粒子成像测速

固体火箭发动机尾焰粒子流速测量方法作者：宫秀良来源：《硅谷》2013年第05期摘要固体火箭发动机的非透明尾焰由固体推进剂燃烧形成，尾焰由气体和固体粒子混合组成。

利用高速CCD相机，激光器研制粒子成像测速测量系统，测量装置完全不介入流场，对固体火箭发动机尾焰粒子流速进行测量，是真正意义上的非接触测量，还具有较高的测量精度。

关键词发动机尾焰；粒子流速；CCD中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-064-02火箭发动机的尾焰通常可以分为：透明和不透明两种尾焰。

液体火箭发动机的尾焰由液体燃料燃烧形成的透明羽流；而固体火箭发动机的非透明尾焰由固体推进剂燃烧形成，尾焰由气体和固体粒子混合组成。

针对不同的羽流流体，其参数测量方法也不相同。

对于非透明火焰（含固体粒子），无需示踪粒子，测量装置完全不介入流场，是真正意义上的非接触测量，还具有较高的测量精度。

本方法利用激光技术的非接触测量，采用图像记录的方式，再经过图像处理技术测试出粒子的运动速度。

1 尾焰粒子流速测量原理由于固体火箭发动机的尾焰可近似为具有轴对称特点的对象。

因为尾焰的对称性而使得其形成的粒子流场具有轴对称的几何特征。

正是因为对如此对称性的考虑，我们可以把三维分布形式的粒子流场转化为其对称轴线的平面来代替整个三维场。

只要我们重建出轴面上的场，就可以根据对称性获得三维空间的粒子流场数值，从而简化了三维场重建问题。

目标所在平面是CCD相机成像的物面。

这样物和像之间就可以建立起一个光学成像模型来描述。

P（x，y）表示目标平面的点，而P1（x1，y1）表示CCD相机记录平面上的点。

P点和P1点之间的距离D可以表示为：如果两次曝光的时间间隔为t，则粒子流速V=D/t。

对多个粒子进行分析，就可以测量所有粒子的流速。

并用矢量标记大小和方向。

粒子成像测速又称粒子图像测速法，是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。

粒子成像测速图像的模糊聚类识别
双凯;董守平
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2000(024)006
【摘要】聚类是流体运动的基本规律,聚类由几个相邻的粒子开始.随着流体的运动,粒子簇在第二次曝光时改变其形状及位置,通过模糊聚类可获得粒子运动的规律.应用聚类分析方法可改善非标识PIV图像的处理效率.将粒子运动轨迹追踪算法应用于PIV图像分析,取得了较好的效果.
【总页数】4页(P66-68,71)
【作者】双凯;董守平
【作者单位】石油大学机电工程系,北京,102200;石油大学机电工程系,北
京,102200
【正文语种】中文
【中图分类】TP753
【相关文献】
1.多光谱成像的粒子图像测速 [J], 胡文斌;马志敏;田猛;赵小红;胡向阳
2.用于层析粒子图像测速的模拟粒子场成像 [J], 张小航;曾波;李少甫;刘艺
3.显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述 [J], 申峰;刘赵淼
4.三维粒子成像测速(PIV)中粒子像斑定位的透视成像原理、方法及其可确定性讨论 [J], 董守平
5.近红外成像的便携式大尺度粒子图像测速仪 [J], 张振;严锡君;樊棠怀;王鑫;徐立中
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第 31 卷第 16 期2023 年 8 月Vol.31 No.16Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering基于量子滤光及跟踪算法的火箭发动机尾焰粒子测速方法研究郭宸1，常胜利1，2*，张文杰1，肖广益2，王飞1，2，鲍桐2（1.湖南工业大学轨道交通学院湖南株洲 412007；2.湖南大学物理与微电子科学学院湖南长沙 410082）摘要：粒子喷射速度的测速是火箭发动机结构改进设计极其重要的依据。

但是由于火箭发动机尾焰喷射速度快、背景辐射强，传统的滤光器件（滤光片）与运动目标检测算法无法适用。

针对上述问题，本文采取新型量子滤光技术，利用量子高信噪比，低背景噪声的特点，以原子滤光器为核心，将超窄带量子滤光技术应用到粒子图像测速法（Particle Image Ve⁃locimetry， PIV）中，组成量子滤光PIV系统，滤光带宽可窄至GHz量级。

同时基于量子滤光PIV系统提出了一种新的基于图像灰度互相关的虚拟粒子图像示踪算法，该算法通过对虚拟粒子的标记跟踪而表征实际粒子的运动轨迹，达到测量粒子速度的目的。

