粒子图像测速

粒子图像测速(PIV)技术
摘要：在流场显示测量技术中,粒子图像测速(PIV)技术占有相当重要的地位。

本文重点介绍了PIV的测试原理及应用要求。

关键词：流场显示测量；粒子图像测速(PIV)；DPIV系统
0.前言
人类至今对流体力学中仍有许多疑难问题(如湍流、非定常流动等)了解其少，而在许多工程应用(如毪行器外形设计、内燃机燃烧室中的多相流动等)中又迫切需要解决这些问题，固而使流场测量涮题变得极为重要。

早期的热线热膜流速计(HWFA)在流动测量特别是湍流研究中占有相当重要的地位，但由于属于接触式测量，对流场干扰甚大，影响了测量的准确度。

随着激光，微电子及计算机技术的飞速旋展和光泛应用，以激光为光源，利用激光散射和干涉原理，人们开发了许多新的测试技术．如激光多谱勒技术、激光散射技术、激光全息技术、激光诱发荧光技术和PIV 技术等。

在所有这些流场显示与测量技术中，PIV．数字PIV(DPIV)技术及其演化发展而来的HPIV技术，因为可以实现埘二维和三维流场的全场非接触测_量并且具有精度高、对流体特性的适应性宽、实现成本不高等特点而广受关注，发展很快。

PIV即粒子图像速度场仪，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。

综台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，既具各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。

PIV技术从原理发展到成为一种实用的技术．首先要归功于Adrian和Mcrzkirch所做的贡献。

迄今为止，在j维全场测速技术Ip，PIV是最成熟的一种新技术，已迅速变为测速的标准方法，其产品也已走向市场(美国的TSI公司和Aerometrics公司，德围的Lavision 公司以及丹麦的Dantec公司等均有成套产品推出)。

PIV技术的基本原理是：在流场中布撒示踪粒子，并将脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两谈或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。

采用光学杨氏条纹法．自相关洁或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD记录的网像，获得流场速度分布。

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)。

PIV从本质上看是一种图像分析技术。

在粒了浓度很低时，称此PIV模式为PTV(Particle Tracking Velocirnetry)，即粒子跟踪测速技术。

当粒子浓度高到使粒予图像在被测区重叠时，称此PIV模式为LSV(Laser Speekle Velocometry)，即激光散斑测速技术。

通常所讲的PIV是指粒子浓度很高但粒子图像在被删区不重叠的情况。

基本原理图如图1所示：
PIV系统通常由三部分组成，每一部分的要求都相当严格。

一是直接反映流场流动的示踪粒子。

除要满足散要求(无毒、无腐蚀、无詹蚀、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台考虑各个因素。

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。

常用的示踪粒子有聚苯乙烯．铝，镁、二氧化钛、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钛、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上，由于光线无法穿过不透明的周体颗粒，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。

二．是成像系统。

脉冲--激光光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。

坩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商于片光。

曝光脉冲要尽可能的短，即曝光问隔盘能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(1mm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。

曝光时间和曝光能是一对矛盾。

为了把有限的光能量都用丁曝光，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
得到理想的曝光圈像，在空气中则要求更高。

三是图像处理系统。

罔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(同小区内的粒于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1／4；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洁逐个处理查询区，得到粒子的移动速度，进而得到速度场分布。

在早期的PIV技术中，由于两次曝光图像被记录在同幅胶片上，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。

由于PIV查询系统及其图像处理系统较为复杂，仪器调节、胶片处理咀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，FPIV 技术正在被DPIV技术所代替。

2. DPIV技术及HPIV技术
DPIV 强调用数字方法记录视频图像而不足摄影胶片，是传统PIV的对应方法。

其中，图像采集系统是DPIV的核心部分，主要包括CCD相机，图像采集板、计算机和图像采集控制软件。

以美国TSI公司开发的FIV系统为例．其系统主要包括脉冲激光器、片光源光学元件、光传输部件、CCD相机、帧抓取器、同步器，INSIGHT拄制与分析软件、TECPLOT和FRAMER后处理软件、以及烟雾发生器等。

