粒子追踪测速(PTV)技术及其在多相流测试中的应用

粒子追踪测速(PTV)技术及其在多相流测试中的应用

粒子追踪测速即PTV方法是近年来受到较多关注的一种多相流全场测试技术。本文通过文献综述总结了该方法的最新进展，涵盖了其试验装置构成、多相流图像数据的处理、粒子匹配算法的分类及特点等专题内容，着重对粒子匹配进行了讨论。最后结合工程应用实例分析了使用该方法时应注意的问题。

1、前言

多相流动是自然界及工业生产(特别是过程工业)中最普遍的现象之一。研究多相体系中各相的运动及其作用规律兼具理论及现实意义，各种测试方法层出不穷，粒子追踪测速方法(PTV)就是其中颇具特色的一种。该方法就是通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度，属于Lagrange类方法，因此能够实现较高的空间精度，近年来在流动测试领域得到了广泛的应用。

2、粒子追踪测速方法

粒子追踪测速可通过2种方式实现:分析顺序采集的、曝光时间较短的多帧图像数据，匹配同一物理粒子计算其位移(速度)，或计算较曝光时间下的粒子光学轨迹长度。尽管后者成本低、实时性强、操作简便，但其精度和处理复杂流动的能力尚未得到认可，目前研究实践中前者仍占绝对主流，本文围绕这一类PTV技术展开。此处的“粒子”既可以是连续相的示踪剂、也可以是分散相，一些具体处理上的差别将在后文介绍。

2.1、数据采集

PTV测速的硬件系统由流体通道、示踪剂或分散相注入设备、光源、图像采集设备、通信设备等构成。流体通道即研究的流场，一些典型的例子包括风洞、水槽等;满足一定要求的微小固体颗粒、液滴及气泡均可作为连续相的示踪剂，将其注入流场之中一般需要专门的设备。当然，由于PTV方法最终处理的对象是数字图像，因此光源及图像采集设备是硬件系统的核心。光源的种类包括激光、卤素灯光、LED灯光及X射线等，其中以激光较为常用，可分为连续和脉冲形式;为了对光源产生的光进行处理，使之满足波长、方位及形状的要求，PTV测试系统中还常安装滤镜、反射镜和透镜等光学元件。图像采集设备主要是CCD和CMOS型的各种数字相机，近年为满足高速流动测试的要求，帧率较高的高速数字照相机的应用不断增加。

PTV测速可在2D平面或3D空间内进行，前者只需要一台相机，采集图像时相机光学主轴垂直于平面光源;后者能够对流场进行更精细的刻画，但在硬件配置和数据处理方面要求更高。3DPTV的硬件架构包括2相机系统、3相机系统、4相机系统和1相机-多反射

镜系统等。有研究者指出，只有采用3台或更多的相机才能有效地避免同步图像粒子空间匹配的模糊性。单相机-多反射镜系统基本可实现多相机系统的功能，然而减少了硬件费用、省却了数据同步，值得进一步探索与发展。

Kraizer等提出了一种实时PTV技术，与传统方法不同，该技术中数字相机利用现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)将图像数据进行前处理，仅将处理后的“粒子”特征信息而非图像数据通过网卡在线传递给电脑进行后续计算，避免了繁重的传输任务，降低了硬件的要求、提高了处理速度，适合与远程控制和宽带网络结合使用。

2.2、数据处理

2.2.1、前处理

(1)图像离散噪声去除

关于数字图像噪声的去除技术已经较为成熟，主要可通过高通滤波或减去背景等方式实现，此处不与赘述。

(2)粒子特征信息的提取

PTV测速是针对单个粒子进行的，因此需要尽可能保留测试粒子的主要特征信息，包括中心坐标、尺寸、亮度、颜色、亮度动量等。在提取特征参数之前，首先要进行粒子的识别及分割，最简单的办法是单阈值法，鉴于单阈值法在处理包含重叠粒子和非均匀光照的图像方面具有比较明显的局限性，研究者们又提出了多阈值法及动态阈值法等，在一定程度上改进了分割效果。数字掩模法是另一种较为常用的方法，主要用于均匀、尺寸已知的粒子图像的识别分割。此外，侵蚀/膨胀方法是近来较受关注的一种方法，Cardwell通过处理实例证明了该法鲁棒性较强，能够可靠地分割复杂的粒子图像。获取粒子的形心坐标和尺寸的简易方法是通过像素计数法得到粒子的尺寸，再通过计算其亮度重心得到形心坐标。Adrian 和Yao指出，对于满足衍射约束、尺寸约为10μm的球形粒子图像，其亮度近似符合二维高斯分布。在这个结论的基础上，研究者提出了一系列方法确定粒子的形心和尺寸，包括三点拟合法和最小二乘拟合法、四点拟合法及积分拟合方法，计算精度不断提高。

