粒子影像测速PIV技术概述
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。
piv技术的原理与应用
PIV技术的原理与应用1. 什么是PIV技术？PIV（Particle Image Velocimetry）技术是一种用于测量流体中速度变化的光学测量技术。
它基于成像和粒子追踪的原理，通过记录流体中的颗粒运动轨迹，从而推断速度信息。
PIV技术可以应用于多个领域，包括流体力学研究、流体工程、航空航天等。
2. PIV技术的原理PIV技术的原理基于两个主要步骤：成像和粒子追踪。
2.1 成像在PIV实验中，成像是通过激光束照射流体中的颗粒，形成一个平面投影，并利用高速摄像机记录下颗粒的图像。
成像过程中需要注意以下几点：•使用适当的激光光源，以确保产生足够能量的光线来照亮流体中的颗粒，同时避免对流体的影响。
•选择适当的摄像机来记录图像。
高速摄像机通常具有较高的帧率和分辨率，可以捕捉到颗粒的快速运动。
2.2 粒子追踪粒子追踪是PIV技术中的核心步骤，它通过分析颗粒在连续图像帧中的位移来推断流体的速度。
粒子追踪主要包括以下两个步骤：•特征提取：在每一帧图像中，使用适当的特征提取算法找到颗粒的位置。
常用的特征提取算法包括亮度加权相关方法和互相关方法。
•位移估计：通过对颗粒在不同帧之间的位移进行比较，可以估计出流体的速度。
位移估计通常使用相关与平均方法或剪切相关方法。
3. PIV技术的应用PIV技术以其快速、非侵入性和高精度的特点，得到了广泛的应用。
以下是PIV技术在不同领域中的应用示例：3.1 流体力学研究PIV技术在流体力学研究中起着至关重要的作用。
通过使用PIV技术，研究人员可以获得流体中不同位置的速度分布和涡旋结构等信息。
这有助于深入了解流体运动的本质，优化流体系统的设计。
3.2 流体工程PIV技术在流体工程中的应用非常广泛。
例如，在风洞实验中，通过使用PIV 技术，可以获得飞机在风中的速度分布和风阻等参数。
这对于飞机设计和气动性能评估非常重要。
3.3 航空航天PIV技术在航空航天领域中也有广泛的应用。
例如，在火箭推进系统中，PIV 技术可以帮助研究人员分析燃烧室内的流动特性，优化燃烧效率。
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。
动测量技术。
综合了单点测量技术和显示测量技术的优点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。
的整体结构和瞬态图像。
图1. 粒子图像测速技术粒子图像测速技术2．PIV PIV的原理的原理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 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 PIV系统组成系统组成PIV 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。
每一部分的要求都相当严格。
图2. 粒子图像测速系统结构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、化学性质稳定、清洁等清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。
还要满足流动跟随性和散光性等要求。
要使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。
piv测速原理
piv测速原理Piv测速原理。
PIV（Particle Image Velocimetry）是一种流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场。
它通过在流体中注入颗粒或在流场中存在颗粒的情况下，利用高速摄像机拍摄颗粒图像，进而获取流场速度信息。
PIV技术在流体动力学、空气动力学、生物力学等领域广泛应用，成为研究流体运动的重要手段之一。
PIV测速原理的基本思想是利用颗粒在流场中的运动来推导流体的速度场。
首先，在流体中加入颗粒示踪剂，这些颗粒要足够小，以至于它们的质量对流体的运动不会产生显著影响。
然后，利用激光或者其他光源照射流场，使颗粒产生光斑，再利用高速摄像机拍摄颗粒图像。
最后，通过对连续两帧图像进行处理，可以得到颗粒的位移，从而计算出流场的速度分布。
PIV测速原理的关键在于对颗粒图像的处理和分析。
首先，需要对拍摄到的颗粒图像进行预处理，包括去噪、增强对比度等操作，以便更准确地提取颗粒的位置信息。
接着，利用相关算法或者其他图像处理方法，对两帧图像进行匹配，得到颗粒的位移矢量。