下面分别介绍
这套系统的妇成部分。

(1)激光器为New Wave Minilase 50-15E型双脉冲Nd：YAG激光器。

通过调节闪光灯频率或Q开关延迟时间可对激光器脉冲频率及单脉冲能量进行设置，脉冲持续时间为5-7ns，光束商径为2．5ram，工作方式为外部触发或由同步器控制。

(2)片光源光学元件包括柱面透镜和球面透镜，其中柱面透镜使光束崔一个方向张开～定角度，球面透镜用于控制片光在被删区域的厚度，可调片光源在被测区域内的厚度为lmm左右。

作为光传输部件的光导臂可使激光在直径为1.5nm的球面内向任意方向传输．从而方便了测量。

(3)型号为PIVCAM 10-30的自相关／互相关CCD相机用于捕盘l!图像。

其分辨率为lkxlk，帧率可达30帧/s，它将阁像传送到算机内的帧抓取器。

(4)帧抓取器将CCD相机送来的图像进行数字化，然后传给计算机进行处理。

(5)同步器和激光器、CCD相机，帧抓取器、计算机相连，它使各个系统元什协调运行。

在INSIGHT软件中可进行部件选定与部件操作模式设定。

例如：选择激光器类型，设定激光器功率，设置激光脉冲产生方式；选定CCD相机型号及分辨率，对帧频率及跨帧时间进行设定：给系统选择一个定时主设备，可以是CCD相机，同步器或外部触发器；设置罔像捕捉方式。

(6)除了控制功能外，INSIGHT软件用于分析视频或照相图像以获得二维速度场，可以实时显示获得的图像数据，在线显示速度矢量场，还可以调节信噪比、查询网格尺寸，选择数据处理算法．自动调整查询区，对数据进行过滤和校验等。

(7)TECPLOT流场绘制软件和FRAMER软件可列图像进行后处理，计葬平均速度、涡量、应变率及Renold应力等参数，并可进步绘出相应的曲线图和制作动画，对
流动过程进行仿真。

(8)烟雾发生器用于在测量气体流场时播撒示踪粒子。

由于采用CCD相机作为记
录设备，两次曝光图像可记录在不同帧上，采用互相关算法。

避免了出现方向二义性问题。

同时图像实现数字化，对图像的处理通过计算机进行，代替了FPIV的复杂光学系统。

另外，通过数字相机的跨帧技术(FrameStride)．可以大大缩短PIV技术中两帧图像之间的曝光时间，实现了将PIV技术应用于高速流场的测量。

目前的CCD 相机的分辨率已达2048x2048像素，跨帧间隔最小可达．200ns，理论可测速度达1250m ／s。

DPIV有着FPIV无法比拟的优势，在实验操作及其数据处理中完全实现了数字化，它可以实时拍摄、观察和处理，便于及时修政粒子浓度、激光强度以及其它一些实验参数。

PIV技术的另一个重大课题就是发展三维立体PIV技术，大体上有两类。

一娄是用两个摄像机从不同的视角观察．从每个摄像机视点各自测嚣到垂商于相机光轴的二维速度，然后对这两个二维速度矢量进行综合分析．产生一个三维速度矢量。

国外以Adrian为代表的研究小组对3D—PIV技术进行r开拓性的研究，国内，北航申功教授对三维PIV技术的研究起步较早。

另类就是全息PIV(HPIV)技术．利用全息照相和重显拄术．测量的是个三维区域，不再是个厚度很小的片光面，托技术含量很高，实现起来难度很大，但由于这是一种“全息”技术，流场中信息将全部获得．所以其准确性、真实性都很高。

段俐等人对HPIV已进行了初步研究。

相信随着相关技术的发展，不久的将来对HPIV的研究定会取得可喜的成果。

结束语
从目前的发展看，PIV方法由于在精度上的优势，在许多领域应用广泛；随着数字采样系统及图像处理技术的发展，DPIV会逐渐取代FPIV方法，应用范围会越来越广, HPIV方法在记录三维信息上有独到之处，在理沦和实验上还有待进步研究突破。