2.2.2、粒子匹配

即确定前后帧图像中的同一物理粒子(称为时间匹配)，或确定3D装置多个同步图像中的同一物理粒子(称为空间匹配或三维重构)，这一环节是PTV方法的核心，因此相应方法一直是学界关注的重点。对于时间匹配，算法中利用的粒子特征信息越多，准确匹配的可能性越大;然而，鉴于多特征信息匹配计算工作量偏大，目前多数算法仍主要通过位置信息进行粒子匹配，根据实施方式可大致分为3种:

(1)相关类算法

其原理与粒子图像测速(PIV)的相关算法相似，区别在于PTV关联的窗口以单个粒子、而非规则分布的节点为中心划定。另外，在进行相关计算前常需对图像进行二值化处理，因此又称为二值图像关联方法BICC。

(2)基于临近运动的经验算法

这一类算法是目前流体测试应用中的主流，依据的经验准则主要包括:最大速度约束、速度连续变化、邻近区域运动相似、匹配一致等。其早期典型代表是所谓的四帧算法，实施较为复杂，且无法处理两帧PTV的图像数据，为此Baek和Lee等引入了松弛算法，并迅速在PTV测试领域得到推广，其主要步骤如下:

1)针对前一帧图像中的粒子i，根据最大位移阈值Rm确定可能与其匹配的后一帧图像中的候选粒子集Sm，同时根据另一距离阈值Rn确定前一帧图像中与粒子i邻近、发生相似运动的参选粒子集Sn;

2)考虑粒子无匹配的可能性，根据概率归一化原理初始化粒子i与候选粒子集Sm中的元素j匹配的概率Pij;

3)当粒子i与j匹配时对应位移矢量Rij，假设粒子k为i的参选粒子集中的一个元素，则当k与后一帧图像中的粒子l匹配对应的位移矢量Rkl与Rij之差的模小于阈值Rp时，则认为后一匹配的存在强化了前一匹配成立的可能，由一个迭代关系式给出Pkl对Pij的影响;

4)设置匹配概率阈值Pt，当Pij>Pt时，认为该匹配成立，Pij不再变化，如此经过多次迭代得到前一帧及后一帧图像中粒子的完全匹配情况。

3、应用举例

3.1、风沙输运

风沙输运是日益严重的沙漠化问题中的关键物理现象。鉴于该现象十分复杂、很难通过理论方法准确描述，采用不同手段、包括PTV方法进行的试验研究备受重视。其中以高速照相机或摄像机和连续光源进行的连续时间PTV测量主要用于沙粒跃移及爬流运动规律、特别是沙粒间及沙粒与反射表面间作用的研究;而以普通CCD/CMOS数字照相机和脉冲光源进行的沙粒速度的两帧PTV测量，可方便地与空气相的速度测试手段(如皮托管、PIV等)结合，获得两相的运动信息，对分析相间的双向耦合作用很有帮助。风沙输运的PTV测量一般在竖直平面内进行，尽管有学者指出沙粒严格上属于三维运动;另一个值得注意的问题

是跃移底层的沙粒分布密度非常大，相互之间的碰撞频繁、运动不规律，导致这个区域“粒子”(即沙粒)的匹配较为困难。

3.2、气泡流动

含气泡的多相流动在化学及环境工程中较为常见，在强化传热和流动减阻等多种场合都有应用。尽管气泡和沙粒同属分散相，但前者一般尺寸较大、透明、存在变形和重叠、运动速度较慢，因此其PTV测速的实施细节与后者差别明显。通常的处理步骤是去除图像噪声后，确定气泡的轮廓、对图像进行二值化，计算各气泡的几何中心，最后进行相应“粒子”的匹配。由于气泡尺寸大、速度慢，正确匹配难度不大;但是之前的图像处理过程相比沙粒复杂，另气泡变形会在测速结果中引入误差，这些在实践中都需要注意的。

