數(shù)字式粒子圖像測速方法研究及其在氧化溝模型中的應用.pdf

1、DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)在現(xiàn)代流場測試中發(fā)揮著重要作用，是流場測速研究的主要發(fā)展方向之一。DPIV具有全場、動態(tài)、非接觸測量等優(yōu)點，廣泛應用于空氣動力學、水動力學、燃燒傳值以及流體機械等各種實驗中。近十年來，隨著光學技術、成像技術和計算機圖像處理技術的迅速發(fā)展，常規(guī)二維DPIV日趨成熟。技術進步新的要求和流場測速新課題的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，對流場進行三維DPIV、多相DPIV和微DPIV

2、測量的需求日益增強。國外在DPIV研究領域起步早、技術較為先進。國內(nèi)研究總體上不及國外，成果轉(zhuǎn)化相對滯后，但研究對象涉及了幾乎所有的DPIV課題。繼續(xù)深化、完善DPIV不僅具有重要的學術意義，從實踐角度來講，進行DPIV研究和系統(tǒng)實現(xiàn)對推動國內(nèi)DPIV技術開發(fā)應用和產(chǎn)業(yè)化進程具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。 論文圍繞著DPIV方法及與其相關技術來展開，全面、系統(tǒng)地研究DPIV的理論基礎及其實現(xiàn)方法，重點研究DPIV硬件子系統(tǒng)的參數(shù)

3、選擇及其相互間的匹配、基于灰度圖像互相關二維DPIV速度信息提取方法、DPIV亞像素定位方法和2D-3cPIV 方法及其實現(xiàn)中的若干關鍵技術。 DPIV原理比較簡單，但在應用DPIV和系統(tǒng)開發(fā)時，對系統(tǒng)硬件參數(shù)選擇及其相互間的匹配有著極其嚴格的要求。DPIV 實現(xiàn)的第一個步驟是圖像采集，應考慮的主要因素包括：示蹤粒子的直徑大小、密度、形狀、光散射性能、播撒均勻性及濃度等參數(shù)，相機的曝光時間、幀轉(zhuǎn)移時間、分辨率、像元尺度、敏感光譜

4、范圍、快門時間等參數(shù)，鏡頭畸變系數(shù)、焦距和光學分辨率、景深，激光光源的脈沖間隔時間和功率等參數(shù)以及片光和體積光的形成光路。確定這些參數(shù)的原則是粒子對流動介質(zhì)具有較好的跟隨性，保證獲得高質(zhì)量粒子圖像，有利于后續(xù)算法的處理。論文系統(tǒng)地論述了這些因素及其如何影響測量結(jié)果，總結(jié)了幾個經(jīng)驗公式以利于這些參數(shù)的估算和設置。 粒子圖像匹配是DPIV速度信息提取過程的核心。論文重點研究了其中的匹配測度、提速算法和匹配策略。通過分析大量的實驗結(jié)果

5、，選用標準化相關系數(shù)作為圖像匹配算法的相關測度，既能兼顧粒子匹配成功率也能降低算法的時間開銷，通過優(yōu)化算法的搜索空間極大地減少了互相關運算量。 通過DPIV誤差源的分析表明，對圖像互相關峰值位置和標定板上目標像中心的亞像素定位可以提高測量精度。經(jīng)典的亞像素定位方法基于高斯模型，這種擬合法的精度完全取決于粗匹配的相關測度分布。當擬合曲面較為平緩時，需要增大擬合窗口，測量精度可能下降。最小二乘匹配法同時考慮了灰度圖像的灰度畸變和幾何

6、畸變，通過迭代過程尋找到最佳的匹配窗口，能夠克服定位算法對相關測度的依賴性，提高了匹配精度。最小二乘匹配法的收斂速度取決于算法的初始位置、匹配精度或迭代次數(shù)，論文建立的最小二乘匹配算法以二次多項式擬合作為粗匹配，將其結(jié)果作為算法的起始位置，通過指定算法的匹配精度和迭代次數(shù)來控制計算時間。還研究了目標像中心亞像素估算算子，對Wong-Trinder算子進行改進以提高定位精度。針對已有的體視2D-3cPIV，論文全面分析了相機布局、相機標定

7、和三維速度重建方法。在此基礎上，提出了一種基于3D標定的 2D-3cPIV方法，其中包括數(shù)學模型、相機標定和三維速度重建方法。該方法基于針孔相機光學模型，利用幾何共線方程建立相機像平面坐標和三維空間坐標的映射關系。采用Tsai’s標定算法獲取相機的內(nèi)外部參數(shù)，得到該映射函數(shù)的解析式，具有標定快捷方便、準確的優(yōu)點。基于像平面同名矢量是空間矢量在不同相機上的投影這一事實，將左相機矢量起點逆向映射到目標平面，再正向映射到右相機像平面并在該位置

8、插值矢量場，得到與左相機矢量對應的矢量。由這兩個像平面矢量，根據(jù)事先建立的相機數(shù)學模型和標定參數(shù)恢復出真實的空間三維速度矢量。這種重建方法分別對兩部相機時間序列圖像進行粒子運動匹配，結(jié)合了現(xiàn)有的二維DPIV粒子匹配方法，降低了粒子匹配的難度，不需任何相機布局參數(shù)，能夠快速、準確地計算出流場的三維速度矢量分布。 研究的算法通過 Matlab6.5 編程實現(xiàn)，使用標準圖像進行仿真實驗，取得較為滿意的結(jié)果。這些算法同時通過了氧化溝模型