图像测试技术习题.docx

PIV测试技术原理与最新进展 流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒  LDV(LaserDoppler Velocimetry)  、PIV(ParticleImageVelocimetry)  等技术。LDV的综合性能 较高，拥有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，往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、动向、非接触测量手段，已获得 宽泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽焚烧及喷射等实验中。PIV研究始于上个 世纪80年月，随着光学和计算机图像办理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进 步，测量精度和容积率与LDV靠近。很多研究成就已实用化，特别是惯例二维PIV 相当作熟。技术进步新的要求和流场测速新课题的挑战不断出现，急迫需要三维 PIV的深入研究。虽然三维PIV更具实际意义，但要实现对流场的三维速度测量， 技术更复杂、要求更高、更严格。目前，三维PIV研究进展快速，主要体现在对流 场切面刹时、连续的或某个容积内刹时的三维速度测量，实测效果优秀。已出现的三维PIV主要有以下几种:PIV、PTV和全息(HPIV)等。 外国在PIV研究领域起步较早、技术先进，很多研究成就商用化、产品化。 国内研究总体不及外国，成就转变相对滞后，但研究对象波及了几乎所有的PIV课题。本文针对PIV技术，重点介绍三维PIV原理和实现方法，并剖析了三维PIV研究的若干进展。 一、PIV原理 在被测流场中布撒示踪粒子，在激光片光源照射下，利用图像记录设施连续 获得时间序列图像。应用图像办理算法，获得粒子在图像上的位移。当已知曝光间 隔时间t=t2-t1时，获得粒子在图像上的平均速度V，其原理如图1所示。考虑系统光学放大倍率后，就能计算出粒子实际速度。如果t很小，可用该速度近似粒子在t1时刻地点的刹时速度。因此，PIV测量以平均速度代替刹时速度，示踪粒子速度代替所在地点的流场速度。 PIV系统框图如图2所示，其实现过程一般分为三步：经过硬件设施采集流 场图像，应用图像办理算法提取速度信息，显示流场的速度矢量散布。影响  PIV测 量的因素众多并相互作用、相互管制，需综合考虑，实现高精度  PIV  测量难度较 大。 （1）流场图像采集。PIV系统的硬件主要有激光光源、协助光学元器件、相 机、同步器、示踪粒子和图像办理设施如PC机等。多半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(GraphicPIV)，不单后续办理耗时且繁琐，也不能结共计算机图像办理技术。 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(DigitalPIV)。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重点因素。为了使粒 子的运动能够代表流场的真切流动，对示踪粒子的直径大小、密度、形状、光散射 性能、播撒平均性及浓度(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拥有较好的跟从性，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。 （2）速度信息获取。当获得流场图像后，PIV在本质上转变为图像办理技 术。经过相机标定、滤波等预办理后，经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散布。计算粒子在图像上的位移是最重点的环 节，也是PIV研究的难点。最早采用光学杨氏条纹法、自有关法等来匹配粒子图 像，但本身拥有不可战胜的缺点。目前，PIV算法一般采用灰度图像互有关法办理 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算法对单颗粒子辨别、追踪并计 算位移，粒子匹配率和空间分辨率较低，可经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。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。 3）速度矢量场显示。经过误配矢量(人工或算法自动)剔除后，获得最终数据并显示，必要时还可使用插值算法以获得更浓密的速度矢量散布。流动测量新课题对PIV技术提出更高要求，促进PIV研究迈向新的高度，在动向范围、测量精 度、测量时间、粒子布撒技术和图像办理算法等方面仍存在需要研究和改良的地方。目前，PIV研究起码在以下几个方面持续深入，这些工作的进展和打破，依靠于硬件设施的提升、新方法的研究和应用。 ①完善二维PIV。近几年来，惯例二维PIV的研究重点是发展高精度、强壮的粒子像平面位移估算方法。比如，图像匹