粒子图像测速技术.ppt
粒子影像测速技术概述
粒子影像测速技术概述粒子影像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是一种非侵入式流体力学测量方法，用于研究流体的运动和流场。
该技术通过在流体中悬浮微小颗粒，并利用激光照射和相机拍摄的方式，获得颗粒在不同时间间隔内的位置信息，从而推导出流体的速度场。
PIV技术的基本原理是利用流体中的颗粒作为标记物，在连续拍摄的图像序列中跟踪颗粒的运动轨迹，从而得到流体速度场的空间分布情况。
其中，激光光束被用来照射流体中的颗粒，通过相机拍摄颗粒图像，并计算相邻两幅图像中颗粒位置的变化，从而计算颗粒的位移和速度。
PIV技术的实施过程主要包括以下几个步骤：1.准备实验环境：选择合适的流场实验装置和流体介质，并在流体中悬浮微小颗粒，以便在图像中能够清晰地观察到颗粒的运动轨迹。
2.激光照射：通过激光光源照射流体，形成一个平面光束，并在流体中的颗粒上产生散射，从而在图像中形成明亮的颗粒光斑。
3.图像拍摄：使用高速相机或摄像机对照明的颗粒图像进行连续拍摄，并以一定的时间间隔记录图像序列。
4.图像处理：对连续的图像序列进行处理，包括背景校正、图像配准、颗粒定位等步骤，以获得颗粒位置信息。
5.数据分析：通过比较颗粒在不同时间间隔内的位置信息，计算颗粒的位移和速度，并进一步推导出整个流体区域的速度场分布。
PIV技术的优点在于它能够提供全场的速度信息，而不仅仅是单点或线性的数据。
这使得PIV技术在研究流体湍流、气动性能以及流体工程等领域具有广泛的应用。
同时，PIV技术还可以与其他测量技术相结合，如激光雷达、压力传感器等，以提供更加全面和准确的流体力学数据。
然而，PIV技术也存在一些局限性。
首先，要求流体中应有足够数量和密度的微小颗粒，以便在图像中清晰可见，这对于一些实验环境下的流体可能是困难的。
其次，由于颗粒在流体中的多次散射，会造成颗粒在一些位置上的位置模糊，从而影响速度计算的准确性。
总的来说，粒子影像测速（PIV）技术作为一种先进的非侵入式流体力学测量方法，具有高时空分辨率、全场测量等优点，被广泛应用于航空航天、水力学、气动学等领域的流体力学研究。
粒子图像测速仪教学文案
粒子图像测速仪
PIV 1
TSI Incorporated
PIV - 原理
激光片光源
... .
.. ... .
..... . . ......
...... .... ..............................
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.. .
.............
.... ....
TSI Incorporated
TSI POWERVIEW Plus 系列相机的独特功能
❖ 标准相机
– 基于普通光照下的图像拍摄设计 (无激光)
❖ POWERVIEW Plus 系列相机
– 基于激光照明下图像拍摄设计 – 独特的保护罩设计 ❖ POWERVIEW Plus 系列相机的保护罩
– 并不是对CCD阵列的遮挡 – 是对相机电子线路的保护
TSI Incorporated
CCD相机
❖ CCD相机是一个高敏感的元件 ❖ 工作温度-5度－40度，10％－80％湿度要求 ❖ 防止强光对于CCD的损坏 在实验中，避免出现大面积的过曝光 拆卸相机截圈时，注意防止光线直接进入CCD
PIV 1
Copyright© 2006 TSI Incorporated
PIV 1
Copyright© 2006 TSI Incorporated
TSI Incorporated
系统连接原理图
外部触发
触发颗粒发生装置
相机 图像卡
激光控制
计算机
PIV 1
Copyright© 2006 TSI Incorporated
TSI Incorporated
激光器
流体动力学测量的粒子图像测速(42)
- The repetition rate of a pulsed laser is typically 10-30Hz
10
adequate only for velocities < 1 m/s
Laser Sheet
Which Laser and for what?
- Double pulsed laser (t: 1-150 s ), 10 Hz, adequate for high-speed airflow applications. - Dual head system (t: 100 ns-1s ), over 50 Hz, adequate for time resolved PIV. - Two color Laser for two-color PIV, adequate for two phase flow measurement.
