MicroVec-粒子图像测速(PIV)

x[m, n] y[m j, n k ]

S V lim t 0 t
2.3 PIV互相关计算得到相关谱结果流程
互相关计算
第一幅判读区图像
FFT
第二幅判读区图像
FFT
相关谱结果
IFFT
第一幅的频谱 （频域）
第一幅的频谱 （频域）
负变换
相乘
3. MicroVec 特点及功能介绍
软硬件指标达到国外同类产品同等水平。 软件完全中文界面易于操作，功能全面。 广泛应用，可靠实验验证。 创新点：
国内首家开发出商用三维PIV系统。 PIV-PTV技术结合。 国际首创64位并行互相关计算技术。 颗粒直径分布统计分析。 浓度场、动量场分析。 迭代算法的应用。
1.1 PIV设备简介

3.3 3D-PIV模型实验结果
不同截面平均结果合成--三维等速度分布面显示
4. 2马赫超音速实验
5. 火焰场PIV实验
三维系统实物照片

电动三维遥控调整机构

体视三维PIV系统组成
使用注意事项

操作人员需要经过北京立方天地科技发展有限公司培训合格。 在所有硬件通电之前，需要确保：电源信号可靠接地、相机镜头盖关闭、激光器片 光源出光孔关闭盖严、激光器导光臂可靠固定、各个输入输出信号线连接无误，严 禁将同步控制器的信号输出端口连接到任何高压电源或者将输出端口短路。 按照粒子图像测速系统（PIV）使用手册规定，连接好图像系统的相关硬件；严禁 带电拔插任何电源或者信号线缆。。 根据不同实验要求，参考粒子图像测速系统（PIV）操作手册规定，进一步设定软 件相机控制模式，调整相机工作在相应状态，拍摄和保存实验图像。
1.简介
北京立方天地科技发展有限责任公司是国内第一、唯一的专业粒 子图像测速系统（PIV）开发公司。 具有自主知识产权的PIV系统
发明专利：200910162651 实用新型专利：200720140441/200720143783/200920144898 著作权登记号：2003SR0083/2003SR12905。
感光像素
非感光 高速缓存区域 CamLink 二级高速缓存
4.2 DPIV系统的硬件组成 —PCI-E技术
价 格
Camera Link
数据传输带宽 10-20MB/S 50MB/S 500MB/S 2GB/S( PCI-E)
120MB/S(32bit PCI)
DPIV相机控制
科研级数码相机： •全幅分辨率 •全幅采集速率 •像素尺寸（芯片尺寸） •相机工作模式 •像素灰度等级 •信号信噪比 •曝光时间控制
相机外触发信号
图像 1
DPIV同步控制
计算速度场的∆T 脉冲激光器氙灯工作在 Q开关出光的倍频状态 标示激光器DQ延时出光的最小时间 用于调节DQ延时调节激光器能量
激光工作频率 在外同步状态 对外部脉冲分频 通过调节DQ延时 调节激光器能量
激光器DQ延时 最佳出光时间
锁定通道7与激光器2延时同步 （用于驱动光电开关）
窗口迭代算法计算效果图
窗口迭代算法迭代2遍
窗口迭代算法应用
超音速射流PIV实验对比
变形窗口算法
•普通互相关算法缺陷：
只能使用方形或矩形判读窗口， 对于速度梯度变化剧烈的区域有平滑 效果。
•变形窗口算法：
可以根据每个向量周围的速度向 量大小，自动调整判读窗口的图像， 达到最优的互相关计算效果。
窗口变形算法原理



