流体中速度场检测方案(粒子图像测速)

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引言 工作原理 FlowMaster 先进的PIV/PTV 系统用于流场显示和定量分析 LA VISION WE COUNT ONPHOTONS FlowMaster 具有独特测量性能的集成的即开即用系统 LaVision的锐意创新历程 先进的 PIV/ PTV 系统 结合丰富的实践经验和与用户的深入交流， LaVision公司设计出灵活的、高性能的PIV系统FlowMaster。 LaVision不断提供性能最佳，最前沿的PIV算法和数据有效性检验法则。例如采用变形网格窗口技术进行相关运算以及采用独特的局部中值滤波技术进行数据有效性判断。 1997： 第一个商品化高灵敏度12位PIVCCD相机系统 1998： 在Lisbon会议上介绍3D立体PIV技术 同时进行两相流场的测量分析 1999： 开发了新的3D-Volume PTV技术 集成了高分辨率2KX2K PIV相机 2000： 高时间分辨率PIV系统，可以在时间及空间域对流体动力学结构进行耦合效应分析内窥式PIV系统基于分子示踪方法的流动标识平均相关算法的应用 2001： 微米级分辨率的显微PIV系统 基于立体PIV系统的双平面PIV系统，用于进行三维涡量及加速度场的测量 2001- 2005： 连续三次(2001年，2003年，2005年)参加PIV challenge-世界范围PIV/PTV软件算法评测活动并取得巨大成功 2004： PIV自标定技术，该技术可以自动准确修正标定结果，即使标定靶和激光片光之间的位置差异很大的情况也可以完成这样的修正 2005： 上FlowMaster MITAS系统：：该系统提供了反转显微镜及三维位移平台，并提供所有硬件的计算机控制 2006： 体三维PIV(层析PIV)系统，即Tomographic(Tomo)-PIV：一种全新的瞬时三维速度场测量技术 激光成像系统是为了研究燃烧、喷射流动以及其它水力学及空气动力学下的各种研究测量而设计的， FlowMaster就是其家族中的一员。通用的FlowMaster系统模型设计完全以应用为导向。模块化的、灵活的系统设计，可以满足广泛的测量需要。 基于FlowMasterPIV系统并结合多种技术手段(PIV， LIF， Raman， Rayleigh)，可以进行多参数的激光图像测量，包括速度、颗粒大小、组分浓度、温度等。 FlowMaster系统基于粒子图像测速技术(PIV)原理，可以测量瞬时的二维或者三维流场速度分布。测量时首先将微小的示踪颗粒撒入流体之中，这些颗粒可以完全跟随流体运动，然后将激光束整形为片光，以很短的脉冲间隔照亮待测流场区域两次。两次照射分别被跨帧高分辨率CCD相机记录下来，成像过程中由于光路原因或者相机斜拍造成的图像失真可以自动得到修正。 记录下来的图像被划分成许多小的问询域，典型的问询域尺寸为64x64至8x8的像素矩阵。在两次激光脉冲发射的时间间隔dt内，颗粒在问询域中会有一个ds的位移，其运动速度即可以简单地表示为ds/dt。对于颗粒位移的计算可以通过两个问询域之间基于快速傅里叶变换的互相关运算实现。通过选择其他很多高端的网格划分技术以及相关算法可以进一步提高系统性能和结果的准确性，这些算法包括局部自适应网格技术、变形网格技术以及相关平均技术。 互相关PIV的工作原理 相关函数中的峰值点表示了该问询域内颗粒的平均位移，所有问询域的位移矢量最后就组成了一个完整的瞬时速度分布图。 创新的PIV/ PTV流场分析算法 参与PlVchallenge评测活动成绩斐然 可变形网格技术：新一代PIV分析技术 LaVision公司与许多PIV技术的研究组织合作密切，可以提供给用户最先进、最前沿的流场分析算法。软件是完全开放的，通过内嵌的CL宏汇编语言(完全的C语言语法格式，且用户可以获得所有的源代码)，用户可以进行进一步的功能添加或修改。很多用户已经使用此功能大大丰富了软件的应用范围。 用来分析PIV测量结果的流场分析算法集成在可视化软件包DaVis环境下。 DaVis是LaVision公司成像装置系统特有的图形用户界面。它的模块式结构易于集成使用新的算法，方便用户编写自己的宏代码。 2D-PIV软件可以对激光片光照明内的流场进行二维向量计算处理，其中也集成了2D-PTV算法，用于颗粒跟随模式的算法处理。立体PIV软件模块可以对所有三个方向的矢量进行运算和处理，包括片光平面内的以及垂直于片光方向的向量。PIV软件包中支持相关运算时动态变形网格的划分方式，这是一种先进的图像处理方式。 