4、结语

粒子追踪测速(PTV)是一种应用广泛的新兴多相流测试技术，其精度与数据采集、处理的多个环节有关，在实践中应结合测试对象特征确定具体实施步骤和方法。

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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。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。图1. 粒子图像测速技术2．PIV 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 ( 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 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

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。除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。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。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜m 量级。常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, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。 在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。PI V 技术中粒子浓度一般为10左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。 （2）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分

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： 任课教师评语： 签名： 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

粒子图像测速技术

粒子图像测速技术（） ．简介 粒子图像测速技术()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（）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。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。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。 图. 粒子图像测速技术 ．的原理 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( 用胶片作记录) 和数字式图像测速（用相机作记录)。 ．系统组成 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

图. 粒子图像测速系统结构 （）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、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。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。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜量级。常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, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。 在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。技术中粒子浓度一般为左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。 （）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨率的不

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。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内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内部的流动状态。 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 内,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。

PIV粒子图像测速系统的基本原理

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0.02~500.00m/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。 1）示踪粒子：无论哪种形式的PIV技术，其速度的测量都依赖于布散在流场中的示踪粒子，若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。

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。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。 图1. 粒子图像测速技术 2．PIV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 ( 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系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

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。除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。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。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜m 量级。常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, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。 在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。PI V 技术中粒子浓度一般为10左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。 （2）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨

基于互相关算法的粒子图像测速技术_何旭

第43卷第2期 2003年3月 大连理工大学学报 Journa l of Da l i an Un iversity of Technology Vol .43,No .2M ar .2003 文章编号:100028608(2003)022******* 收稿日期:2002201216;　修回日期:2003201210. 作者简介:何　旭(19762),男,博士生;高希彦(19432),男,教授,博士生导师. 基于互相关算法的粒子图像测速技术 何　旭,　高希彦,　梁桂华,　刘卫国,　孙培岩 (大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连　116024) 摘要:对P I V (particle i m age veloci m etry,粒子图像测速)技术的原理进行了详细的介绍.采 用互相关算法,自行开发了一套图像处理软件,对粒子图像进行分析,提取速度场.以正方形容器内的旋转流场为例,用计算机模拟检验了此软件的可靠性与高效性,并利用P I V 技术对内燃机缸内压缩流场进行测量,对P I V 技术应用于气流测试进行了有益的探索.结果表明,互相关算法可以有效地进行粒子图像识别,通过所开发的软件可以精确获取速度场. 关键词:互相关算法;粒子图像测速;流场测试 中图分类号:T K411.12文献标识码:A 0　引　言 流动显示技术是流体力学研究的重要组成部 分.传统的流动显示技术,如氢泡法、染料法等,可实现流场状态的定性描述,而近20年来发展起来的热线热膜测速技术(HW FA )和激光多普勒测速技术(LDA ),在定量获取流场中单点流动信息方面获得成功应用.随着流体力学研究的深入,定量获取全场信息的需求变得更加迫切.20世纪80年代以来,随着计算机、图像处理和激光等技术的发展,一种旨在定量获取全流场信息的新型技术——P I V 技术逐步发展起来,引起了普遍的关注[1].由于其独特的优点,P I V 技术已被应用于流体力学研究的各个领域,在流体测量中占有重要地位.和以往的测试技术相比,它的优点主要表现为[2] (1)P I V 技术是全流场的测量,并且得到的是瞬态流场数据,这是LDA 测量方法无法实现的.(2)P I V 技术不会干扰流场,而使用热线热膜风速仪等测速仪器时,对流场都有不同程度的干扰. (3)因获得的是全流场的速度场,运用流体运动方程可十分容易地提取其他物理量信息,如压力场、涡量场等. (4)原理简单,设备相对便宜,容易实现,并 且实验精度较高,可真实准确地再现流场. 1　P I V 技术基本原理 P I V 是一种瞬态流动平面二维速度场测试技 术,其基本原理是选择合适的示踪粒子播撒于流场中,然后用激光片光源把被测流场照明,通过图像采集系统,分别记录下t 1、t 2时刻的流场粒子图像(其时间间隔?t 精确可调),经过数字图像处理,求出?t 内粒子的位移,即可获得速度场[3].1.1　测试系统组成 由于实验所测量的流体对象不同,其P I V 装置也多种多样,但主要由4大部分组成:粒子选择添加系统、流场照明系统、图像采集控制系统和图像处理系统. (1)粒子选择添加系统.示踪粒子应满足(a )在流体中分布均匀,(b )对流体的跟随性良好,(c )具有良好的光散射性,(d )不改变被测流体的特性.一般来说,粒子大小在5～300Λm ,相对密度与流体的相近,以保证示踪粒子悬浮于流体中,粒子运动可准确代表流体运动.主要的示踪粒子有花粉、T i O 2、A l 2O 3和塑料球等,使用这些粒子存在的主要问题是成本高、回收率差、浓度不易控制.因此选取合适的粒子,有效控制粒子大小和浓度,降低使用成本,是一项重要工作.