经外场试验表明：量子滤光技术抑制复杂背景干扰强，相较于传统滤光器件信噪比提高了30 dB，滤光效果明显；该算法准确性高，粒子测速误差低于0.5 m/s，计算测量精度优于0.06%。

同时，相关系统已经在国家相关研究单位获得应用。

关键词：火箭发动机；粒子喷射速度；量子滤光；示踪算法；信噪比；测量精度中图分类号：TP391.41 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233116.2352Research on velocity measurement method of rocket engine tail flame particle based on quantum filter and tracking algorithm GUO Chen1，CHANG Shengli1，2*，ZHANG Wenjie1，XIAO Guangyi2，WANG Fei1，2，BAO Tong2（1.College of Railway Transportation， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China；2.School of Physics & Electronics， Hunan University， Changsha 410082，China）* Corresponding author， E-mail： slchang@Abstract：Measuring the ejected particle’s velocity is crucial for rocket motor development design.Be⁃cause of the intense light background radiation of the rocket motor flame， the conventional filter device and moving object detection algorithm cannot be used. To address these problems， this study presents a novel quantum filter technology.Considering the characteristics of quantum high signal-to-noise ratio and low background noise， taking the atomic filter as the core， the ultra-narrow band quantum filter technology is applied to particle image velocimetry （PIV）， which makes up the quantum filter PIV system. The filter bandwidth is on the order of magnitude of MHz to GHz. Simultaneously， based on the quantum filter PIV system，a new virtual particle image tracer algorithm based on image gray cross-correlation is proposed.文章编号1004-924X（2023）16-2352-10收稿日期：2022-11-01；修订日期：2022-12-11.基金项目：横向项目资助（No. JH20219447051）第 16 期郭宸，等：基于量子滤光及跟踪算法的火箭发动机尾焰粒子测速方法研究This algorithm obtains the trajectory of particle motion by tracking and marking to characterize the particle motion in the flow field. The results indicate that the quantum filter technology exhibited strong suppres⁃sion of complex background interference， the signal-to-noise ratio was improved by 30 dB compared with the conventional filter device，and the filtering effect was significant.The algorithm had high accuracy，the particle velocity measurement error was less than 0.5 m/s， and the calculation measurement accuracy was better than 0.06%. The relevant system had already been used in national research institutes.Key words： rocket motor；ejected particle′s velocity；quantum light filter；tracer algorithm；signal-to-noise ratio； precision of measurement1 引言通过近50年来的建设和发展，我国虽然在火箭发动机技术［1］上达到了较高的水准，尤其是在导弹拦截、探空火箭、运载火箭和卫星上的应用取得了显著的成果，但是由于我国火箭发动机技术起步晚，底蕴比较浅薄，相关成果较少，与国外有显著差距，迫切需要促进相关技术的提升。

第6卷　第3期2013年6月　 中国光学 Chinese Optics Vol.6　No.3June 2013 收稿日期:2012⁃12⁃21;修订日期:2013⁃01⁃23 基金项目:国防预研基金资助项目(No.1010502020202)文章编号　1674⁃2915(2013)03⁃0408⁃07基于数字粒子图像测速的水雾粒径测量算法及实验杜永成,杨　立∗,刘　天(海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033)摘要:针对利用传统数字粒子图像测速(DPIV)法测量水雾粒径时粒子影像拉长对测试结果的影响,提出了基于DPIV 建立的改进图像法(IIM)。

设计了水雾粒径测量试验系统,对细水雾进行实时测试,并对比了采用本文算法与直接等效法测试水雾粒径子半径的差异。

结果表明:采用本文的IIM 得到的测试结果更为准确。

通过最小二乘法对粒径分布进行拟合,发现对数正态分布函数和威布尔函数都可以较好地描述粒径分布。

关　键　词:细水雾;粒径测量;数字粒子图像测速;粒径分布中图分类号:TH821;TK421.43 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20130603.0408Algorithm and experiment on droplet sizing based on DPIVDU Yong⁃cheng,YANG Li ∗,LIU Tian(College of Naval Architecture and Power ,Naval University of Engineering ,Wuhan 430033,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :lyang 39@Abstract :When traditional Digital Particle Image Velocimetry(DPIV)is used to measure water spray parti⁃cles,the elongated image from a common CCD will effect the measuring results.To eliminate the effect of the elongated image of water spray particles,an Improved Image Method(IIM)was built based on DPIV.An ex⁃periment system was designed to make a real⁃time test for the water spray,by which the difference of measured particle sizes obtained by the improved image method and the direct equal method was contrasted.The results show that the algorithm used in this paper is more available to measure the radius of water spray particle.Theradius distribution curve is fitted by least square method,which shows that both the lognormal function and Weibull function can describe the radius distribution well.Key words :water spray;droplet sizing;Digital Particle Image Velocimetry(DPIV);radius distribution1　引　言 细水雾在灭火降燥、除尘增湿等诸多领域有着重要应用,此外,其在舰艇红外隐身领域的应用也引起人们高度重视,因此,获取准确、实时的粒径谱和数密度对细水雾的应用研究非常重要[1]。

