三维粒子图像测速
体三维3D3C粒子图像测速仪技术参数 .doc
体三维3D3C粒子图像测速仪技术参数一、仪器主要功能：1.1 可进行气流、液流场内部流动测量和结构研究。
1.2可进行流场的平面二维（2D2C）、平面三维（2D3C）速度场分析和体三维（3D3C ）速度场分析。
1.3系统包含：Nd:YAG双脉冲激光器(支脚或安装台)、片光源和体光源成型器、双帧双曝光CCD相机、可编程时序同步控制器、图像记录处理软件及其授权、系统工作站、标定板及调试系统所需附件，1.4 测速相对精度：1%。
1.5体三维测试体积不小于90mm*90mm*40mm。
二、各主要部件性能参数2.1双脉冲ND:YAG激光器，数量：1套。
单脉冲能量不低于200毫焦，脉冲重复频率15Hz 可调，波长为532 nm，单个脉冲持续时间5-9ns。
双腔脉冲间隔≥0，能量不稳定度小于2%，配置光学衰减器。
2.2片光源整形系统1套，片光厚度：最小0.5mm，焦距可调范围至少为0.3-2.0米，提供至少两种光束扩散角30度和15度。
2.3体光源整形透镜组及相配套的安装组件，数量1套。
体光源剖面长宽比是5:1和2:1。
2.4三维图像记录系统：2.4.1 配置CCD相机数量：≥3套。
分辨率≥400万像素，满像素下帧频不小于16帧/s，像素物理尺寸≤7.4μm×7.4μm，最大动态显示范围≥12bit，最小跨帧时间≤250ns，最大全幅拍摄频率16fps，相机采用CameraLINK接口；2.4.2配套镜头（≥3个）：F=60mm/2.8；窄带滤波片（≥3个）：532nm高透；2.4.3相机工作模式可调为：自由模式/ 外触发模式/ 同步外触发/跨帧模式；2.5可编程同步控制器1套。
支持模拟信号触发，外触发同步输入通道≥1，同步触发输出通道≥ 8。
2.6体三维相机Scheimpflug调节适配器和体三维高精密相机定位底座，数量：≥3个，其中配置单轴Scheimpflug支架至少2个；配置双轴Scheimpflug支架至少1个，双轴至少±少双度调节。
三维piv测量原理
三维piv测量原理
三维PIV测量原理：
①三维粒子图像测速技术作为流体力学实验中一种先进手段能够实现对湍流边界层复杂流动结构非接触式全场测量；
②技术核心在于利用激光光源照射流场中播撒粒子通过高速相机记录粒子运动轨迹图像分析获得速度矢量信息；
③与二维PIV相比三维系统需至少三台不同角度布置的相机同步拍摄同一时刻流场确保获取空间立体视角；
④激光源通常采用平面激光诱导荧光PLIF技术产生薄层光束照射流体使其中粒子散射或荧光发光；
⑤为提高信噪比激光脉冲能量强度需达到一定水平同时要求粒子浓度适中过密会导致遮挡过稀则影响跟踪精度；
⑥相机镜头光圈快门速度等参数需精心调试以捕捉清晰粒子图像背景光干扰需降到最低；
⑦图像处理阶段首先进行预处理包括去噪配准拼接等操作然后采用相关算法计算粒子位移；
⑧常用方法有窗口相关全局相关特征点匹配等其中窗口相关法因其实现简单应用最为广泛；
⑨通过分析相邻时间步长图像间粒子位移变化即可得到该位置平均速度瞬时速度脉动速度等参数；
⑩三维PIV技术在航空航天汽车设计水力学等领域有着广泛应用如模拟翼尖涡结构优化发动机内部气流组织；
⑪随着硬件性能提升算法优化三维PIV正向着更高时空分辨率实时在线监测方向发展；
⑫正确理解和掌握三维PIV测量原理对于深入研究流体动力学现象指导工程实践具有重要意义。
粒子图像测速技术
粒子图像测速技术的研究及发展摘要：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.本文对PIV技术的原理、分类作了简要地介绍，详细归纳和评述了现有的各种速度信息的提取方法，并对拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类等新技术在PIV中的应用以及三维PIV技术、两相流PIV测试技术进行了介绍.指出当前PIV 技术除了向三维和多相流方向发展外，如何提高PIV的测量精度以及缩短计算时间仍然是目前研究的主要目标.PIV技术随着计算机技术、激光技术和CCD性能的发展，必将取得更大的发展与突破。
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.早期发明的热线热膜流速计，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.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Mie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.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，己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(partieleimageveloeimetry，Plv)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.PIV的突出优点表现在:(l)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，而用毕托管或HWFV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.本文将从PIV技术的原理、分类、速度信息的提取方法以及其最新发展等方面加以述评.2PIV技术原理PIV技术原理简单，就是在流场中撒入示踪粒子，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)。