Particle
7
CCD Camera
Laser sheet
8
Laser Sheet
Upper view
Laser Sheet thickness
Side view
Laser Sheet high
Thin laser sheet
out of plane movement
9
Thick laser sheet
3
What is PIV?
Flow visualization
Particle tracking velocimetry (PTV) Particle image velocimetry (PIV) Particle soeckle velocimetry (PIV)
4
Very Basic Idea Behind Optical flow measurements
PIV 测量技术ppt课件
系统组成
PIV系统有硬件和软件两部分组成 硬件部分：控制电路、CCD像机、光源、图
像采集电路、采集图像所用的计算机和抓取 同步信号所用的计算机等。 软件部分：系统的控制软件和分析软件
控制软件：进行图像采集的控制程序和 同步程序以及比例标定程序。
分析软件：粒子图像的处理和分析，流 场速度矢量的显示和修正，这两部分正是 PIV的后处理部分
1
PIV简介
Particle Image Velocimetry 又称粒子图像测速法 在流体中放入示踪粒子 不直接接触流体
2
基本原理
在流场中散播一些适当的示踪粒子，用脉 冲激光片光(light sheet)照射所测流场的 切面区域，通过成像记录系统摄取两次或 者多次曝光的粒子图像，形成PIV实验图 像，再利用图像互相关方法分析PIV图像， 获得每一小区域中粒子图像的平均位移， 由此确定流场切面上整个区域的二维速度
对噪音估计有误
复原后
9
误差处理方法：2.增强
突出图像中重要的 信息，同时减弱或 去除不需要的信息， 并提高图像的可读 性。
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误差处理方法：3.小波降噪
无噪音情况
有噪音情况
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-接上文
仍有问题
12
误差处理方法：5.速度矢量修正
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4
测量流程
分网格
5
互相关分析
互相关函数：
互相关函数反映了两个函数在不同பைடு நூலகம்的相对位置上的匹配程度。
6
示例
7
误差
示踪粒子分部不均匀
图像变形或扭曲
图像退化 图像噪音
外部噪音 内部噪音 光电管噪音 摄像机噪音 摄像管噪音 光学噪音
8
粒子成像测速技术 PIV
《现代流体测试技术》第九章粒子成像测速技术刘宝杰，于贤君2015年6月15日速度的定义是什么？能不能根据速度的定义直接测量速度？粒子图像测速技术：Particle Image Velocimetry简称PIVParticle Image Velocimetry 简称PIV典型的PIV原理图系统构成：PIV只能测量激光片光平面内的速度分量。
PIV 能干什么？加力燃烧室火焰稳定器流场：单点测量技术都能做到只有PIV技术能做到是一种全场测量技术，能够获得非定常流动的瞬态速度场。
测量速度快，周期短，成本低。
是一种先进的流场诊断技术。
激光散斑测速技术（固体力学）层流、射流和对流（流体力学）七十年代末八十年代初从而建立了流体力学的激光散斑测速技术！发现一般情况下添加的示踪粒子浓度不足以产生激光散斑！1984年：Pickering & HalliwellAdrianPIV技术诞生1985年全数字化的PIV和SPIV已经商品化1998年LDV PIV时间序列的空间单点测量在一个瞬时的空间多点测量时间统计平均瞬时速度场，由多个速度场平均获得统计平均数据由测量移动已知距离的时间来获得速度测量已知时间内粒子位移来获得速度测量统计的尺寸决定了空间分辨率最大的图象位移给出了空间分辨率测量时间长，实验消耗大测量时间短，实验消耗小对于粒子的跟随性要求相同选择的标准是什么？散射特性好跟随性好双腔的Nd：YAG激光器•脉冲光，10ns•能量高，50~1000mJ•频率较低，10~30Hz其它光源为什么要用脉冲光？3．图像记录•胶片式照相机•数码照相机（CCD,CMOS）4．图像处理：4．图像处理：4．图像处理：4．图像处理：1.杨式条纹法2.自相关方法3.互相关方法PIV图像分析过程示意图4．图像处理：4．图像处理：He－Ne激光器杨氏条纹观测平面CCD摄像机L1L2二维扫描移动支架三维扫描移动支架控制电机图像处理计算机PIV底片杨氏条纹法自动判读系统示意图4．图像处理：自相关(Auto-Correlation)方法两次Fourier变换的结果最大峰值和次大峰值之间的距离即为粒子的位移！自相关第二次FFT变换方向如何确定？有噪音后会是什么情况？互相关第三次FFT变换4．图像处理：互相关（Cross-Correlation）方法方向如何确定？有噪音后是什么情况？自相关和互相关的对比#空间分辨率高；#测量的动态范围大；#查问域的偏移量允许有更多的有效粒子对；#不需要像移装置。
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、全场速度测量方式，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有效价值。
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式。
PIV是流场显示技术的新进展。
