PIV技术的粒子图像处理方法

以图像相关理论为基础,研究粒子图像测速技术(PIV)的图像处理方法,编制出高精度的处理软件,重建计算模拟的粒子图像位移场,给出了自相关法与互相关法的积相关与减相关的计算结果,及互相关法的误差分析,分析了自相关与互相关区别.得出了互相关法是提高粒子图像测速技术精度的有效方法的结论,因此跨帧技术是PIV技术的发展方向.     

中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验

中国空间站燃烧科学实验系统是用于开展微重力燃烧实验研究的综合性科学实验平台，可以实现燃烧流场测量。为了验证燃烧科学实验系统粒子图像测速(PIV)单元对燃烧流场测量的功能与可行性，本文基于与在轨状态一致的连续激光器和相机的空间布局，搭建了地面层流圆孔射流试验平台，选取Al₂O_3，TiO_2，ZrO₂三种示踪粒子进行冷态试验与热态试验。试验结果表明，自主研制Nd∶YVO₄泵浦连续激光器偏光角度合适，能照亮被测流场主流区域，燃烧科学实验系统PIV单元可用于低速燃烧流场测量；相同工况下，Al₂O₃粒子在冷态试验测量的速度值更接近于理论值，速度幅值比更接近1，更适用于低速流体测量。      

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

基于步进频连续波的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统

为了克服压控振荡器（VCO）输出线性调频（LFM）信号频率线性度较差的缺点,本文提出了基于直接数字合成（DDS）技术产生步进频连续波信号的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统,该系统具有距离分辨率高、频率精度高以及波形产生和波形控制较为简单的优点。首先,本文通过步进频连续波信号的探测原理分析了该信号的一维距离像、距离分辨率以及距离模糊的特点;然后,通过波动方程推导出近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统的重构算法;最后,在微波暗室搭建了半实物仿真成像系统,验证了步进频连续波信号在近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统中应用的可行性和有效性。     

基于定点旋转的遥操作前端视觉自标定

为解决遥操作过程中当前端视觉内参数改变时的标定问题,特别是在一些危险的或是人无法到达的环境下,在前端放置标定物用传统的方法进行标定是不可能的,因此采用了一种基于定点旋转的自标定技术来进行标定.对基于定点旋转的自标定方法进行了理论推导,得到了标定步骤.在试验过程中,摄像机固定在一种旋转装置上进行拍摄,采用SIFT(Scale Invariant Feature Transformation)算法对拍摄的图像进行特征点检测和匹配,采用牛顿算法进行计算.为和传统的标定方法进行比较,对自制的平面模板进行拍摄,利用Harris算子对平面模板图像进行角点检测,用传统的标定方法重新对摄像机进行标定.结果表明两种方法得到的答案相近,用传统标定方法标定结果是接近摄像机真实参数值的,说明这种新的标定方法是一种有效的标定方法.      

TOF相机在空间近距离目标探测中的应用研究

3D TOF相机具有同时获取目标的灰度和深度图像的功能,从而能够实时得到目标物体的三维点云,实现三维成像.主要介绍了3D TOF相机的工作机理以及应用场景等,同时模拟空间近距离目标探测的应用对目标进行成像研究,分析了不同条件下对目标物成像的影响因素以及相机的误差来源和误差的校正方法,并通过相机对深度信息的获取,对相机的距离探测精度进行了测试.     

基于交会对接CCD光学成像敏感器的双目测量算法

在空间交会对接近距离逼近阶段,CCD光学成像敏感器作为相对导航信息获取的主要测量敏感器,其测量性能直接关系到空间交会对接能否成功.针对适用于空间交会对接过程中CCD光学成像敏感器的双目测量算法展开研究,推导了基于主像机坐标系的双目测量算法计算公式,并重点对其抗干扰能力进行研究,最后对该双目测量算法进行了仿真分析并给出了仿真结果.     

基于波动光学的显微光场成像点扩散函数

光场Micro-PIV通过Lucy-Richardson（L-R）算法对光场图片进行反卷积重建,从而获得示踪粒子的三维坐标信息,准确的点扩散函数（PSF）是L-R算法完成重建的前提,而现有PSF模型不适用于光场Micro-PIV系统。为此,建立了基于波动光学的显微光场成像PSF模型,进行了数值仿真,获得了模拟PSF图像,并通过结构相似性算法计算了模拟PSF图像与实际PSF图像的相似度,进一步利用L-R算法结合PSF对单个粒子和不同浓度下示踪粒子的流场进行了三维重建。结果表明:模拟PSF图像与实际PSF图像相似度大于0.94,表明PSF模型具有较高的准确性;单个粒子的三维坐标误差在一个像素以内,并可准确地获得不同浓度下示踪粒子的三维坐标信息,进一步验证了模型的准确性,为光场Micro-PIV实现瞬时三维速度场测量奠定了基础。      