粒子图像测速互相关中亚像素位移定位的改进方法第一章：引言- 研究背景- 研究意义- 文章结构第二章：粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）简介- PIV原理- PIV系统构建- PIV数据处理第三章：互相关算法及其存在的问题- 互相关算法原理- 亚像素位移定位问题- 互相关算法存在的问题第四章：改进的互相关算法- 基于插值的亚像素位移定位方法- 基于重叠区域的滑动窗口互相关算法- 比较分析改进算法与传统算法第五章：实验与分析- 实验流程- 实验结果分析- 结论与展望第六章：结论- 文章主要贡献- 可能存在的局限性- 进一步研究的建议第一章：引言研究背景：随着精密制造技术和精密测量技术的不断发展，实验测量技术得到了广泛的应用。

粒子图像测速（PIV）技术是一种常用的非接触式测量流场速度的方法。

PIV技术通过先对流场内的流体进行标记，然后利用两个不同时间间隔内的流场图像进行对比，最终得到流场速度场分布。

然而，由于PIV技术采用的是像素级别的图像采集和处理方法，因此在像素级别上存在位置测量误差，这使得精度受到了限制。

研究意义：为了提高PIV技术的精度和准确性，在PIV技术的研究中，亚像素位移定位技术是一个重要的挑战。

互相关算法是一种广泛应用的位移测量方法，被广泛应用于PIV算法的亚像素位移定位中。

然而，传统的互相关算法存在着一些问题，例如：由于互相关算法是基于像素级别的方法，因此在像素尺度上无法进行亚像素位移测量，这限制了PIV技术的精度和准确性。

因此，本文将探讨基于插值的亚像素位移定位方法和基于重叠区域的滑动窗口互相关算法，以提高PIV技术的测量精度和准确性。

文章结构：本文将包括五个章节：第一章：引言，主要介绍了PIV技术及其测量精度的限制，以及本文研究的意义和阐述了文章的结构。

第二章：将介绍PIV技术的基本原理、系统构建、数据处理等方面的知识。

第三章：将介绍互相关算法及其存在的问题，包括亚像素位移定位问题等。

link appraisement王振斌1 张 雷31.中国民用航空飞行学院 航空工程学院；2.3.中国民用航空飞行学院 信息中心王振斌（1992－）男，助理实验师，硕士，研究方向：飞机环境控制系统。

基金项目：中国民航飞行学院科研基金（青年基金）项目（Q2020图1 2D PIV测速系统原理图中国科技信息2020年第22期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2020◎航空航天间，从而可得出流场整体的运动场信息。

影响因素PIV 技术原理虽然简单，但由于系统本身特点，欲实现准确测量仍需要注意几项影响因素，且影响因素为系统本身组成元素。

首先是示踪粒子，其作为流场标定物，用以实现流场运动信息的可视化，其选取合适与否会直接影响到系统测量的准确性，尤其在气流场信息测量当中。

为实现良好的反光利于相机捕捉，要求示踪粒子的粒径要大一些，但示踪粒子粒径过大势必导致粒子重量增加，在流场中由于重力作用会很容易沉降，从而影响测量结果的准确性。

经前人研究，在气流场测量当中通常选取示踪粒子的粒径范围为1μm~20μm 之间。

然后是片光源，片光源主要用于照亮相机拍摄区域内的示踪粒子，光源厚度太大会导致照亮空间的体积变大，拍摄区域示踪粒子混杂，图像处理过程中非同一平面内粒子互相影响，增加图像处理难度，也会降低测量结果的准确度。