它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处置技术进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势, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 既具有了单点测量技术的精度和分辨率, 又能取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，确实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，用成像的方式(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术取得各点粒子的位移，由此位移和曝光的时刻距离即可取得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)。
因采纳的记录设备不同, 又别离称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系统通常由三部份组成, 每一部份的要求都相当严格。
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。
除要知足一样要求( 无毒、无侵蚀、无磨蚀、化学性质稳固、清洁等) 外,还要知足流动跟从性和散光性等要求。
要使粒子的流动跟从性好, 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, 粒子选取的原那么为: 粒子的密度尽可能等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一样为拜m 量级。
经常使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, 最常利用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。
粒子成像测速
下图是PIV应用的简单原理图。散播在流场 中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光 束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全 反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度 的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区 域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成 像设备进行成像。对这个特定的区域在一定时间 间隔内利用激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒 子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两 个图像，对这两幅图像进行互相关分析,就能得 到流场内部的二维速度矢量分布。
粒子成像测速
粒子成像测速（ParticleImageVelocimetry,PIV） 作为一种新的流场测试技术，不同于传统的热线、 探针、雷达等测速方法，是能够在不扰乱流场的 情况下（非介入），迅速地捕捉到整个流场速度 信息的测量技术。它的出现为复杂流场的研究提 供了更直接有效的方法。本PPT主要介绍了粒子 成像测速方法的工作原理，核心技术，讨论了 PIV 技术的发展趋势。
示踪粒子投入到流场中后，必须被照亮后 才能被相机记录下来，因此对流场的照明也是 PIV 核心技术之一。而激光作为一种高能量密 度的单色光源，能够轻松地汇集成质量较好的 薄光片照明流场而不产生色差，是适用于PIV 优质光源。根据不同的应用场合，可以选取不 同的激光来更好的实现，一些经常被选用的激 光如下：氦-氖激光（λ=633nm）、铜蒸汽激 光（λ=510nm,578nm）、氩离子激光 （λ=514nm,488nm）、红宝石激光 （λ=694nm）以及半导体激光。
PIV是一种基于光学的速度测量技术， 主要是通过在流体中加入跟随流体运 动的示踪粒子，这些粒子在流经一个 特定平面时被连续照亮两次，利用照 相技术将被照亮的粒子记录起来，通 过图像的后处理，就能够得到粒子在 两次照亮的时间间隔中的位移，从而 得出流体的速度场。
粒子图像测速技术
热灾害实验技术粒子图像测速技术实验目的：测量流场的速度分布实验装置：摄像头，片光源，计算机实验原理与方法：互相关算法：根据DPIV 互相关算法理论，过一采样窗口，同一特定位置，可顺序获取两幅数字图像。
粒子的位移可从一幅图像到另一幅相对应的图像经互相关计算获得。
两幅顺序获取图像中相同位置的两个查问窗口函数 f(m ，n)和g(m ，n)，从信号系统的观点出发，g(m ，n)可以看作是f(m ，n)经线性转换后叠加以噪声而成，如图所示。
1、预先在流场中撒入一定浓度和大小的示踪粒子，用脉冲激光片光源照明二维流场，在垂直片光的方向上摄像，获得两次或者多次曝光的粒子图像。
2、对采取的图像使用Photoshop进行处理使之变成长宽为256x256的灰度图像，使用matlab和互相关算法编程，对图像进行处理，得到二维流场中速度矢量分布图。