粒子追踪测速(PTV)技术及其在多相流测试中的应用

粒子追踪测速(PTV)技术及其在多相流测试中的应用 粒子追踪测速即PTV方法是近年来受到较多关注的一种多相流全场测试技术。本文通过文献综述总结了该方法的最新进展，涵盖了其试验装置构成、多相流图像数据的处理、粒子匹配算法的分类及特点等专题内容，着重对粒子匹配进行了讨论。最后结合工程应用实例分析了使用该方法时应注意的问题。 1、前言 多相流动是自然界及工业生产(特别是过程工业)中最普遍的现象之一。研究多相体系中各相的运动及其作用规律兼具理论及现实意义，各种测试方法层出不穷，粒子追踪测速方法(PTV)就是其中颇具特色的一种。该方法就是通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度，属于Lagrange类方法，因此能够实现较高的空间精度，近年来在流动测试领域得到了广泛的应用。 2、粒子追踪测速方法 粒子追踪测速可通过2种方式实现:分析顺序采集的、曝光时间较短的多帧图像数据，匹配同一物理粒子计算其位移(速度)，或计算较曝光时间下的粒子光学轨迹长度。尽管后者成本低、实时性强、操作简便，但其精度和处理复杂流动的能力尚未得到认可，目前研究实践中前者仍占绝对主流，本文围绕这一类PTV技术展开。此处的“粒子”既可以是连续相的示踪剂、也可以是分散相，一些具体处理上的差别将在后文介绍。 2.1、数据采集 PTV测速的硬件系统由流体通道、示踪剂或分散相注入设备、光源、图像采集设备、通信设备等构成。流体通道即研究的流场，一些典型的例子包括风洞、水槽等;满足一定要求的微小固体颗粒、液滴及气泡均可作为连续相的示踪剂，将其注入流场之中一般需要专门的设备。当然，由于PTV方法最终处理的对象是数字图像，因此光源及图像采集设备是硬件系统的核心。光源的种类包括激光、卤素灯光、LED灯光及X射线等，其中以激光较为常用，可分为连续和脉冲形式;为了对光源产生的光进行处理，使之满足波长、方位及形状的要求，PTV测试系统中还常安装滤镜、反射镜和透镜等光学元件。图像采集设备主要是CCD和CMOS型的各种数字相机，近年为满足高速流动测试的要求，帧率较高的高速数字照相机的应用不断增加。 PTV测速可在2D平面或3D空间内进行，前者只需要一台相机，采集图像时相机光学主轴垂直于平面光源;后者能够对流场进行更精细的刻画，但在硬件配置和数据处理方面要求更高。3DPTV的硬件架构包括2相机系统、3相机系统、4相机系统和1相机-多反射

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：https://www.sodocs.net/doc/d485667.html,）。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。 基本原理步骤为： 1.跨帧技术 PIV需要时间间隔小于100微妙的两张连续的粒子图像。随着跨帧技术的发展，实现了在时间间隔小于100纳秒内连续记录两张图像的可能。双脉冲激光和双快门相机由定时控制器同步。由于双脉冲激光器具有两个可以独立操作的激光头，因此无论双快门相机的两个帧之间的非曝光长度时间如何，都可以在非常短的时间内进行激光震荡。