最后，通过位移矢量的计算，可以得到流场中各点的速度信息。
PIV测速原理的优势在于可以在短时间内获取大范围流场的速度信息，且不需要干涉流场，对流体运动不会产生影响。
同时，由于可以获取流场中每个点的速度信息，因此可以对流体运动进行全面的分析和研究。
此外，PIV技术还可以应用于多相流、湍流等复杂流动情况下的速度场测量，具有广泛的适用性。
然而，PIV测速原理也存在一些局限性。
首先，颗粒图像的处理和分析需要较为复杂的算法和技术，对于图像质量和颗粒分布有一定要求；其次，颗粒图像的拍摄需要高速摄像机和高功率激光等设备，成本较高；最后，对于流体中速度梯度较大的情况，PIV技术可能会出现测量误差。
总的来说，PIV测速原理是一种重要的流体力学实验技术，通过对颗粒图像的处理和分析，可以获取流场的速度信息。
它在流体力学研究、流体工程、空气动力学等领域具有广泛的应用前景，对于理解流体运动规律、优化流体设备等具有重要意义。
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。
PIV技术简介
PIV(微粒成像速度测量技术）简介39051414 孙飞介绍：PIV是一种测量平面上不同位置瞬时气流速度的技术。
工作原理很简单，在流场中布撒大量反光的示踪粒子，然后用平面光去照射测量平面上的微粒，同时用相机采取两个曝光位置对平面照相。
两次照相应该在短的时间间隔内进行，可以将同一个粒子进行两次照射，这两次照射可以作为一个图的两个不同角度，也可以算作两个图的不同角度，他的工作原理是根据自动关联技术而来的，它的结果并不是很清楚，所以在使用这样的技术时，气流只能在一个方向流动，所以利用两个图的技术应用的更加广泛，下文就是关于这项技术的简介。
测量技术：为了对流场进行拍照，需要在流场中布撒反光微粒。
微粒的大小应能随流场流动并反射足够的光。
总体来说PIV技术相较LDV（激光多普勒测速）技术需要更大密度的反光粒子。
比较好的是经验法则是每个待测速度向量上有10个微粒。
平面光：以下两幅图片展示的分别是PIV技术的设置过程和激光的安装过程，即将被测量的平面要首先被光照射，经常用脉冲Nd:Y AG激光源做光源，因为它具有高光强。
每束脉冲激光发射前都需要一定时间积累能量，所以PIV的两幅图只能在一个极短的时间间隔内拍摄。
因此，PIV中常用双腔激光器。
激光脉冲的持续时间为5-10ns，每个脉冲中的能量可以高达400mJ。
Nd：YAG激光器可以发射波长为1064nm的处于红外波段的激光。
而这样的波长也会造成一些弊端，因为大部分的相机更容易捕捉到蓝绿之间的波段，另一个弊端使我们不能直接看到上面的光，所以这就需要我们用谐波发生器将Nd:Y AG激光源的波长平均分成532的两部分，而这种方法并不一定完全有效，所以还需要一个分离器和红外线转存器来去掉剩余的光，激光器发出的激光束具有轴对称结构，因此需要让其通过圆柱形的镜片以形成二维的平面光。
相机：PIV技术需要的相机具有很高的要求，特别是在流体的速度很快，区域很小，具有反光粒子的情况下。
PIV原理及其应用
PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。
它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。
PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。
具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。
2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。
由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。
3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。
通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。
4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。
可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。
PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。
通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。
2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。