实验结果：隔两帧得到的灰度图：得到速度矢量图如图所示：得到速度矢量图如图所示：源程序：function [XNum,YNum,AutoFlag]=g(a1,a2,OutFile) fid1=fopen('a1.jpg','r');fid2=fopen('a2.jpg','r');fid3=fopen('OutFile.jpg','w');XL=256;YL=256;frewind(fid1);Image1=fread(fid1,[XL,YL]);frewind(fid2);Image2=fread(fid2,[XL,YL]);WinSizeX=64;WinSizeY=64;DeltaX=16;DeltaY=16;XNum = (XL-WinSizeX)/DeltaX;YNum = (YL-WinSizeY)/DeltaY;a=3.4968e+006 +4.7425e-010i;frewind(fid3);for j1=1:YNum+1;for i1=1:XNum+1;CorrWin1=Image1((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);CorrWin2=Image2((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);F1=fft2(CorrWin1);F2=fft2(CorrWin2);S=F2.*conj(F1);Pks=ifft2(S);Pks=fftshift(Pks);Pks=Pks/a;if (i1==2)SURF(abs(Pks));pauseend[temp1,maxx]=max(Pks);[temp2,maxy]=max(temp1);if temp2==0.0 || abs(maxx(maxy)-WinSizeX/2-1)> WinSizeX/3.0 || abs(maxy-WinSizeY/2-1)>WinSizeY/3.0VX(i1,j1)=0;VY(i1,j1)=0;Corr(i1,j1)=0;elseTX=maxx(maxy);TY=maxy;Corr(i1,j1)=temp2;%---------用高斯拟合峰值的精确位置-----------y0=Pks(TX-1,TY); %横向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY);CX1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX,TY-1); %纵向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX,TY+1);CY1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX-1,TY-1); %第一对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY+1);CX2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX+1,TY-1); %第二对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX-1,TY+1);CX3=-(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY3=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));%--------------------------------------------------VX(i1,j1)=TX+CX1+CX2+CX3-WinSizeX/2-1;VY(i1,j1)=TY+CY1+CY2+CY3-WinSizeY/2-1;endX(i1,j1)=WinSizeX/2+(i1-1)*DeltaX;Y(i1,j1)=WinSizeY/2+(j1-1)*DeltaY;%if(abs(Corr(i1,j1))>abs(a))% a=Corr(i1,j1);%end;fprintf(fid3,'%8.2f,%8.2f,%12.6f,%12.6f,%8.2f\n',X(i1,j1),Y(i1,j1 ),VX(i1,j1),VY(i1,j1),Corr(i1,j1));end%j1end%aquiver(X,Y,VX,VY);fclose(fid1);fclose(fid2);fclose(fid3);cx=5;cy=5;sigma=0;for j1=1:YNum+1,for i1=1:XNum+1,sx=cx*abs(VX(i1,j1)-cx)/(cx*cx+cy*cy);sy=cy*abs(VY(i1,j1)-cy)/(cx*cx+cy*cy);sigma=sigma+sqrt(sx*sx+sy*sy);endendsigma=sigma*100/((XNum+1)*(YNum+1)); %百分比[s,errmsg]=sprintf('sigma=%f\n',sigma);s。
三维粒子图像测速
图4.4-2
互相关
To时刻图像
T1时刻图像
图4.4-3
互相关
在速度梯度为0时如图4.4-1所示， 也就是代表了流场无变形，互相关是 很好解决的，不会存在大误差。在速 度梯度不为0时如图4.4-2 图4.4-3所 示，流场有了变形，做互相关的两张 图像里的粒子形态也有了变形，这时 所做的互相关误差就比较大了。
三维重构
• 三维重构概念 • 三维重构之层析PIV • 沿相机视线画网格的网格模型
三维重构概念
• 三维重构是计算机视觉研究的主要内容，主要是从二维图像获取三维景物的 三维结构信息，其过程是一个复杂的逆问题，需要借助各种优化技术和射影 几何理论来解决，而且对噪声或离散化引起的误差极其敏感。 研究的主要内容是：1，三维到二维正变换 2，二维到三维的逆变换 3，虚像影子的认识 4，二维到三维的信息丢失
三维粒子图像测速技术工作模块示意图
三维粒子图像技术以三维重构技术为核心，建立起流场粒子三维结构分布。相机标定 是对三维粒子图像测速系统进行标定，提高精度。示踪粒子与流场，互相关息息相关。 互相关技术主要是通过互相关方法建立起粒子场的速度场。
相机标定
