粒子图像测速技术

南京理工大学

课程考核论文

课程名称：图像传感与测量

论文题目：粒子图像测速技术

姓名：陈静

学号： 314101002268 成绩：

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年月日

粒子图像测速技术

一、引言

粒子图像测速技术即PIV（Particle Image Velocimetry）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。

湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题[1]。早期发明的热线热膜流速计(简称HWFA)至今已有80多年的历史，曾经为流动测量特别是湍流的研究立下过汗马功劳。这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰[2]。20世纪60年代发展起来的激光多普勒测速仪(简称LDV)，利用流场中粒子的散射，测量散射光对原入射光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无接触测量[3]，这种技术具有极好的时间分辨率和空间分辨力，可做三维测速，已经成为流速测量的标准技术并得到了广泛应用。然而，它和热线流速仪一样，都只是单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。20世纪80年代发展起来的粒子图像测速技术则是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段，它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。

二、主要内容

1.粒子图像测速技术的原理

粒子图像测速技术原理简单，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)记录下两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)[4]。

2.粒子图像测速技术的优点

粒子图像测速技术的突出优点表现在：

(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，而用毕托管等仪器测量时对流场都有一定的干扰；

(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[4]。

3.粒子图像测速技术的分类

（1）按其成像介质分类

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相机的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[6]，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，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[5]，但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一般将两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[7]，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将两次或多次曝光的粒子由CCD相机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。

（2）按粒子密度分类

PIV源于固体应变位移测量的散斑技术，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，PⅣ)以及粒子跟踪测速仪(Particle Tracking Velocimetry，PTV)三类[8]。

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。

4.粒子图像测速技术的应用

（1）两相流测量[9]。选用合适的示踪粒子显示液体的运动,并用高速摄像机采集气液两相流动数字图像，从图像处理着手，根据图像灰度的不连续性和相似性，对采集到的两相流数字粒子图像进行分离，实现液体示踪粒子和气泡的标定。采用互相关算法得到液体流场速度分布，同时利用跟踪法得到气泡的速度分布。

（2）风沙流测量[10]。风沙环境风洞是研究风沙流的主要实验设备, 引入PIV 技术可以克服传统的测量仪器( 如皮托管、集沙仪等) 对流动的干扰, 可以得到风沙流实时空间结构的精确定量信息, 这对风沙物理以及风沙工程研究具有重要意义。

（3）往复隔板絮凝池[11]。絮凝在自来水厂的净化工艺中是一个十分重要的环节, 是通过水流流动的能量消耗, 促使水中胶体颗粒在混合阶段脱稳, 经初步聚集的微絮粒相互接触碰撞, 逐步形成能满足沉降分离要求的较大絮体的过程。因此在絮凝过程中, 水流的流态以及水流的结构等水力特性对絮凝效果有着直接的影响。往复隔板絮凝池属于推流式絮凝池, 因其构造简单, 施工和管理方便, 效果有保证, 成为大型水厂经常采用的工艺形式。由于往复隔板絮凝池廊道狭窄、絮凝池拐弯水流结构复杂, 使整个流场的量测十分困难，致使人们对絮凝池中混凝现象和涡漩运动的认识很有限。采用了粒子图像测速技术, 对其流场进行量测与相关分析, 提高了分析结果的准确性和可靠性。

（4）河工模型实验[12]。在河工模型试验中, 表面流场的观测是一项重要的测量内容, 它要求在某一特定时段内( 如某一洪峰历时)测出试验区内表面流速的大小和分布, 采用常规方法, 是在试验段上布设许多测量断面, 用旋桨流速仪进行多点采集, 当测量区域较大时,完成一次这样的测量所用时间较长, 而在模