standard window shift deformed window shift 标准的PIV算法使用的是方形网格，而FlowMaster包含处理变形网格的功能。当使用这样的变形网格作为处理窗口时，软件可以根据网格内颗粒运动速度梯度进行合理的变形，以获得更加准确的结果。使用变形网格的效果是所有颗粒对都有相同间隔，这使得相关运算具有更好的信噪比，因此可以获得准确度更高的速度场处理结果。 使用多相机布置，在3D-PTV算法的帮助下用户可以获得瞬时的体三维速度场结果，这就是LaVision公司强大的层析PIV系统，即前面提到的Tomo-PIV系统。通过选择不同的硬件组合以及软件中的相关算法，用户还可以获得时间解析PIV系统、两相流及双色(荧光)操作模式。 FlowMaster PIV 软件包为二维及三维粒子图像的高精度处理提供了很多特殊的功能函数。LaVision公司的软件工程师以及遍及世界各地的用户利用CL宏语言正不断地将新的函数加入其中，使其不断发展。这些用户添加的新的函数免费发布，并且可以由用户自己非常方便地集成在DaVis软件中。 图像预处理 定义任意形状处理区域，基于用户定义的，或者根据系统自动的、标准定义的高通滤波器，通用的nxn滤波器 根据流动结果的差异分离两相流动 剔除不需要的的图像信息(例如壁面散射光信号) 图像校正 校正图像失真：二维斜视情况下以及三维立体PIV中的自标定程序 PIV算法 多种自相关及互相关关数：标准FFT， 归一化自相关函数用于低粒子浓度的二维及三维颗粒跟踪算法 二阶相关 n 幅图像各自相关函数相加求得速度矢量的算法 自适应多重迭代算法(达到最高的分辨率和稳定性) 精确度高，消除了峰值锁定效应(peak locking) 动态可变形积分窗口相关分析 相关峰值高度比滤波器 向量后处理和有效性检验 局部及区域的中值滤波，可用第二选择矢量替代 全场向量峰值滤波 平滑与插值 梯度场：旋度，散度，应力 矢量场的处理 统计量：平均值，均方根， PDF，发散图 等高线图：流线图，迹线图 涡流分析：中心，强 度和速度空间相关及时空相关用户自定义操作本征正交分解(POD) DaVis-PIV算法的用户界面 FlowMaster系统已经广泛地，且成功地应用于实际科研和工程中各种流动现象的研究，应用还涉及生物及制药领域的研究。使用FlowMaster，PIV可以应用于气体流动、液体流动和多相流动，甚至可以应用在反应流动中，比如对燃烧过程的测量。 在空气动力学和流体力学中的广泛应用 空气动力学与水动力学 利用立体成像功能获得三维速度场支持多相机同时拍摄 基于双面立体PIV的加速度场测量 自标定程序 通过有效的杂光抑制提高表面附近的流场分析功能 高速及高分辨率PIV 内燃机流场 气缸内流场的锁相式测量 输出轴编码信号 使用内窥镜PIV，激光片光源和相机可以通过8mm的光学通道小孔 1904年Ludwig Prandtl在操作水槽 反应流场 ： 卜与温度场相关使用耐高温的TiO，颗粒分子示踪探测 生物学中的应用 相向流动平面火焰流场 动静脉流场中血流的监测微流动图像系统对心脏瓣膜周围流场测量 内燃机引擎流场的同步测量研究 内燃机流场 可移植血泵流动模型的立体PIV测量 FlowMaster基本的二维PIV系统可以很方便地升级来处理更加复杂的流场问题，对于更加复杂细致的流场分析可以利用立体PIV或者全视场PIV系统来完成。 FlowMaster还可以升级到PIV-LIF系统， 例如LaVision提供的SprayMaster 和FlameMaster 系统。对于这种用途FlowMaster 系统中的相机还可以专门配置像增强器。 FlowMaster时间分辨 PIV 高速PIV的图像序列 FlowMaster High-Speed 系统为流体动力学分析提供了新的研究手段。它同时提供了基于数字PIV的空间流场信息和每一点随时间的演化信息。系统可以测量速度及加速度场，以及湍流过程的脉动参量。相比常规PIV系统，高时间分辨PIV提供了随时间演化的速度场及其相关信息，并且可以通过计算获得随时间变化的湍流信息等。 基于时间域的本征正交分解——P-POD-模式分解 漩涡结果特性随时间的变化规律 时空相关 流动结构跟踪 能量谱 加速度场 流动的时间尺度 LaVision提供的FlowMaster High-Speed系统包含根据尖端技术设计的全数字化高速相机，拍摄帧率在1kx 1k像素分辨率下可以达到5 kHz， 降低图像分辨率拍摄帧率可以达到100 kHz。 系统同时可以提供高重复频率单腔或双腔固体激光器，每脉冲能量可以达到50 mJ。所有硬件部件都可以由DaVis软件包集成和控制。 