三维重构
示踪粒子
互相关
本文的工作任务如工作模块示意图所示，主要集中在最为复杂也是核心的三维重构技 术的研究。并做了相关的相机标定的研究与分析（本文的相机标定的主要工作皆由靳 秀青学姐所做），以及相关的互相关技术的研究。
互相关数值实验
乘法互相关公式： 减法互相关公式：
C(∆X, ∆Y) = ∑∑ f1(Xi ,Yj ) − f2(Xi +∆X,Yj +∆Y)
i=1 j=1 N N
C(∆ ,∆ )=∑∑f1(Xi,Yj )×f2(Xi +∆ , j +∆ ) X Y XY Y
粒子影像测速(PIV)技术概述
粒子影像测速(PIV)技术概述1.PIV技术介绍1.1.引言目前为止，人类对流体力学仍有许多疑难问题，如对湍流、非定常流动等现象了解甚少，而在许多工程应用如飞行器外形设计、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，因而使流场测量问题变得极为重要。
流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒测速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像测速PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。
LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但LDV只能实现单点测量。
PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。
PIV研究始于上个世纪80年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度已与LDV接近。
1.2.PIV原理图1是PIV 技术应用的简单原理图。
散播在流场中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成像设备进行成像。
对这个特定的区域在一定时间间隔内利用图1 PIV简单原理图激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两个图像，对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布。
在利用PIV 技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。
将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm 的片光源入射到流场待测区域,CCD 摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。
利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV 底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片) ,底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。
粒子图像测速技术的研究与应用
粒子图像测速技术的研究与应用随着科技的发展，测量粒子和流体速度的需求越来越多，而粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）作为一种全息、非接触、全场测量流体速度和颗粒运动的高速精密测量方法得到了广泛的应用。
一、粒子图像测速技术的原理和方法PIV技术基于成像法，利用高速摄像机记录流体中荧光微粒的运动图像，并通过处理荧光微粒的运动轨迹获得流体速度分布。
整个测量过程被分为两个步骤：荧光微粒标记和图像处理。
荧光微粒标记可以使用洛伦兹荧光微粒、纳米颗粒或者钴青天然磁性微粒等，这些微粒被注入到流体中并随之运动，拍摄到的图像经过处理后可得到流体速度平均值和方向。
图像处理可以采用相关方法、互相关法、小波变换等不同的算法，通过处理得到流体速度分布、涡量场和剪切应力等大量的物理量，并可以得到不同时间段内的流体运动轨迹等信息。
二、 PIV技术在流体力学和气象学中的应用PIV技术作为一种高速精密测量方法，在流体动力学和气象学领域得到了广泛的应用，具体有以下几个方面。
1. 流体动力学仿真与实验流体动力学是研究流体运动规律、流体力学特性以及流体与固体或流体与液体交互作用的学科。
PIV技术可用于流场定量表征、流体运动分析和涡旋识别等方面，尤其适用于分析颗粒物在流体中的运动行为。
同时，流体动力学仿真也可用PIV技术验证和修正模型。
2. 气象学观测PIV技术可以有效地研究大气速度、潜热通量等气象学参数，对气象、环境、应急预警等领域有着重要的应用价值。
3. 环境污染监测流体动力学方法可用于水流速度、水流压力的测量、以及水中污染物浓度和扩散规律的研究。
PIV技术可以准确地测量水流中的污染物流量、污染物分布情况和扩散规律，为环境污染监测提供了一种全新的手段。
三、 PIV技术的应用展望近年来，人们对PIV技术的应用发展提出了更高要求，需要能够更加精确、快速、实用和多样化地完成测量。
在此基础上，未来可望有以下方向的发展：1. 超高速PIV技术随着科技发展，各个领域对流体速度测量的需求不断增加，比如高速列车、飞行器等高速运动物体，需要测量的速度更高。
MicroVec-粒子图像测速(PIV)
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。
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。
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
