三维粒子图像测速

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：
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（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。

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。

三维高速实验方法通常指的是在三维空间中进行的高速动态测量和分析技术。

这类方法广泛应用于各种领域，包括材料科学、流体力学、生物医学工程等。

下面将介绍几种常用的三维高速实验方法：1. **三维粒子图像测速（3D-PIV）**：-原理：利用激光片光源照亮流场中的示踪粒子，并通过高速相机捕捉粒子在不同时刻的图像。

-应用：测量流体的速度场和速度梯度，尤其在流体力学实验中得到广泛应用。

-特点：非侵入性测量，能够提供全场、瞬态的三维速度信息。

2. **三维激光扫描技术**：-原理：通过激光束在物体表面进行快速扫描，捕捉物体表面的三维形貌信息。

-应用：逆向工程、文化遗产保护、建筑测量等领域。

-特点：高精度、高效率，能够快速获取物体表面的三维数据。

3. **三维高速摄像技术**：-原理：利用高速相机捕捉物体在三维空间中的运动轨迹。

-应用：生物力学、机械动力学、碰撞实验等。

-特点：能够记录物体的高速运动过程，并提供详细的三维运动数据。

4. **光学相干断层扫描（OCT）**：-原理：基于低相干干涉测量原理，通过测量光在生物组织内部不同深度的反射和干涉信号，重构组织内部的三维结构。

-应用：生物医学领域，如眼科、皮肤科、心血管系统等。

-特点：非侵入性、高分辨率，能够实时获取组织内部的三维结构信息。

5. **三维数字散斑相关方法（3D-DSCM）**：-原理：通过在物体表面制作或自然形成的散斑图案，利用数字图像处理技术测量物体表面的变形和位移。

-应用：材料力学、结构健康监测等。

-特点：适用于大变形和复杂应变场的测量，能够提供全场的三维位移和应变信息。

这些三维高速实验方法各有其特点和适用范围，在选择实验方法时，应根据具体的实验需求和研究目的进行选择。

此外，这些方法的实施通常需要专业的设备和技术支持，以确保实验结果的准确性和可靠性。