FlowMaster3D-立体 PIV FlowMaster 3D直接由FlowMaster 2D的概念发展过来，可以测量在激光片光面内全部三个速度分量。 遥控调整Scheimpflug 角度、光圈及焦距 三维PIV基于立体成像原理： 立体成像自动标定矫正 图像畸变 两个相机从不同的角度拍摄被照亮的跟随流动的颗粒， Sch-eimpflug镜头布置可以使两个相机都获得聚焦成像。用一台相机，我们只能测量垂直于其光轴方向粒子位移的投影，把两个相机拍摄到的投影图像合并起来，就能够再现被测流体中粒子的真实位移。用这样的方法，我们就可以得 到包含所有三个速度分量的完整向量。这种系统就称为立体PIV，它是通过模仿人眼立体视觉原理而发展起来的。 FlowMaster Scheimpflug镜头布置 3D 漩涡流场 自标定技术是目前在立体PIV系统中独特的专利技术，它可以修正标定靶和片光源之间的偏离，即使这个偏离很大也可以得到修正。目前在Da-Vis体体PIV软件包中它已经成为标准功能。 自标定技术 利用自标定技术，通过计算粒子图像的偏偏映射(地图)函数，所有测量面的位置以及片光厚度都可以获得。另外，偏移向量可以进一步修正非初始体映射函数引起的某些光学畸变。 采用自标定技术，标定靶盘甚至无需放置被测流场中。在很多内流模型中，例如生物医学研究的流动、微管道流动或者内燃机气缸内部流动等 根本不可能放置标定靶的情况， 利用自标定技术就可以完成其中的三维流场的测量。 单矢量场(颜色代表偏移量) 测量区域 优点 最根本的解决方案：消除可能的标定误差 友好的用户界面：任意放置标定靶盘，无需使标定靶盘严格对准激光片光源 简便的扫描测量方式：所有扫描面的位置即刻获得标定结果 离线标定：可以使初始标定面在测量体以外 节省时间：标定准备可以离开测量现场进行 FlowMaster层析 PIV 完整空间体积内的瞬时 3D3C-速度场测量 层析PIV(Tomo-PIV)是一种全新的三维速度场测量技术。颗粒的速度信息是由在顺序两次曝光时刻重构出来的粒子三维图像的互相关处理得到的。通过全数字化过程，该技术可以在颗粒浓度相对很高的情况下获得高分辨率速度场，而3D粒子跟踪测速仅能适用于颗粒浓度较低的情况(从而得到的速度矢量场的空间分辨率也很低)。这种方法获得的是完全空间体积内的瞬时结果，与平面PIV扫描式工作不同，它很适合需要双曝光间隔dt很小的高速流动以及利用高帧率相机进行高时间分辨率进行测量的情况。 空气中的涡环 气缸根部上表面流场的水平速度等值面图 应用 湍流研究 三维流体结构的可视化 完整的三维漩涡分析 流体结构的相互作用 友情提供： Dr. F.Scarano， TU Delft Re=540时卡门涡阶的涡量等值面图 层析PIV的工作原理 在测量体内的示踪颗粒由高能量的脉冲激光光源照亮，其散射光由4个不同方向拍摄的CCD相机记录下来，然后由三维空间中每一点光强的分布，利用层析重构算法(MART)对三维空间颗粒的分布进行重构。给定的三维维断区域中颗粒的位移是通过双曝光形成的两个重构颗粒图像进行三维互相关获得的，其中利用了变形立体网格的多重网格迭代算法。 FlowMaster内窥式 PIV 内燃机、涡轮机或水泵的内流场PIV测量通常需要制造昂贵的带有大窗口以获得足够光通路的模型。在这些实验中，使用LaVision的内窥PIV系统具有极大的优势。只要8mm直径小孔的光学通道就可以满足PIV测量的需要，这给实验带来了极大的方便，并且大大降低了模型设计加工的成本。 用于光学通路受限应用场合的相机和激光内窥镜 特制的内窥镜式实验装置 LaVision的激光内窥镜将高能量脉冲激光点光源变为片光源，它被设计安装在激光导光臂(多关节光臂)的出口，在末端由一根细钢管完成壁面的内嵌。 图像的采集由经过特殊设计的相机内窥镜完成，这种内窥镜可以非常方便地取代镜头安装在FlowMaster系列的相机上。 封闭区域内流场中的空气动力学现象研究 应用领域 涡轮机、 飞行器引擎、压缩机、水泵的研究 内燃机中的流动、滚转和涡流研究 反应流场、工业反应器及燃烧研究 制药及医学应用研究 内燃机中的滚转流场 FlowMaster显微 PIV 粒子图像 速度矢量场含有气泡的微通道 常规 PIV 应用于微尺度系统 FlowMasterMITAS 倒置的激光成像显微镜，用游戏杆操纵，控制三维精密位移平台 FlowMaster 显微PIV系统是设计用来测量微米级空间分辨率下示踪颗粒速度场的专门测量系统，它同样利用了PIV技术。 显微 PIV装置 系统采用双脉冲Nd：YAG激光作为光源，通过一个大数值孔径光圈的荧光显微镜聚集到微流动模型上。微流动采用荧光颗粒作为示踪物，通过显微镜采集到的颗粒散射光的波长比入射光波长要长。