PIV的原理与应用.pdf
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#的原理与应用孙鹤泉，康海贵，李广伟（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连$%&（）摘要：
!
#是一种无扰动的二维流场测试技术。
随着计算机技术、图像处理技术的快速发展，该技术近$&年来有了长足的发展。
详细阐述了!
#系统的结构与互相关分析原理，不但提供了在单向流实验中）*#与!
#的对比结果，而且提供了桩基码头模型时的涡流场分布，充分体现了!
#的实用价值。
关键词：
!
#；二维流场；互相关理论中图分类号：
+#$,$-,文献标识码：
.文章编号：
$&/01（,（&）&$0&（0&（收稿日期：
&$0$0&/作者简介：
孙鹤泉（$23,0），男，讲师，主要从事信息技术在海洋工程中的应用研究。
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前言传统的流速测量仪器，如通常采用的多普勒流速仪）*#（）4567894*5:
;=#8=），只能进行单点测量，而且是接触式测量，无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量。
当流场内部的流速变化较大，且有涡存在时，传统的仪器很难实现流速的准确测量。
计算机技术与图像处理技术的快速发展，使得流场测试技术得以迅速发展与提高。
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#（!
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=894;?
#8=A）$技术克服了以往流场测试中单点测量的局限性，能够进行平面二维流场的测试，是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术。
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#的结构利用!
#技术测量流速时，需要在测量的二维平面中均匀散播跟随性、反光性良好且比重与流体相当的的示踪粒子，使用BB*等摄像设备获取示踪粒子的运动图像。
对示踪粒子的运动图像进行分析，就能够获得二维流场的流速分布。
流场中某一示踪粒子在二维平面上运动，其在!
、两个方向上的位移随时间的变化为!
（#）、（#），是时间#的函数。
那么，该示踪粒子所在处的水质点的二维流速可以表示为公式（$）：
!
CD$!
（#）$#!
（#E#）0!
（#）#D!
C!
AD$（#）$#!
（#E#）0（#）#D!
A（$）式中：
!
C与!
A是水质占沿!
方向与方向的瞬时速度，!
C、!
A是水质点沿!
方向与方向的平均速度，#是测量的时间间隔。
在公式（$）中，当#足够小时，!
C与!
A的大小可以精确地反映!
C与!
A。
!
#技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。
当测量流体表面的流速时，可以在自然光照条件下进行实验，而对流体内部的二维流场测量时，必须使用辅助片光源照明，图$为采用!
#测量流场内部流速的实验示意图。
图$中所示的实验过程是这样的：
激光器产生的光束经柱面镜散射后变成光片，平行照射流场内部的一个平面，位于该平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头聚焦后通过成像阵列形成图像，对图像分析得出该平面上的流速分布。
标准的BB*设备（如!
6;F9C23&$）的曝光频率是固定的，且较低，即公式（$）中#的是固定的，且较大，只能测量流速变化均匀的流场；对于复杂的流场实验，需要采用高速BB*设备（如B）0*%0&/$G）。
利用下（水道港口!
#$%&（）&*+$,&-&%./&$0#$第,卷第$期&年,月万方数据面提到的互相关分析方法处理实验图像，就能够得到相应的二维流场分布图。
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互相关理论为了得到流速分布的细节情况，散播在流场中的示踪粒子的粒径应该非常小、浓度应该足够大，使得采集到的图像对有足够的流场信息。
这就很难从两幅图像中分辨同一个粒子，也就无法获得所需的相对位移。
而利用互相关分析理论!
，可以轻松地解决这个问题。
从上面的描述得知，图像采集系统获得的每一对图像都是从相同的空间位置上得到的，且曝光的时间间隔可以作为已知参数。
流场中的示踪粒子反射来自片光源的光线，每一粒子上反射的光强信号与其空间位置成单一映射，这就图#$%实验示意图形成光强信号与空间位置的函数映射关系，使用互相关分析方法可以确定两幅图像之间的对应关系。
为了讨论方便，假设流场只存在沿水平!
轴正向的速度，示踪粒子反射的光强沿!
轴的分布为一元函数（!
），图!
所示为某一时刻的光强分布。
图!
光强沿&轴的分布在实验过程中，#$%的测量区域固定不变，宽度为#，与图!
中的宽度对应。
在$时刻，第一幅图像采集到图!
中（!
，!
#）的光强信息；经过很小的间隔!
$（即为$!
时刻，其中$!
（$!
$），示踪粒子之间的相对位置和各示踪粒子上反射的光强不发生变化，仅仅是随流场沿&轴正向运动，使得第二幅图像采集到图!
中（!
，!
#）的光强信息，其中!
）!
（!
。
结合图!
，不考虑时间参数，并进行原点调整，得到$时刻与$!
时刻的光强分布表达式：
%（!
）（（!
），&（!
）（（!
），*!
#%（!
）（&（!
）（*，!
+*或!
#（!
）式中：
%（!
）为$时刻的光强信息，&（!
）为$!
时刻的光强信息。
根据互相关函数的定义，计算%（!
）与&（!
）的互相关函数，并利用公式（!
）进行如下变换：
%&（（））%（!
*（）&（!
）（!
）（!
+!
*（）（!
+!
）（!
）（!
*（+!
*!
）（!
）（!
（-）式中：
%&（（）为%（!
）与&（!
）的互相关函数。
另外，函数（!
）的自相关函数,（（）的定义为：
（（）（（!