实验工作完毕后，首先关闭相机镜头盖、关闭激光器片光源出口。关闭图像采集系 统电源。关闭激光器灯和Q开关，经过稳定冷却后关闭激光器电源。
在整个实验操作过程中，如果发现不明故障现象，需要严格按照粒子图像测速系统 （PIV）操作手册规定处理。紧急情况下，需要关闭相机镜头盖、关闭激光器片光 源出口、关闭激光器灯和Q开关。其他不明事宜，请及时跟北京立方天地科技发展 有限公司联系，并提供详细的故障现象以便排除。
A
窗口 变形 校正 窗口 变形 校正
B
图像校正 一次
图像校正 二次
n次窗口变形校正 后的第二幅图像 和PIV结果
PIV技术互相关算法软件
计算向量的判读 窗口大小
划分的网格 之间的间隔
迭代计算设定
变形窗口 计算参数设定
变形窗口算法水洞应用
32×32判读小区 迭代1遍 涡破裂结构的涡量大小测量 32×32判读小区 迭代1遍 变形迭代2遍
提前激光器1Q开关 打开的时间提前量
同步控制软件窗口
6. PIV系统操作流程
布置实验设备
不满足实验要求
图像显示采集
满足实验要求
保存图像文件
互相关 计算
保存向量文件
向量结果分析
保存分析结果
涡量场，等速线，流线，三维等值图
DPIV系统软件组成
7.三维体视成像（SPIV）
Laser Sheet
Lens
集成图像系统、同步控制（激光器控制），
PIV软件计算/分析。 Particle Image Velocimetry (PIV) Particle Tracking Velocimetry (PTV) 粒径分析 标量场分析（浓度/温度/压力场分析） 动量（MV）场分析。 自动批处理。
窗口迭代算法
CCD/CMOS
Camera
7.2 普通二维PIV缺陷
x
激光片光
α
WFra Baidu bibliotek
z
CCD成像平面
11M相机投影误差 达到0.5个像素
7.2 体视成像（SPIV）原理
U
x
W
激光片光
α1 α2
z
u = ( U1 tan 2 + U 2 * tan1 ) / ( tan1 + tan 2 ) v = ( V tan + V * tan ) / ( tan + tan ) 1 2 2 1 1 2 ( , 0) = (V1 + V2 )/2 w * (tan 2 - tan1 )/2 w = ( U - U ) / ( tan + tan ) 2 1 1 2 = ( V2 - V1 ) / ( tan1 tan 2 )
FireWire
PCI Frame Grabber SoftWare
Camera Link MicroProcessor Ethernet
Process
PIV相机
4.1 DPIV系统的硬件组成 — 相机双曝光PIV模式
光 线
像素微透镜
感光像素
非感光 高速缓存区域
n t e rl i n e Re g i s t e r P h o t o s i tIe
U1
U2
7.1 体视成像（SPIV）校准原理
（a）三维计算 过程示意图
（b）左侧相机拍摄的图像（c）右侧相机拍摄的图像
三维PIV测量水力旋流器内流场实验
3D-PIV模型风洞实验布置图
3.3 3D-PIV模型实验结果
局部速度分布图
风洞来流风速 30m/s
PIV结果标准差： 0.229m/s （0.76%）
•普通互相关算法缺陷： 选择判读区（IW） 窗口不能太小，与实际 测量流场得到的矢量场 有关。
窗口迭代算法
•窗口迭代算法： 可以通过使用小的判读 小区（IW）窗口，得到大于 判读小区大小的向量。在提 高PIV测量计算精度的同时， 精细化了测量结果。
适用于结果向量长度达到5个像素以 上
窗口迭代算法原理
Particle Tracking Velocimetry (PTV)算法
数字图像粒子搜索： Area/Diameter/Center
PTV结果范例
粒子分析功能介绍
标量场分析模块
实际实验图片
通过标定样片与实 际图片对比计算得 到定量化结果
顺序标定 实验样片
4. PIV图像系统构造
Imaging Head Imaging Engine Communications RS-232 Image Sensor with Support Electronics Field Programmable Gate Array (FPGA) PIV Computer Side
自相关函数
:
: :
R ( )

离散自相关函数
R[k ]

x(t ) x(t )dt
m
x[m]x[k m]
m

离散互相关函数
Rxy [k ]
x[m] y[k m]
m n

二维离散互相关函数 速度计算公式:
: Rxy [ j , k ]
MicroVec
粒子图像测速（PIV）系统
北京立方天地科技发展有限公司
Http://www.PIV.com.cn
MICROVEC PIV大纲
1. 公司介绍。 2. PIV原理介绍。 3. MicroVec 特点及功能介绍。 4. PIV图像系统构造。 5. PIV激光器光源系统及同步方案。 6. PIV软件操作。 7. PIV实验操作流程。 8. PIV实验范例介绍。 9. 三维PIV系统。 10. 注意事项。
试验模型 计算机
三维相机布局
同步器
激光器
1.2 PIV设备组成
外同步TTL输入 同步控制器 计算机USB控制
PIV分析流场结果
图像信号输入 相机同步控制
PIV激光器
光学滤色
光电开关
PIV专用相机
1.3 Microvec系统软件界面
DPIV系统软件界面
2.1 PIV技术互相关算法原理
2.2 PIV技术互相关算法原理(计算位移量)
5. PIV激光器光源 系统及同步方案
T1 T2 T3
同步控制器
T5 T6 T7 IN
T4
•双脉冲PIV激光器控制方案
F1 Q1 F2 Q2 CCD1 CCD2 激光器1 激光器2
激光器延时
激光器氙灯 外触发信号
激光器氙灯 放电能量曲线
∆T
相机延时
激光器Q开关 外触发信号
图 像2 图像 1 图 像2