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
粒子影像测速(PIV)技术概述
粒子影像测速(PIV)技术概述1.PIV技术介绍1.1.引言目前为止，人类对流体力学仍有许多疑难问题，如对湍流、非定常流动等现象了解甚少，而在许多工程应用如飞行器外形设计、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，因而使流场测量问题变得极为重要。
流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒测速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像测速PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。
LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但LDV只能实现单点测量。
PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。
PIV研究始于上个世纪80年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度已与LDV接近。
1.2.PIV原理图1是PIV 技术应用的简单原理图。
散播在流场中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成像设备进行成像。
对这个特定的区域在一定时间间隔内利用图1 PIV简单原理图激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两个图像，对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布。
在利用PIV 技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。
将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm 的片光源入射到流场待测区域,CCD 摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。
利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV 底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片) ,底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。
粒子图像测速系统(PIV)
PIV，全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。
该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。
近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
粒子图像测速系统（PIV）技术简介PIV 流速测量范围为0.02~ 500.00 m/ s。
在流体力学领域中，流场测量技术与流场理论研究相辅相成，共同推进本学科的前进与发展。
但是该研究领域中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流场测量技术的单点测量，已经不能满足人们对流体流动认知的需求。
这就需要新的流场测量技术，实现流场测量由单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展。
流场测量技术随着时代迅速发展，从20世纪初对湍流流动测量有开创性意义的热线热膜流速计（Hot Wire/Film Anemometer，HWFA）的出现。
到20世纪60年代，激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry，LDV）利用流场中粒子的Mie散射。
实现流场的无接触测量。
再到20世纪80年代，粒子图像测速技术（Particle ImageVelocimetry，PIV）实现了点向面的流场测量。
PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学（水和空气）测速方法。
可以在同一瞬时记录下大量空间上的速度矢量分布信息，并可以提供丰富的流场空间结构和流动特性。
目前，PIV技术也是在不断的发展，从一个切面发展到一个容积空间、从平面二维速度矢量的二维切片发展到二维切片内三位速度矢量、从瞬间速度场的测量发展到一个连续时间过程内的速度场测量。
粒子图像测速系统（PIV）的基本原理PIV技术的最基本原理是在待测流场中布散示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动，使用相机来记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，通过计算机的图像处理算法分析相机所拍摄的粒子图片，将示踪粒子的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。
PIV(粒子图像测速系统)
PIV（粒子图像测速）全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。
该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。
