基于双光场相机的高分辨率光场三维PIV技术

光场相机粒子图像测速（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）是一种近几年新发展起来的流动测试手段，能够仅通过单个光场相机测量3D-3C瞬态速度场，简化了三维流场测量的实验复杂度，特别是能实现受限空间的三维速度场测量。然而这一技术尚存在一些不足:由于光场相机沿景深方向的空间分辨率较低，沿该方向的速度测量精度低于垂直于景深方向的测量精度。本文尝试从硬件角度入手，发展一种双光场相机流动测试技术，通过增大对示踪粒子的观察视角，来提高光场三维测量系统沿景深方向的空间分辨率。基于乘积代数迭代技术（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，MART），开发了针对双光场相机的粒子三维重构算法。分别利用直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）水射流的数字合成图像与低速水射流涡环的实验图像，将双光场相机的测量结果与单光场相机的测量结果进行对比分析研究。结果表明双光场相机与单光场相机相比显著提高了相机沿景深方向的测量精度。     

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合，实现单相机对空间三维瞬态流场（3D3C）的精确测量，为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术（MART）的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像，将所发展的光场单相机三维流场测试技术（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV）进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。     

基于单相机光场PIV的逆压湍流边界层测量

作为一种新兴的体三维粒子图像测速技术，光场单相机三维粒子图像测速技术（Single-Camera Light-Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）能够仅用单个相机获得三维速度场，其结果已在许多复杂三维流动测量中得到验证。LF-PIV的优势主要在于其紧凑简便的硬件设备以及对光学窗口较宽松的要求。应用LF-PIV技术对一个自相似的逆压湍流边界层（Adverse Pressure Gradient Turbulent Boundary Layer，APG-TBL）进行测量，该实验在澳大利亚莫纳什大学（Monash University）航空航天与燃烧湍流研究实验室（Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion，LTRAC）水洞中完成。实验对远、近壁面测量所得到的各600组瞬态三维流场数据进行分析验证，并与相同工况下的2D-PIV实验结果对比，证明基于DRT-MART重构技术的LF-PIV能够进行基本的湍流边界层测量。     

基于光场三维重构和PSP的曲面压力测量技术

光场单相机三维压力测量技术（LF-3DPSP）将光场三维成像技术和压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术结合，测量三维模型上的压力分布，为气动实验研究提供了一种全新的测量手段。LF-3DPSP采用与传统二维PSP技术相似的步骤，不同的是在试验阶段采用具有自主知识产权的光场相机硬件系统拍摄PSP图像和模型纹理图像，用于计算模型表面压力分布和模型三维结构尺寸。以截锥体为例，在Ma5的高超声速风洞中对该技术进行验证性试验研究。结果表明:LF-3DPSP技术能够精确测量大曲率模型的三维表面压力分布，且压力分布结果与纹影试验结果相匹配。     

复杂固体边界流场的三维 PIV 测试技术：任意三维边界识别算法

针对复杂固体边界三维流场的 PIV 测试应用,以及流固耦合实验研究中流场和固体结构特征的瞬态同步测试需求,发展了一种基于双相机布置形式的任意三维边界识别算法以精确获取三维表面几何信息;并以基于MLOS-SMART 三维粒子场重构的 Tomo-PIV 算法计算三维速度矢量场,可同步获取三维表面结构运动／变形信息和三维瞬态速度场。这一边界识别算法基于 SURF（加速稳健特征）模式识别算法进行三维曲面重构,可以确定流场中三维物体结构的边界特征。论文采用双相机布置方式获取了三种不同曲率的圆柱曲面图像,验证了所发展的三维边界识别算法的准确性。最后以圆柱绕流 Tomo-PIV 数字合成粒子图像序列为验证对象,采用所发展的边界识别算法和 Tomo-PIV 算法分别高质量地计算出圆柱曲面信息和三维速度场。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。     

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

层析粒子图像测速技术研究进展

层析粒子图像测速技术（Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV）作为一种瞬时的三维流场速度测量技术,能够为具有强非定常性及强三维空间性的复杂流动提供详细的数据支撑。对近年来该技术在国内外的发展及应用进行了全面的综述。首先介绍了层析粒子图像测速技术的工作原理和技术特点,进而探讨了当前层析粒子图像测速的研究现状,重点从相机布局、示踪粒子密度、标定映射函数及三维重构算法对重构精度的影响等方面进行了阐述,而后通过国内外关于层析粒子图像测速技术的典型应用,展示了该技术在非定常三维流动及工程应用中的优势。最后,对层析粒子图像测速技术的应用前景及发展趋势进行了展望。     

一种基于DSP的宽范围自动曝光控制系统的设计

为能拍摄出清晰的地面目标图像,航空相机需要自动曝光系统。提出了一种光圈和快门曝光时间均可调整的宽范围自动曝光控制原理,给出了基于DSP的自动曝光控制系统的硬件原理电路和软件设计。经测试和使用证明,系统适应曝光范围大,测量精确,工作稳定可靠。     