这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。
3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。
涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。
4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。
piv粒子测速仪技术参数
piv粒子测速仪技术参数
PIV（Particle Image Velocimetry）粒子测速仪是一种常用的
流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场分布。
以下是一些常
见的 PIV 粒子测速仪的技术参数：
1. 分辨率：PIV 粒子测速仪的分辨率是指它能够检测到的最小
速度变化。
通常以像素/距离的形式表示，例如 1 pixel/mm。
2. 采样率：采样率指的是测速仪在单位时间内进行测量的次数。
它决定了测速仪对流体速度变化的响应能力。
3. 测量范围：测量范围是指测速仪可以有效测量流体速度的区
域大小。
它通常由测速仪的光学系统和图像传感器决定。
4. 粒子浓度：粒子浓度是指在测量中所使用的示踪粒子的浓度。
适当的粒子浓度可以提高图像的质量和测量的准确性。
5. 曝光时间：曝光时间是指光源照射示踪粒子的时间。
适当的
曝光时间可以保证图像清晰度和示踪粒子的轨迹清晰可见。
6. 图像处理算法：PIV 粒子测速仪通常使用图像处理算法来分析图像序列，提取流体速度信息。
常见的算法包括互相关算法和基于相关峰的算法。
这些是一些常见的 PIV 粒子测速仪的技术参数，不同型号的测速仪可能会有一些差异。
在选择和使用 PIV 粒子测速仪时，需要根据实际需求和实验条件来确定合适的技术参数。
PIV实验技术报告
PIV实验技术报告摘要：本文介绍了PIV（粒子图像测速）实验技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。
通过PIV实验，可以精确地测量流体介质中的速度分布，并对流场的运动特性进行分析和研究。
实验结果表明，PIV技术是一种高精度、高分辨率的流场测量方法，对于流体力学研究和工程应用具有重要意义。
1.引言粒子图像测速(PIV)是一种用于测量流体介质中速度场分布的非接触式测量方法。
它通过在流场中添加颗粒或通过实验液体中的已有颗粒来测量流场中颗粒的运动轨迹，并利用计算算法来获得流场中的速度矢量场。
本文主要介绍PIV技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。
2.原理PIV实验的基本原理是通过拍摄两幅连续时间间隔极短的图像，再通过计算机处理这两幅图像来获得流场速度分布。
实验中，通过成像装置将流场中的颗粒的二维图像记录下来，并通过图像处理软件对这些图像进行处理，得到颗粒运动的位移信息。
根据颗粒在两幅图像中的位置变化以及两幅图像之间的时间间隔，可以计算出流场中颗粒的平均速度。
3.仪器设备PIV实验所需的主要仪器设备有：激光器、摄像机、成像装置、实验容器和图像处理软件。
激光器用于提供激光光源，摄像机用于捕捉流场中颗粒的图像，成像装置用于将颗粒的图像传送给摄像机进行记录，实验容器用于容纳流体介质，图像处理软件用于对图像进行处理和分析。
4.实验过程PIV实验的基本步骤包括：实验准备、实验装置安装、调试系统、进行实验和数据处理。
实验前需要根据具体情况选择合适的颗粒，并进行流动性能测试以确定实验参数。
然后需要根据实验要求进行装置安装和调试，确保实验装置的稳定性和准确性。
实验过程中，通过激光照射流体中的颗粒，并通过摄像机记录颗粒的图像。
最后，通过图像处理软件对图像进行处理和分析，得到流场的速度分布数据。
5.数据处理方法PIV实验得到的数据需要经过一系列处理方法来提取有用的流场信息。
数据处理方法包括：图像预处理、图像匹配、自相关分析、位移矢量计算和速度矢量分析。
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。
采用粒子图像测速的表面流场分析方法
采用粒子图像测速的表面流场分析方法粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种常用于流体动力学研究中的图像测量技术。
它能够快速、精确地测量流场速度和涡旋结构，其测量过程精度高，对于表面流场的分析也有着广泛的应用。
本文将会介绍PIV的原理、应用以及近几年来在表面流场分析方法中的应用。