由于波长不同，这个光波信号通过一个滤波透镜与入射光分离开，并由FlowMaster系列相机拍摄下来。由双曝光产生的颗粒图像，经过通用的PIV算法处理后可以获得速度场结果。 FlowMaster MITAS激光图像系统由-一个三轴驱动显微位移平台构成， 该平台拥有一个高性能的控制器并且装备了一个精度很高的显微物镜。在标准的应用中使用了一个小型的二极管泵浦固体激光器(DPSS)作为脉冲光源以及通用跨帧多曝光CCD相机。内置了同步控制单元的系统计算机负责控制整个激光图像系统。LaVision的模块化DaVis软件用以进行高级的图像采集和数据分析工作。 xyz (调焦)三坐标位移台可以用一个游戏杆进行手动操作，也可以通过DaVis软件中的控制管理器进行操作。管理器中有一个包含许多位置信息的列表，每一个位置信息都可以被添加、编辑和删除。方便的可重复定位的特性保证了系统在每次操作以后，比如更换透镜以后都可以定位到原来的操作位置。激光通过一根光纤传导到显微位移平台上。一个内置的导航 发光二极管用以帮助进行目标聚焦调节。其中的光波滤波模块盒可以随时更换以适应不同入射和散射波长的光信号分离。 DaVis软件中位置列表主对话框 根据不同的应用需求， LaVision的FlowMaster系统集成了多种激光片状光 源和相机： PIV 相机型号 Imager Intense Imager pro X 2M Imager pro X4M Imager pro X 11M HSS5 HSS6 分辨率[像素] 1376x1040 1600x1200 2048x2048 4008x2672 1024x1024 1024x1024 最大分辨率时的帧频 10 Hz 30 Hz 14 Hz 5 Hz 3 kHz 5.4kHz 像素尺寸[um] 6.45x6.45 7.4x7.4 7.4x7.4 9.0x9.0 17x17 20x20 最小时间间隔(dt) 500 ns 110 ns 115 ns 210 ns 2 us 4.8 ps 动态范围 12 bit 14 bit 14 bit 14 bit 10 bit 12 bit 成像光学元件 滤光片 光束传导组件 片光成型元件 触发同步 处理器 附件 激光器 北京欧兰科技发展有限公司 北京市海淀区上地十街1号 辉煌国际中心1心楼1006室，邮编100085 电话： +86-10-62623871，62616041，62612809 可以提供与CCD相机耦合的、模块化的像增强器，以获得最大的灵敏 度。 用于倾斜拍摄的Scheimpflug 镜头支架(可以遥控!) 相机内窥镜 卜长工作距离显微镜 用于显微PIV的倒置荧光显微镜 窄带宽，有利于抑制本底背景 卜 激光光导臂多用途高损伤阈值反射镜 激光内窥镜 可调焦距和光束发散角大范围安装角度 所有操作模式下均可实现同步 多多用途、可编程、内置于PC机内的时间同步控制单元 32路触发通道 响应外部触发 相位锁定测量 并行处理(多处理器计算机) 多计算机组合配置(主/从配置) 卜Windows XP操作系统 卜粒子发生器和各种粒子 步步进电机和移动平台(用于扫描) 工作台 外置机械快门 多个供应商提供不同型号和指标的双脉冲激光器，输出能量 范围很大 LAVISION GMBH LAVISION INC. 301W. MICHIGAN AVE./SUITE 403 YPSILANTI， MI 48197/USA E-MAIL： SALES@LAVISIONINC.COM WWW.LAVISIONINC.COM PHONE：(734)485-0913 07/07 北京市海淀区上地十街1号辉煌国际中心1心楼1006室，邮编100085电话： +86-10-62623871，62616041，62612809传真： +86-10-59713638手机：13001184981，13611196791电邮： oplan@263.net oplanchina@gmail.com 网址： www.oplanchina.com www.dpiv.cn D-37081 GOETTINGEN/GERMANYE-MAIL： INFO@LAVISION.COMwwW.LAVISION.COMTEL.：+49-(0)551-9004-0FAX： +49-(0)551-9004-100 ( 301W. MICHIGAN AVE./SUITE 403YPSILANTI， MI 48197/USA E-MAIL： SALES@LAVISIONINC.COM WWW.LAVISIONINC.COMPHONE：(734)485-0913FAX： (240)465-4306 07/07 )