近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。
另外PIV 技术具有较高的测量精度。
由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。
PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。
若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。
因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。
在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。
通常在液体实验中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒，空气实验中使用烟雾或者粉尘颗粒（超音速测量使用纳米颗粒），微管道实验使用荧光粒子等。
通过使用西华数码影像（日本Seika公司）开发的PIV专用控制和分析软件Koncerto II，就可以完成测量与分析（详情可咨询武汉中创联达科技有限公司，网址：）。
其技术原理为：对在一定空间中的粒子使用片状激光在极短的时间内连续照射两次，并且使用高分辨率相机于继光同时拍摄，取得两个粒子群的图像。
通过PIV专有算法（互相关）分析该图像的同一区域（解析窗口）中的粒子，可以获得表示速度矢量的二维数据。
PIV不仅可以获得二次元的数据（2D2C），还可以通过使用立体拍摄来获得二维三分量（2D3C）数据。
粒子图像测速技术与应用
粒子图像测速技术与应用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种非侵入式流场测量技术，其原理是利用高速数字摄像机捕捉流体中由体积或表面轮廓的微粒所组成的图像序列，并通过计算处理来得到流体的速度场信息。
PIV技术的应用范围非常广泛，既可以用于研究天然流体运动现象，又可以用于工业流体力学领域的实验研究，还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。
1. PIV技术原理PIV技术主要基于两帧流场图像的匹配和计算，其中流体中的不透明微粒被认为是运动的跟踪标记。
首先，在被测流场中加入微粒探针，并用高速摄像机记录粒子在不同时刻的位置分布图像序列，然后通过图像处理技术，选定两个特定的时间点，提取出图像中的微粒位置，并进行匹配。
匹配后，根据匹配到的微粒在两个时间点的位置变化，即可得到流体中的速度矢量场分布。
最后，通过计算流体中的不同位置的速度值，得到流量、涡量、剪切应力等流体动力学参数。
2. PIV技术的应用2.1 工业流体力学领域PIV技术广泛应用于工业流体力学领域的实验研究，例如：航空、汽车等领域的气动力学研究。
在飞行器的设计和研发过程中，需要研究其外形对飞行性能的影响，包括气动阻力和升力，而PIV技术可以帮助识别飞行器表面的速度分布，为改善其性能提供参考。
同样，汽车的气动设计也需要通过PIV技术来评估不同外形对车速、空气阻力的影响。
2.2 医学、环境、生态研究PIV技术还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。
例如，PIV技术可以研究心脏壁的运动，进而分析心脏的收缩过程；还可以用于细菌、气溶胶等颗粒的测速和分布分析；在水流环境中，PIV技术可以帮助研究河流和海洋生态系统中的流体运动，以及水动力学问题，如洪水预警、海洋污染控制等方面。
3. PIV技术的优劣虽然PIV技术被广泛应用于流体力学领域中，但PIV技术本身存在一些局限性。
首先，由于流场中粒子的亮度和聚集程度可能受到流体物性、涡旋等因素的影响，粒子图像的质量会受到一定的影响，对测量结果的准确性产生影响。
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（a） 气压式粒子发生器原理图
（b） 气压式粒子发生器实物照片
图 3.1 气压式粒子发生器
3.1 超音速喷流试验
(A) 喷流试验光路布置 (B)喷流试验现场设备布置 图3.2 超音速喷流实验
实验照片
△T = 1 微秒
超音速喷流试验结果
Y(mm)
20
15
10
5
10
1520Biblioteka 25 X(mm)图 3.3 超音速速度向量场试验结果
激光片光
图3.12 漩涡分离器测量试验布置图
漩涡分离器试验结果
（a） 漩涡分离器截面等速度场
（b） 漩涡分离器截面等涡量场
图3.13 漩涡分离器试验结果
漩涡分离器试验结果分析
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
Y
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 20 40
X
60
80
100
体视成像（SPIV）原理
θ
α
图2.14平移机构体视PIV示意图
图2.15角移机构体视PIV示意图
体视成像（SPIV）校准原理
（a）网格校准板 标准图像
（b）左侧相机拍摄的图像 （C）右侧相机拍摄的图像
图 2.16 体视成像（SPIV）图像校准原理
体视三维PIV系统组成
3. DPIV系统的实际应用以及试验成果
2.2 DPIV系统的软件组成
图像辅助工具 图像显示采集
打开图像文件
满足试验要求
互相关 计算
不满足试验要求
保存图像文件
向量修正（人工/自动）
保存向量文件
打开向量文件
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
图2.2 DPIV系统软件组成
2.3 DPIV相关计算结果分析
图 2.4 二维相关函数分布图