1. PIV原理PIV的测量原理基于拉格朗日法，通过在流体中注入小颗粒后，记录颗粒在流场中的轨迹，从而计算出流场在不同位置和不同时间的速度。
具体来说，PIV通常分为两步，首先在流场中瞬间释放小颗粒（如白砂糖或者微小的聚合物胶体颗粒），然后使用激光束成像记录颗粒在流场中的运动。
当颗粒在激光束的照射下进入相机视野后，由于两个相邻的画面之间存在时间差，因此可以通过计算这两个画面中颗粒的平移距离以及时间间隔来获取流场速度。
2. PIV应用PIV技术在流体动力学领域广泛应用。
例如，在飞行器研究中，PIV可以用于测量飞行器表面流场速度、压力分布以及涡旋结构等信息，帮助研究人员更好地了解飞行器表面的流体动力学特性。
此外，在医学和生物领域，PIV也被广泛应用于心血管系统、气管、血管等生物组织的流体力学研究。
3. 表面流场分析方法表面流场分析是研究流体运动和压力分布的一种技术。
在实际应用中，如果需要确定液体表面的流动方式以及液体表面的涡旋结构等信息，则需要采用表面流场分析方法。
表面流场分析方法通常采用PIV技术对表面流场进行流量和速度测量，同时采用激光诱导荧光技术记录表面液体温度和颜色等参数来计算表面流场的各种参数。
例如，当需要观察液面上的涡旋结构时，可以使用PIV技术在表面释放颗粒，然后通过计算颗粒的位移和时间等信息来分析涡旋结构。
现有研究中，PIV技术已被应用于表面涡旋结构的几乎所有领域，例如：海洋、湖泊、河流等水体表面的涡旋动力学的实时测量；风力涡旋、暴风雨和极端天气等极端气象条件下的表面流场分析；以及在泵和离心机等机械的设计中应用的表面流场分析。
piv粒子的斯托克斯数
Piv（粒子成像测速）是一种用于测量流场速度的瞬态、多点、无接触式的光学测量技术。
Piv测速的原理是通过在被测流场中布撒示踪粒子，并在激光片光源的照射下，利用图像记录设备连续获得时间序列图像，再运用图像处理算法，得到粒子在图像上的位移。
斯托克斯数（Stokes Number）是一个描述粒子在流场中行为的重要参数，其定义是粒子弛豫时间与流场特征时间之比。
对于Piv测量中的示踪粒子，斯托克斯数决定了粒子在流场中的跟随性和散射特性。
当斯托克斯数较小时（Stokes Number<<1），粒子能够很好地跟随流场流动，不会对流场产生显著的干扰，此时可以认为粒子速度与流场速度基本一致。
这种情况下，Piv 测速的结果能够较为准确地反映流场速度分布。
当斯托克斯数较大时（Stokes Number>>1），粒子在流场中表现出较强的散射特性，其运动受到流场的显著影响，不再是单纯的跟随流场流动。
此时，Piv测速结果可能会受到粒子的散射效应影响，导致测量结果出现偏差。
因此，在选择Piv测速的示踪粒子时，需要充分考虑其斯托克斯数的大小，以确保粒子在流场中具有良好的跟随性和散射特性，从而获得准确可靠的测量结果。
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粒子测速仪技术参数
piv粒子测速仪技术参数Piv粒子测速仪技术参数一、引言Piv粒子测速仪是一种用于测量流体中粒子速度和流场特性的先进仪器。
它通过激光照射和相机捕捉图像的方式，对流体中的微小颗粒进行跟踪，从而获得粒子的运动轨迹和速度信息。
本文将介绍Piv粒子测速仪的技术参数，包括分辨率、测速范围、测速精度、采样率和测量原理。
二、分辨率Piv粒子测速仪的分辨率是指其能够分辨的最小距离或最小尺寸。
一般来说，分辨率越高，粒子测速仪能够捕捉到更小的颗粒并更准确地测量其速度。
常见的Piv粒子测速仪分辨率范围在1-100像素之间，根据实际需要选择合适的分辨率。
三、测速范围Piv粒子测速仪的测速范围是指其能够测量的粒子速度范围。
不同型号的Piv粒子测速仪测速范围不同，一般可达0.1 m/s至100 m/s。
此外，还有一些高速型号的Piv粒子测速仪，可以测量更高速度范围的粒子。
四、测速精度Piv粒子测速仪的测速精度是指其测量结果与真实值之间的偏差。
测速精度受多种因素影响，包括光学系统的精度、图像处理算法的准确性等。
一般来说，Piv粒子测速仪的测速精度可以达到百分之一到百分之几。
五、采样率Piv粒子测速仪的采样率是指每秒钟测量的图像帧数。
采样率越高，可以提供更多的数据用于分析和处理。
常见的Piv粒子测速仪采样率在1 kHz至10 kHz之间，高速型号的Piv粒子测速仪采样率可达几十kHz。
六、测量原理Piv粒子测速仪的测量原理基于散射光的特性。
当激光照射到流体中的微小颗粒上时，颗粒会散射出光线，并形成一个散射光斑。
通过记录颗粒在不同时间间隔内的散射光斑位置，就可以计算出颗粒的位移和速度。
Piv粒子测速仪通常使用两个相机同时记录两个不同时刻的散射光斑图像，然后通过图像处理算法计算出颗粒的速度。
七、应用领域Piv粒子测速仪广泛应用于流体力学、空气动力学、水力学等领域的研究中。