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。
三维粒子图像测试系统装置性能指标要求
三维粒子图像测试系统装置性能指标要求1．采购项目产品描述：基本三维粒子图像测试系统包括：跨帧CCD相机、PIV系统立体标定组件、 PIV图象采集及数据分析系统和系统工作站。
利用该系统可进行气流、液流场内部流动测量和相关结构研究,其测速范围可达到0～1000m/s，测量相对精度为1%。
本次政府采购只涉及三维粒子图像测试系统装置的采购。
2．三维粒子图像测试系统技术指标：各主要部件性能参数:2.1 跨帧CCD相机，数量：2套。
工作模式可调为：自由模式/ 外触发模式/ 同步外触发/跨帧模式，分辨率不低于1.6K*1.2k，满帧采集速率不低于32帧/s，带有防强光保护功能，跨帧模式下A帧的曝光时间范围42 μs to 105 ms，CCD相机的跨帧时间间隔不大于200ns，量子效率不低于50%。
拍摄帧率不低于140帧/s。
2.2 PIV系统立体标定组件，数量：1套。
包含双面双边标定平板一块,基座,相机支撑调节底座及调整工具。
2.3 PIV图象采集及数据分析系统2.3.1 基于64位的Windwos7平台下的应用软件包，系统通过RS232采用计算机命令控制；实时显示采样的图象数据，在线显示方向矢量场；内嵌Hart相关算法引擎，支持进行Hart相关处理，超细化处理流场速度分布；实时显示查问域及其相关时的峰值，具有双线性及Guass两种亚像素寻峰功能；2.3.2内置有流场分析绘图软件，可基于Matlab工具箱进行详细的时序图像分析；2.3.3应具备时空分析工具，可以利用PIV实验结果和CFD计算结果进行多方面的时间和空间结构的对比分析；可有效分析旋转周期流动问题中的相干结构；集成了PTV功能，即可以根据颗粒行为判断流场，而且可以同时得到颗粒大小。
2.3.4 带有粒子跟踪测速分析模块：可以单独追踪离散相的运动，又可以计算出离散相得粒径，也可以用分相计算离散相和连续相的速度场。
2.3.5 具备对三维PIV进行优化的功能。
三维粒子图像测速
互相关数值实验
乘法互相关公式：
NN
C(X,Y) f1(Xi,Yj)f2(XiX,YjY) i1j1
乘法互相关相关谱：
x 106 3
2.5
2
1.5
1 10
5
10
5
0
-5
0
-5
-10 -10
减法互相关公式：
NN
C ( X , Y) f1(X i,Y j)f2(X i X ,Y j Y) i 1j 1
二维到三维的信息丢失
左图为三维空间粒子场的动画
从三维空间粒子场的动 画中看到各种角度下三 维空间粒子场的二维度 结构形态
层析ART重构数值模拟实验
左图用于层析重构的成像模型。在个顶 视成像平面里展示了，像素单元线，测 量空间是二维体素阵列。灰度水平表示 出对应于像素 的权重系数 的值
下面是数值实验的结果
2.从湍流研究看：湍流具有非定常、三维和非线性等特征，增加了 湍流实验观测的难度，所以开展对湍流场的实验测量方法和技术的研 究,来进一步了解湍流的发展演化机理是非常必要和迫切的。PIV等流 动显示和测量技术近年来得到了迅速发展，但是针对三维性、非定常 等湍流特征，现代技术还没有完全解决，需要新的更有效方法来从机 理上分析湍流中流动结构及其形成原因，因此，这方面的研究已成为 湍流研究的前沿课题。开展新的流体力学实验测量手段—基于多相机 的瞬态三维激光层析测量关键技术的研究，包括多相机流场测量的标 定技术和速度重构算法。
左，右下图说明：原图是一个大格子的黑白间隔图，我们把它视为三维空间里的一个水平截面 重构图就是对原图的还原，可以把黑色格子看成是粒子（相对来说是非常非常的粒子），重构 后，可以看出，黑色格子—粒子的图像周边变得模糊，黑色粒子重构后有了“影子”
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。
粒子图像测速技术.ppt
（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
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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