图 1.1 DPIV系统介绍
1.1 PIV技术原理简介
1.2 PIV技术原理简介
（a）第一幅的判读小区
（b）第二幅的判读小区
（c）互相关计算的粒子位移
图 1.2 互相关粒子图像匹配示意图
2.1 DPIV系统的硬件组成
图 2.1 DPIV系统时序图
双脉冲激光器组作为照明 光源，产生照明流场的脉冲片 光源。 跨帧数字相机通过单次触 发瞬间捕捉两帧图像，保持与 脉冲激光器的完全同步。 同步控制系统保证各部分 协调工作。 图像板将数字相机的信号 数据实时的传输到计算机内存 中。 计算机用于存储图像采集 板提供的图像数据，通过粒子 图像测速系统软件可以实时完 成速度场的计算、显示和存储。
-0.3
-0.3
Y
-0.35
-0.4
-0.45
-0.5 0.7 0.8 0.9
Y
-0.4 -0.5
0.7
0.8
0.9
X
X
（a）等速度场和截面流线
（b） 等涡量分布图
图3.7 侧视螺旋破裂测量结果
侧视截面测量结果
-0.2
Speed 2.5 2.15 1.8 1.45 1.1 0.75 0.4 0.05 -0.3 -0.65 -1
（b） 等涡量分布图
图3.8 侧视泡状破裂测量结果
俯视截面测量结果
（a） 双涡等速度场
（b） 不同破裂径向速度分布分析
图3.9 俯视双涡测量结果
3.3大型水洞（1.2×1.0）校测试验
（a） 预偏置算法
（b） 水洞校测光路布置
图3.10 水洞校测试验
水洞校测试验结果
(a) u=0.1m/s等速度场流线图（无偏置）
超音速喷流试验结果
Y(mm)
20
SP EED 472.405 461.773 451.14 440.508 429.875 419.243 408.61 397.978 387.345 376.713 366.08 355.447 344.815 334.182 323.55 312.917
15
10
粒子图像测速技术 （PIV）应用
北京立方天地科技发展有限公司
内容简介
1. 引言：简要介绍PIV技术的发展现状及其应用 2. DPIV系统的硬件和软件组成以及各部分功能 3. 部分DPIV系统的实际应用以及试验成果： （1）超音速喷流试验 （2）三角翼前沿涡破裂研究 （3）水洞流场DPIV校测（4）漩涡分离器试验研究 （5）其它试验研究（6）体视三维测量验证实验 4. 浓度场分析功能介绍 5. 颗粒粒度测量功能介绍
5
10
15
20
25 X(mm)
图 3.4 超音速等速度场试验结果
超音速喷流试验结果
3.2 三角翼前沿涡破裂研究试验
作为双立尾型号飞行器存在抖振关键问题为背景设计了76°三 角后略机翼模型见图3.6。对其存在的非对称非定场分离涡开展了 流动显示和DPIV的速度场定量测量，试验在大型水洞中进行。分 别进行了迎角α=35°下，通过分离涡涡轴的俯视切面和侧视切面的 流动显示和速度场定量测量。
1. 引言
3Dt-3C (PIV*) 3D-3C (PIV) 2Dt-3C (PIV) 2D-3C (PIV) 2Dt-2C (PIV) 2D-2C (PIV)
Velocity Components v w
u
Z
Space
3C LDV
2C LDV
LDV
Y X
time
t
速度场测量方法简介
1.1 PIV技术原理简介
3.8 体视三维测量标定实验
平移1mm测量标定实验
3.8 体视三维测量标定实验
轴向转动测量标定实验
4. 浓度场分析功能介绍
漩涡流场浓度场分析实验
5. 颗粒粒度测量功能介绍
颗粒粒度分析实验
The End ! 结束放映！ 谢谢各位 老师 领导！
2.4 DPIV系统软件界面
图2.5 DPIV系统软件界面
2.5 DPIV系统软件主要功能介绍
图2.6 DPIV系统功能快捷键
相关计算测量精度
图2.13（a）人工旋转速度场结果
图2.13 （b）过圆心速度场分析曲线
对人工旋转1.5 °的粒子图像计算结果的误差分析如图2.13所示（图（b） 为经过中心点延径向的速度分布以及线性拟合直线），经过线性拟合后，实 际计算结果的线性相关度为0.99964，全部结果的标准误差为0.3(像素)。
120
（a） 截面极限环
（b） 过涡心径向速度分量分布
图3.14 截面极限环和径向速度分布
3.5 水管锥阀试验结果分析
圆锥阀
图3.15 其它试验结果分析
3.6 激光加工送粉器出口流场研究
3.7 沙漠颗粒沙漠化研究
风速10m/s的PTV计算结果（直径在0.1-0.6毫米颗粒运动速度大小：红 色为0.1-0.4毫米颗粒，绿色为0.4-0.5毫米颗粒，蓝色为0.5-0.6毫米颗粒）
图 3.5 三角翼侧视平面图
图 3.6 侧视切面测量试验现场(Re=22500)
三角翼前沿涡破裂研究照片
侧视截面测量结果
-0.2
S pe ed 2.5 2.15 1.8 1.45 1.1 0.75 0.4 0.1 -0.1 -0.3 -0.65 -1
-0.2
-0.25
Vor 0.18 0.14 0.1 0.06 0.02 -0.02 -0.06 -0.1 -0.14 -0.18
(b) u=0.1m/s等速度场流线图（有偏置）
图3.11 水洞校测试验结果
3.4 漩涡分离器试验研究
出气口
进气口
漩涡流场是一种广泛存在 的流动现象，在许多工业领域 已经广泛利用了这种流场的特 点和作用。尤其是漩涡分离器 是工业除尘和颗粒分级等设备 中的核心部件，研究这种漩涡 的机理，对于优化器件的设计， 提高分离器工作效率非常重要。
-0.2
-0.25
-0.25
Vortex 0.18 0.14 0.1 0.06 0.02 -0.02 -0.06 -0.1 -0.14 -0.18
-0.3
-0.3
Y
-0.35
-0.4
-0.45
-0.5 0.7 0.8 0.9
Y
-0.35 -0.4 -0.45 -0.5
0.7
0.8
0.9
X
X
（a）等速度场和截面流线