例如，在风洞实验中，可以使用Piv粒子测速仪来测量飞行器表面周围的气流速度，从而评估其气动性能。
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。
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。
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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、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。
整个待测区域包含了大量的示踪粒子,很难从两幅图像中分辨出同一粒子,从而无法获得所需的位移矢量。
采用图像处理技术将所得图像分成许多很小的区域(称为查问区),使用自相关或互相关统计技术求取查问区粒子位移的大小和方向,脉冲间隔时间已设定,粒子的速度矢量即可求出(见图2) 。
对查问区中所有粒子的数据进行统计平均可得该查问区的速度矢量,对所有查问区进行上述判定和统计可得出整个速度矢量场。
在实测时,对同一位置可拍摄多对曝光图片,这样能够更全面、更精确地反映出整个流场部的流动状态。
图2 PIV测速原理PIV 测速是基于最直接的流体速度测量方法。
在己知的时间间隔Δt ,流场中某一示踪粒子在二维平面上运动,它在x 、y 两个方向的位移是时间t的函数。
该示踪粒子所在处流体质点的二维速度可以表示为：式中,,为流体质点沿x 、y 方向的瞬时速度,,为流体质点沿x 、y 方向的平均速度,Δt为测量的时间间隔。
上式中,当Δt 足够小时,,的大小可以精确地反映,。
PIV 技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。
1.3.PIV系统PIV 系统框图如图 3 所示,其实现过程一般分为三步:通过硬件设备采集流场图像,应用图像处理算法提取速度信息,显示流场的速度矢量分布。
影响PIV 测量的因素众多并相互作用、相互牵制,需综合考虑,实现高精度PIV 测量难度较大。
图3 PIV系统框图一、流场图像采集。
PIV 系统的硬件主要有激光光源、辅助光学元器件、相机、同步器、示踪粒子和图像处理设备如PC 机等。
多数PIV 系统仅能截取流场的某个切面进行测量,需采用激光片光源照明流场。
早期的相机使用胶片记录粒子图像(Graphic PIV) ,不仅后续处理耗时且繁琐,也不能结合计算机图像处理技术。
近年来,随着高分辨率、高速相机的性价比不断提高,数字式CCD 相机已占主导地位(Digital PIV) 。
高能、高频脉冲式激光器的应用则要求光源和相机在同步器的控制下配合工作。
示踪粒子的选择和布撒是获取流场图像的关键因素。
为了使粒子的运动能够代表流场的真实流动,对示踪粒子的直径大小、密度、形状、光散射性能、播撒均匀性及浓度(根据流场中粒子浓度高低可分为不同模式:LSV、PIV 和PTV ,统称为PIV 技术) 等都有要求,保证粒子对流动介质具有较好的跟随性,并获得高质量的粒子图像。
在某些特殊场合,可利用流场本身含有的微小颗粒作为示踪粒子。
二、速度信息获取。
当得到流场图像后,PIV 在本质上转化为图像处理技术。
经过相机标定、滤波等预处理后,通过粒子匹配算法获得粒子在像平面上的位移,进而计算出粒子的运动速度矢量分布。
计算粒子在图像上的位移是最关键的环节,也是PIV 研究的难点。
最早采用光学氏条纹法、自相关法等来匹配粒子图像,但本身具有不可克服的缺点。
目前, PIV算法一般采用灰度图像互相关法处理粒子图像,粒子匹配率和精度较高。
PIV 算法用粒子簇的运动代替点运动,适合于粒子浓度较高、粒子簇速度变化不大的场合。
PTV 算法对单颗粒子识别、跟踪并计算位移,粒子匹配率和空间分辨率较低,可通过减小粒子体积来提高空间分辨率,但同时会降低粒子的散射光强。
比较常用的PTV 算法有:BICC ,VGT ,SPRING,42FRAM。
其他还有正在发展的粒子匹配算法有拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类方法等。
三、速度矢量场显示。
经过误配矢量(人工或算法自动) 剔除后,得到最终数据并显示,必要时还可使用插值算法以获得更稠密的速度矢量分布。
1.4.PIV技术的发展流动测量新问题对PIV技术提出更高要求，促使PIV研究迈向新的高度，在动态围、测量精度、测量时间、粒子布撒技术和图像处理算法等方面仍存在需要研究和改进的地方。
当前，PIV技术在以下几个方面继续深化。
一、完善二维PIV。