i= j= 1 1
N N
乘法互相关相关谱：
参数
X0 ,Y0 , Z0 ,ω,ϕ,κ, x0 , y0 , f , k1, k2
称为照相系统标定参数 它们可以通过标定确定
两相机标定结果
左图： 所用左右相机对标定板拍 摄的图像
右图： 左右两个相机标定结果的标 定参数
此标定结果是使用matlab相机标定工具箱所得
三维空间粒子场的标定
三维粒子图像测速 技术的研究对象是 三维空间粒子场， 可以考虑直接从三 维空间粒子场着手， 将相机标定与三维 重构结合起来，直 接对三维空间粒子 场进行标定，得出 三维空间粒子场的 标定参数，大大地 提高了精度。
多相机流场测量系统的标定和 速度重构算法研究
包全 指导老师： 指导老师：夏振炎
课题研究意义
1.从PIV角度看：粒子图像测量技术(PIV)作为一种无扰，瞬时，全场的， 流场测量技术，在现代流场测量中发挥了极其重要的作用，是流场测 速研究的发展方向之一。随着二维PIV走向成熟，新课题对流场测速技 术提出更高的要求，推动了三维PIV深入研究，但三维PIV的复杂性使 流场三维速度测量变得更加困难。 2.从湍流研究看：湍流具有非定常、三维和非线性等特征，增加了湍 流实验观测的难度，所以开展对湍流场的实验测量方法和技术的研究, 来进一步了解湍流的发展演化机理是非常必要和迫切的。PIV等流动显 示和测量技术近年来得到了迅速发展，但是针对三维性、非定常等湍 流特征，现代技术还没有完全解决，需要新的更有效方法来从机理上 分析湍流中流动结构及其形成原因，因此，这方面的研究已成为湍流 研究的前沿课题。开展新的流体力学实验测量手段—基于多相机的瞬 态三维激光层析测量关键技术的研究，包括多相机流场测量的标定技 术和速度重构算法。
沿相机视线画网格的网格模型
网格模型一
网格模型二
新的网格划分是基于沿着相机光线进 行网格划分的思想，这样可以生成规 整的w投影矩阵，而且w的权值计算也 简单了，不需要进行面积计算，只是 赋值，有0,0.5,0.25这三种值。这样是 会节省计算时间，而且在计算w矩是 不会有误差的。
互相关
• 互相关的概念 • 互相关数值实验 • 基于变形的双格互相关分析
毕设感悟
• 科研信仰： 科学一定是简单的！ • 科研感悟： 搞科研的~~~ ~~~ 没有信息就是瞎子！ 不懂英语就是文盲！！ 不懂计算机的简直就是流氓！！！
致谢
• • • • 夏老师： 姜老师： 靳秀青学姐： 实验室的师兄师姐：
在对采集图像进行分析时，首先需要明确一个概念“判读区”：它是指 图像中一定位置取一定尺寸的方形图，通过对判读区进行信号处理，就可 以获取速度。假设系统在t0 以及t0+∆t 这两个时刻分别获取图4.2 -1中图1 和图2，在图1 和图2 中相同位置获取两个同样尺寸大小的判读区f (m, n)以 及g (m, n)，(m,n)表示f 与g 分别在图1 与图2 中的相对位置，对f 与g 进行 处理就可以获得此判读区对应位移s，示意图如图4.2 -1 所示：
互相关理论与概念
在PIV里，互相关主要研究连续两 张图像里的亚格子区域之间的相关 度，就是这两个亚格子里的粒子群 分布形态的相似性。一般而言，由 于在PIV连续两张图像里的时间间 隔非常小，所以第一张图像粒子群 态在这么短的时间基本上在第二章 图像里不会有大的变化。
图4.2 -1 互相关计算示意图
•
左图为三维空间粒子场的动画
从三维空间粒子场的动 画中看到各种角度下三 维用于层析重构的成像模型。在个顶 视成像平面里展示了，像素单元线，测 量空间是二维体素阵列。灰度水平表示 出对应于像素 的权重系数 的值
左，右下图说明：原图是一个大格子的黑白间隔图，我们把它视为三维空间里的一个水平截面 重构图就是对原图的还原，可以把黑色格子看成是粒子（相对来说是非常非常的粒子），重构 后，可以看出，黑色格子—粒子的图像周边变得模糊，黑色粒子重构后有了“影子”
减互相关相关谱：
x 10 6
4
x 10 3
6
5.5 5
2.5
4.5
2 10 5 1 10 0 5 -5 0 -5 -10 -10
4 3.5 3 10 5 0 -5 -10 -10 -5 0 5 10
1.5
基于变形的双格互相关分析
To时刻图像 T1时刻图像
连续性和相邻性
图4.4-1
互相关 To时刻图像 T1时刻图像
相机标定
• 相机标定的内容及意义 • 相机标定结果（主要靳秀青学姐做的） • 三维空间粒子场的标定
相机标定内容
xp 1 0 0 cosϕ 0 sinϕcosκ −sinκ 0X − X0 yp = 0 cosω −sinω 0 1 0 sinκ cosκ 0 Y −Y0 zp 0 cosω cosω sinϕ 0 cosϕ 0 0 1 Z −Z0 ∆x = x0 − x(kr2 +k2r4) 1 ∆y = y0 − y(kr2 +k2r4) 1 x = x − x0, y = y − y0, r2 = (x2 + y2) x(kr2 +k2r4), y(kr2 +k2r4)为 光 修 项 k1, k2为 正 数 屈 度 正 ， 修 系 。 1 1