若光源厚度调节的太薄则短暂的拍摄间隔内容易导致先前捕获的粒子法向流出片光源，也会降低图像处理的准确度。

一般气流场测量中片光源厚度设定在1mm 为宜，测量中可使用相纸印迹来确定其厚度。

光学仪器的使用对环境光也会有一定要求，为了使得偏光只照亮拍着平面，需要尽量避开环境光照，使非测量区域的粒子处于相对黑暗的状态。

流场测量过程PIV 系统组成部分较多，需要调试的设备种类各不相同，其操作流程具有自身特性，现以典型气流场测量为例，总结其测量流程。

首先摆放相机位置，确定拍摄范围，固定相机位置，并通过调节器聚焦于所拍摄平面，可通过观察电脑显示器中画面清晰度确认聚焦效果。

真空冷喷涂BaTiO_(3)颗粒加速过程研究邓碧欣;孙澄川;卢静;吴应东;路腾;张咪娜【期刊名称】《材料保护》【年(卷),期】2024(57)4【摘要】以BaTiO_(3)陶瓷颗粒为例,模拟了在不同真空冷喷涂工艺参数下的加速过程,探讨了工艺参数对颗粒速度的影响,并通过粒子成像测速装置进行验证,最后采用真空冷喷涂制备了BaTiO_(3)陶瓷涂层并测试涂层性能。

模拟结果表明:颗粒速度随着气体压力和气体预热温度的增大而增大;在相同气体压力和预热温度下,颗粒粒径越小受弓形激波的影响越大;多颗粒的加速规律与单颗粒相似。

粒子成像测速结果表明在0.2 MPa、300 K或373 K条件下,BaTiO_(3)颗粒速度与模拟结果分别相差约10.2%和8.1%。

在该工艺参数下,采用真空冷喷涂制备得到2~3μm连续且致密的BaTiO_(3)涂层,结合力大小为8 N。

研究结果表明,数值模拟结合粒子成像测速得到的工艺参数及其影响规律是可靠的,可用于指导柔性陶瓷薄膜的制备。

【总页数】10页(P140-148)【作者】邓碧欣;孙澄川;卢静;吴应东;路腾;张咪娜【作者单位】季华实验室功能涂层与再制造研究中心;中国科学院宁波材料技术与工程研究所【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.冷喷涂中颗粒形状和温度对其沉积过程的影响2.冷喷涂中氮和氦混合气体对颗粒加速作用的模拟研究3.冷喷涂过程中颗粒参数的SprayWatch和LDA（激光多普勒测速法）对比测量研究4.真空冷喷涂LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2涂层颗粒沉积行为研究5.真空冷喷涂铜颗粒加速特性数值研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

粒子图像测速(PIV)技术在烟丝流量检测中的研究曾蕾;赵立宏【摘要】粒子图像测速技术(pIV)是一种全新的非接触式的,瞬时的,全场流速测量方法,广泛应用于流体力学中.本研究将PIV技术引入烟丝运动研究是一个尝试,旨在为烟丝流量的检测提供一个新的测量手段.通过分析烟丝在风送管道内的运动,利用PIV技术并结合PTV技术,采用图像处理得到烟丝的运动速度.粒子图像测速技术具有一定的优势,可以克服传统测量手段的不足.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P138-140)【关键词】流场测速:PIV;图像处理;PTV【作者】曾蕾;赵立宏【作者单位】南华大学机械工程学院,湖南街阳421001;南华大学机械工程学院,湖南街阳421001【正文语种】中文【中图分类】TH121 引言随着烟草工业企业集团化的建立和烟草品牌的整合，企业之间的竞争由品牌的单一竞争走向品牌与成本并举的竞争。

主要集中体现在提高卷烟制造水平，提升卷烟制造能力。

目前卷烟厂所使用的卷烟机大多采用管道烟丝进料，这种进料方式的卷烟机通过管道从烟丝喂丝机吸进烟丝送到卷烟机卷制烟支，输送烟丝的过程是全封闭的，难以用普通电子秤进行接触式计量。

并且现有技术只能测量烟丝风送过程中管道中空气流动的速度，不能直接测量烟丝运动速度，更不能计量烟丝的流量。

因此，卷烟厂只采用电子秤或核子秤配合皮带输送系统对多台卷烟机上的总烟丝消耗进行计量，不能对单台卷烟机进行烟丝消耗的计量和控制，这样每个班次，每台卷烟机的烟丝消耗量和损耗均难以做到准确的测量和控制。

对比现在出现的风送烟丝微波计量控制仪的优缺点，引入PIV技术加以改进。

PIV［1］是近20年发展起来的非接触式的流场测量技术，通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息，结合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了其弱点，具备了单点测量技术的精度和分辨率，能够进行平面二维流场的测试，获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像［2］，是一种很有发展前景的无扰动流场测试技术，是流场显示技术的新发展。