温敏漆校准及图像后处理方法研究

涂料校准误差是温敏漆实验技术中的重要误差源。针对国产615/EP配方温敏漆实施校准实验，系统研究了校准过程中涉及的CCD曝光时间，图像平均幅数，噪点的强度、体积和数量，图像清晰度和模数转换位数等技术参数对校准精准度的影响。研究结果表明:噪点的强度、体积和数量对涂料校准精准度影响很大。在噪点数量少、强度弱的取图区域中，图像清晰度对校准精准度影响很小，单幅图像即可保证校准精准度的要求。为了获得较高的校准精准度，对于滨松ORCA-R2型CCD相机，建议采集图像灰度值大于相机满井值的32%，同时要求温敏漆风洞实验与校准实验中采集图像的位数保持一致。     

斜出口合成射流控制机翼分离流实验研究

采用倾斜出口合成射流激励器对NACA633-421三维直机翼进行分离流主动流动控制,天平测力结果表明合成射流可以有效地控制机翼流动分离,提升最大升力系数10.4%,推迟失速迎角4°。运用边界层测试技术及粒子图像测速系统(PIV)对合成射流分离流控制机制进行研究分析,结果表明,控制后边界层速度型变得“饱满”,形状因子减小,其底层能量增加,抵抗逆压梯度能力增强。瞬态及时均化PIV测试流场图进一步证明合成射流向主流进行动量注入及掺混后,主流附着机翼表面,翼面附近流体湍流动能和雷诺剪切应力增加,分离点向下游推迟,流动分离得到抑制。     

基于图像分割的两相流PIV/PTV测量技术

介绍了采用图像分割技术,将密度较低的大悬浮颗粒和高浓度的示踪粒子共存的两相流场图像进行分离(相分离),对经过分割的悬浮相图像和连续相图像分别进行PTV和PIV运算,以实现对两相流动各个相速度场的同时测量.而后将基于相分离的PIV/PTV程序应用于对液固两相冲击射流流场的实验测量,并对测量结果进行了研究和分析,从而验证了相分离程序.实验结果表明,基于图像分割的PIV/PTV程序在两相流速度场测量中具有较好的实用性.     

压电驱动自耦合射流流动特性实验

为了研究压电驱动狭缝喷口自耦合射流的流动特性,采用PIV、热线风速仪测试手段,对自耦合射流激发器在不同激励因素下的流场和速度场分布进行了实验和分析.结果显示,自耦合射流在狭缝出口处产生了反向涡对,随着自耦合射流的发展,射流呈现出在喷口短轴方向急剧向两侧扩展、而在喷口长轴方向先收缩后缓慢扩展的流动特征;自耦合射流的速度分布在法线方向呈现先上升后下降的趋势,在z/b=10左右速度达到最大值;在射流展向上,短轴方向速度呈规律的对称分布和速度自模的特征,而长轴方向速度近喷口区域呈现马鞍状分布,随着法向距离增加这种趋势消失.研究中发现,激发器存在两个谐振频率,在谐振频率激发下自耦合射流的速度和涡量比较大.与常规射流相比,自耦合射流显示出了独特的流动特性.     

高温射流中粒子测速的脉冲激光显微照像技术

为了获得高温射流中微粒的速度,建立了一套显微照像系统.该系统由双脉冲YAG激光光源、粒子放大成像系统、图像接收系统组成.在采用显微成像技术、补偿式滤光技术、序列成像技术后,克服了喷射粒子直径小、流场发光强、温度高等困难,实现了对同一粒子的两序列照像,根据两幅序列照片,获得了粒子的喷射速度.对该系统的组成、原理及试验结果进行了介绍.     

基于多目立体视觉和神经网络标定的表面形貌测量方法研究

针对三维表面形貌的非接触式光学测量是计算机多目立体视觉技术的一项重要应用，但目前还存在相机个数受限、特征点匹配算法复杂与纵向测量精度不够等难题。开发了一种基于多目立体视觉和神经网络标定的表面形貌测量方法，其中包括:使用神经网络完成多目标定与三维重构，在表面投射激光点阵作为图像识别与匹配的特征点，应用蚁群粒子跟踪测速技术进行多相机间相同特征点的匹配。经实验测试，相较于传统基于小孔成像模型进行标定与基于核线约束或互相关算法进行匹配的立体视觉测量系统，所提出的方法可适配具有大光学畸变的场景，能有效提高测量的空间分辨率，深度方向的测量误差在1.0%～2.0%的水平。     

应用PIV技术对气固两相流粒子浓度场的瞬时测量

气固两相射流有着广泛的应用领域。但如何测量瞬态的粒子浓度和粒子速度目前还没有很好的解决。笔者采用PIV技术,能瞬时测量气固两相射流轴对称平面上粒子浓度分布、粒子运动速度。