方法，但处理较复杂
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行，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次或多次曝光的粒子由 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 的重要发展
方向。

4. 2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理及方法上引 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(laser speckle velocimetry ， LSV)，粒子图像测速仪(particle image velocimetry ，P W )以及粒子跟踪测速仪(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涉形成激光散斑图案(散斑已经掩盖了真实的粒子图像)， 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 技术基本相同.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
CCD 枢肌
图3.用于柴油机喷雾测试的 DPIV 系统简图
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（3D —PIV）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、立体照相假像）法及二维加一维法（2D+ID）法等.
5．1 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张全息胶片中，通过分层再现，既可提取流场的三维信息．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由于涉及到复杂的光路系统，对设备及环境的要求较为苛亥U，距离实际应用还有一段距离。

5．2 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3D • PIV的研究方面也进行了开创性的工作。

5. 3 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及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:
⑴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．。