）（）（!
）（!
（.）-.!
#的原理与应用孙鹤泉等万方数据那么，公式（!
）可以转化为：
!
#（$）%$#（&$#&%）%（$#!
&）（&）自相关函数是偶函数，且有如下基本性质：
%（）!
%（&）!
（）。
因此，在公式（!
）中，当$!
&时，（&）与#（&）的互相关函数取得极大值。
采用上述方法，对图像对划分网格，通过计算图像对的互相关函数，利用互相关函数极大值的位置确定图像网格的相对位移，即示踪粒子在时刻$与%之间的位移。
另外，从图像对的采集间隔，即公式（$）中的!
已知，可以进一步计算出示踪粒子在!
内的瞬时平均速度，从而能够获得流场内部的二维分布。
在计算机算法的具体实现上，可以利用互相关函数傅里叶变换的特性和傅里叶变换的快速算法，实现互相关函数的快速计算。
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应用举例自*+,技术研制成功以来，该技术在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室得到了充分应用，参与完成了多个科研项目中的流场测量，以下将提供两组具有代表性的实验结果。
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#单向流实验在单向流实验中，作者使用-.,流速仪与*+,系统同时测量流体内部的速度分布，表$中列出了两组系统的测试结果。
可以看出，*+,的计算结果与-.,流速仪的测量结果之间的误差在!
/%0以内，充分验证了*+,技术的精确性。
表$*+,和-.,的单向流测试结果&（12）（（12））-.,（1234））*+,（1234）相对误差（0）&/%&/%#/!
5$&/$5&/%!
/67$&/%&/%/!
5$&/%&/%）#/$6&$%/85$%/!
#/）$%/）!
$%/77%/5$%/8%$%/%）#/!
%$%/&$%/75$/5!
&%$/&7%$/75$/&$%$/!
%$/&8/$%$%$/%）%$/56!
/8$%$/56%$/!
#%/87&!
/$&!
/$#/$%$!
/76!
/75/!
$!
/%!
/%8/$!
$!
/75!
/56/!
%图!
桩基内部的流速分布图图）因槽壁反射而形成的旋涡!
$涡流实验在进行码头桩基下水流形态物理模型实验时，作者在使用-.,测量桩基模型外部开阔区域流速的同时，在自然光照条件下采用*+,技术测量了桩基模型内部的二维流场，得到了桩基间的流场形态和涡的位置。
图!
就是利用*+,技术测得的某一时刻的矢量分布图，图中的实心圆是桩基模型所在的位置，并用虚线）水道港口!
#$%&（）&*+$,&-&%./&$0#$第%!
卷第$期%年!
月万方数据圆绘出了涡的位置。
图!
对应逆向流实验，图中的最大流速为#$%&（，）*+在开阔区域测得的同步流速为,-#-%&（。
由于桩基的阻尼作用，内部流速明显小于开阔区域。
另外，由于实验水槽的长度有限，槽壁会对水流进行反射，并在槽壁前形成旋涡。
图.中的流场是在正向流情况下通过/0+方法测量得到的槽壁前的流场分布，可以从矢量分布图中清楚地观察到槽壁反射对水流的影响。
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（M%5537=4;欢迎订阅交通环保,$-年创刊，国内外公开发行，双月刊，）.开本，彩色封面，.页，全年定价.元（含邮包费）中国期刊网全文收录期刊中国学术期刊（光盘版）入编期刊中国学术期刊综合评价数据库来源期刊（万方数据R数字化期刊群入编期刊第一届、第二届交通部优秀科技期刊,$I年天津市,级科技期刊主管：
中华人民共和国交通部主办：
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I号邮政编码：
!
-.TL电话：
-JJJTI-TIJTI$TT-R$JJ传真：
-JJJTI$TT-RLITT.!
#的原理与应用孙鹤泉等万方数据PIV的原理与应用PIV的原理与应用作者：
孙鹤泉，康海贵，李广伟作者单位：
大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024刊名：
水道港口英文刊名：
JOURNALOFWATERWAYANDHARBOUR年，卷（期）：
2002，23
（1）被引用次数：
29次参考文献（4条）参考文献（4条）1.JWesterweelFundamentalsofdigitalparticleimagevelocimetry1997（12）2.孙鹤泉.康海贵DPIV流场测试技术中的数据处理期刊论文-大连理工大学学报2000（03）3.孙仲康快速富立叶变换及其应用19824.宗孔德.胡广书数字信号处理1997相似文献（10条）相似文献（10条）1.期刊论文孙鹤泉.康海贵.李广伟二维流场测量技术:
PIV-仪表技术与传感器2002,（6）PIV是一种无扰动的二维流场测量技术,近10年来随着计算机技术、图像处理技术的快速发展,PIV技术有了长足的发展.作者在与爱丁堡大学物理系合作的基础上,利用互相关分析方法,完成和完善了单镜头、双CCD的PIV系统,并已成功地应用在重点实验室的二维流速测量中.2.学位论文王平让PIV图像后处理新方法研究2004通常在水动力实验、空气动力实验中采用的流速测量仪器或方法,如超声波多普勒测速仪（ADV）、激光多普勒测速法（LDV）等,只能对流场进行单点测量,且多数仪器在应用时需要接触或进入流场,不能对测量区域内的二维流场进行无扰动测量.当流场内部的流速变化对外部干扰敏感且在空间上变化剧烈、需要测量流场的二维流速分布时,接触式的单点测
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