开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响

开缝圆柱绕流作为钝体绕流研究的分支,具备很强的应用前景,但是对其复杂的流动现象的物理本质的理解仍不完善。本文采用流动显示技术和粒子成像测速技术(PIV),探究缝隙对开缝圆柱流场结构的影响,在数据处理方面采用本征正交分解(POD)方法对开缝圆柱流场信息进行了重建。实验研究表明:在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙的存在从根本上改变了圆柱绕流近区尾流的结构;开缝圆柱脱落涡的脱落频率对开缝圆柱缝隙倾斜角具有一定的敏感性,随着缝隙倾斜角的增大其斯特劳哈尔数逐渐变大,对比发现开缝圆柱狭缝比(缝隙/直径)为0.15时较0.10的斯特劳哈尔数具有更强的稳定性。     

水介质中降落球形塑料颗粒与静止气泡的 黏附行为

为了揭示球形塑料颗粒在气泡表面的黏附行为及机理,采用高速摄影仪对自由降落的球形塑料颗粒与固定在水槽中静止气泡的黏附过程进行拍摄,利用图像处理方法提取颗粒黏附过程运动特性曲线及碰撞角与运动时间的关系,研究颗粒碰撞位置、颗粒和气泡直径对黏附行为的影响。实验结果表明:颗粒的黏附主要分为碰撞黏附和滑动黏附,气泡表面的滑动壁面假设与实验值的吻合度较高。此外,通过对实验数据的统计发现,随着碰撞角的增大,感应时间明显增长,但是颗粒陷入气泡表面的时间基本维持在10 ms,颗粒陷入气泡的深度受气泡和颗粒尺寸的共同影响,约占气泡与颗粒直径之和的2%。      

数字全息粒子图像测速技术研究

 通过全息照相及再现的理论分析,进行了数字全息计算机数值模拟,利用快速傅里叶变换技术(FFT)对拍摄到的干涉条纹进行了图像复频域的信号分析,实现了数字全息的复频域滤波技术和全息图的小景深再现技术,应用于数字全息粒子图像测速DHPIV(Digital Holography Particle Image Velocimetry)技术.并对立方体对角复杂流动流场进行了试验测量,得到了空间中的三维速度向量场分布,进而得到了三维流线的空间分布,实现了具有时间序列全流场三维空间的三维速度场测量.     

基于互相关矢量图的车牌定位新算法

互相关矢量图是由流场粒子图像测速的互相关计算结果绘成的矢量图形,提出一种车牌自动定位的新算法--VMLA算法,该算法基于字符笔画左右边缘之间的互相关矢量图的结构特点,可以从复杂车牌图像背景中搜索到车牌的正确位置.VMLA算法具有较强的车牌大小自适应性和实时处理能力,540幅车牌图像的实验结果初步验证了该方法的有效性.     

视觉检测中高速图像采集技术的研究

利用视频输入处理器(SAA7111)和现场可编程门阵列(FPGA),采用全硬件方式和两帧轮换存储方式设计实现了图像采集系统、计算机以及前端硬件处理系统之间的相互接口,使得视觉检测中视觉传感器能够同时进行图像采集和低级图像处理.     

角区三维分离流附着鞍点拓扑结构及其演化

实验研究角区层流边界层三维定常分离附着鞍点拓扑结构的存在性及其演化规律.二维粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)激光片光源设置于给定平板和不同模型组成的角区对称面,采用微距镜头捕捉对称面奇点附近的局部流动拓扑结构.实验证实在一定流动参数条件下多种形状模型与平板形成的角区均存在有别于经典分离的附着鞍点拓扑结构;随着雷诺数增加或者随着模型钝度的变化,附着鞍点拓扑结构与经典分离鞍点拓扑结构之间存在着一定的演化规律;对附着鞍点拓扑结构与Lighthill经典三维分离模式的关系进行了分析,表明Lighthill经典三维分离模式也适用于分析附着鞍点拓扑结构.     

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

SAR图像的非下采样Contourlet噪声抑制算法

非下采样Contourlet变换克服了小波变换非一维奇异性最优基的缺点,而且其平移不变性使其边缘保持能力优于Contourlet.提出了一种非下采样Contourlet的合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)相干斑去噪模型.首先对SAR图像进行同态变换,将乘性噪声变为加性噪声;再进行非下采样Contourlet变换,包括非下采样金字塔分级和非下采样方向滤波2部分;最后利用阈值的方法将信噪实施分离.实验中针对乘性噪声污染的航拍图像和原始SAR图像,进行了传统的Lee滤波器和小波滤波器去噪,与上述模型去噪进行比较,在去噪性能和边缘保持的主观视觉上都得到了优异的结果.