近几年来，常规二维PIV的研究重点是发展高精度的粒子像平面位移估算方法。
例如，图像匹配策略和各种提速算法，减小测量误差；采用亚像素定位方法提高位移估计精度，提高粒子像中心定位精度；使用形变窗口提高精度和分辨率。
二、多相流PIV。
由于大量多相流动现象的存在，发展多相流PIV成为必然趋势。
需要改进普通PIV技术，选择合适的示踪粒子和恰当的照明方式。
先转化为单相，利用已有技术分别对单相粒子图像进行处理，分离和转换多相流的粒子图像是关键。
三、微型PIV。
实现对微小尺度流动的速度场测量，可满足微机械系统(MEMS)、生物芯片等研究的需要。
其原理和普通PIV相同，但在流场照明方式、粒子布撒、图像获取以及匹配算法等方面存在较大差别。
四、三维PIV。
主要针对切面三维速度场及某个容积三维速度场的测量。
前者的技术较为成熟，后者的难度高于前者，特别是空间三维连续速度场测量技术的难度最大，对诸如非定常、非周期体三维流动研究具有重要现实意义。
2.三维PIV技术2.1.三维PIV技术简介当前的许多新课题以三维流动为对象，因而更加迫切需要深入开展三维PIV研究，以更好地揭示流场部复杂的三维结构，更深刻地反映流场的流动机理，从本质上反映流场的性质。
按照光源对流场的照明方式，现有的三维PIV技术可分为两大类：一是对某个切面三维速度的测量(2D-3C PIV，片光照明)，目的是在提取切面二维速度分量的同时获得第三个空间速度分量；另一种技术是测量某个容积体流动的三维速度(3D-3C PIV，体积光照明)，实现真正意义上的全场三维PIV。
可以根据相邻切面的二维速度场，运用三维流动的连续性方程计算出切面法线方向的第三个速度分量，这种方式本质上仍属于二维PIV方法。
目前，三维PIV的主要思路是计算粒子的三维空间坐标，经过粒子匹配后，再根据三维空间位移，获得粒子的三维速度矢量。
2.2.2D-3C PIV原理理论上讲，从不少于两部相机的粒子图像中才能提取第三个速度分量。
多数采用两部相机两光轴的构成形式，模仿人眼双目测距原理，根据成像几何关系，计算粒子的空间坐标。
如图4所示，分别表示左右相机的光学中心，f为焦距。
P点代表被照明的真实粒子，在三维空间坐标系下的坐标为()，在像平面像素坐标系中的坐标为(u,v)。
图4 2D-3C PIV原理图几何共线方程(粒子中心、相机光学中心和粒子像中心在一条直线上)是其理论基础，反映了相机像平面坐标与三维空间坐标的映射关系，矩阵表达式为：简记为。
其中，K为像平面坐标向量，是被照明粒子的空间坐标向量。
、分别由相机的外部参数决定。
首先标定相机，确定出相机的外参数。
在式中，若知道粒子的空间坐标和图像坐标，即已知K 和，求M，这是相机的标定过程。
左右相机的标定是分别进行的，所有相机具有和式中相类似的表达式。
测量时，K和M已知，求解获得粒子的空间坐标。
设粒子在不同时刻的空间坐标为(，，)和(，，)，则它的三维速度是：方向由时刻位置指向时刻位置。
2.2.3D-3C PIV技术由于相机基于针孔模型，物平面和CCD像平面是聚焦成像关系，离开物平面且位于景深围的粒子在像平面上是像斑图像，之前所述的片光定义的物平面和相机像平面的几何投影关系不再适用。
下面简单介绍两种体流动三维速度测量方法。
一、透视体三维PIV技术图5为透视三维PIV坐标系图，双相机呈正交关系放置。
以物平面为参考平面，取一定深度的景深围构成测量区域。
对于左相机，透视射线经过光学中心，和参考平面上的像斑，则粒子必位于射线上，具体空间坐标由该射线和平面的交点()确定。
同理，该粒子在右相机形成的透视射线和平面的交点为()。
理论上讲，这两点应合为一点。
实际测量时，因各种误差的存在，使得两条射线不能严格相交。
此时可将两射线的最短距离作为和是否匹配的判据。
相机经过标定后，由上述点线面的空间几何关系可推导出粒子的空间坐标。
图5 透视三维PIV示意图二、散焦三维PIV技术散焦三维PIV技术（DDPIV）的数学模型如图6所示，参考平面即是物平面，可成像区域Z min=d(L-c)／(c+d)。
测量区域(边长为c的矩形)的粒子P在CCD像平面上不再聚焦成像，而是在透镜后面模板的作用下，成为两个粒子像斑P’和P”，它们的距离b和粒子在Z轴的深度成函数关系。
若采用两孔模板，粒子在参考面前后景深围的两个位置会在像平面上形成相同的像斑分布(参考面前靠近透镜方向位置的散射光成像后汇聚，参考面后位置汇聚后成像)，造成对粒子Z轴深度的歧异理解。
可使用三孔模板克服这个问题，如图7所示。
与此相应，在实测中采用三部相机代替三孔模板。
图6 散焦PIV光学模型图7 三孔模板2.3.3D-3C PIV应用举例3D-3C PIV在各个流体力学研究领域均在显示流动信息方面有重要的作用，下面的例子是其在医学领域的应用，用于测量人造心脏瓣膜附近的流动特征。