PIV原理及其组成

PIV(Particle Image Velocimetry粒子图象测速技术)是在流动显示技术的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。PVI技术的主要特点就是突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息，从而可以获得流动的瞬时平面速度场、脉动速度场和涡量场等。因此PIV非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。同时现在的PIV系统还具备了与单点测量仪器(如多普勒激光测速仪LAD等)相当的空间分辨率。因此即使仅限于二维测量，PIV也是一种先进的研究复杂流动的定量工具。

近年来，由于计算机技术及激光应用技术的迅速发展，PIV技术已趋于成熟。PIV系统主要由照明、粒子的选择、成像和图像处理等部分组成。照明部分主要包括连续或脉冲激光器、光传输系统和片光源光学系统;成像部分包括图像捕捉装置和同步器等。粒子主要采用有较强的光散射特性和较高的信噪比的粒子。图像处理部分包括帧捕集器和分析显示软件。帧捕集器将粒子图像数字化，并将连续图像储存到计算机的内存中。分析显示软件分析视频或照相图像，实时显示采样的图像数据，显示速度矢量场。测试时，激光器发出激光束，光学元件将光束变成片光源照亮所测流场。如是脉冲激光器，需设置脉冲间隔，脉冲延迟期和激光脉冲等，高速CDC或MCOS相机捕捉激光照亮流场的两幅图像，并将图像转化为数字信号传入计算机。

1．PIV测试系统基本原理

PIV是一种瞬态流动速度场测量技术，它的基本原理是在流场中撒布合适的示踪粒子，该示踪粒子均匀分布且跟随性、反光性良好、比重与流体相当。将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1mm的片光源入射到流场待测区域。CCD摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。利用示踪粒子对光的散射作用，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成两幅 PTV底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片)。底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。整个待测区域包含了大量的示踪粒子，很难从两幅图像中分辨出同一粒子，从而无法获得所需的位移矢量。采用图像处理技术将所得图像分成许多很小的区域（称为查问区），使用自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大小和方向，脉冲间隔时间已设定，粒子的速度矢量即可求出。对查问区中所有粒子的数据进行统计平均可得该查问区的速度矢量，对所有查问区进行上述判定和统计可得出整个速度矢量场。在实测时，对同一位置可拍摄多对曝光图片，这样能够更全而、更精确地反映出整个流场内部的流动状态。

PTV测速是基于最直接的流体速度测量方法。在已知的时间间隔Δt内，流场中某一示踪粒子在二维平而上运动，它在x，y两个方向的位移是时间t的函数。该示踪粒子所在处水质点的二维速度可以表示为：

式中 、 为水质点沿x、y方向的瞬时速度； 、 为水质点沿x、y方向的平均速度；Δt为测量的时间间隔。

2.PIV测试系统组成

PIV系统主要由以下几部分构成：撒入示踪粒子的被测流场、光源、图像采集部分、图像处理部分。下面逐一进行讨论。

2.1示踪粒子

粒子图像测速，其基本原理是将示踪粒子播撒于流场中，以观测到的粒子的运动来揭示流场运动的规律(即流场内的速度分布)。因而可以说，示踪粒子作为流场运动的形象化手段，起到了一种媒介的作用。其主要考虑两方面的因素:跟随性和光散射特性。跟随性是指粒子跟随液体流动的性能。由于示踪粒子本身具有一定的质量，因此随液体流动时存在惯性，使得粒子的运动不完全等同于流场的运动。粒子的密度或者尺寸越大，那么它的跟随性越差，如果液体的粘滞系数越高，则粒子速度越接近流场速度。粒子密度过低，虽然有利于提高跟随性，但可能造成粒子飘浮于水面而不能悬浮其中，粒子的大小会影响它的成像质量。兼顾各方面的因素，选择示踪粒子时，应当使粒子的密度与液体大致相同。

PIV技术除了对粒子本身的性质有特殊要求外，还应注意粒子在流场中的散布。只有存在粒子的区域才能直接测量速度，否则只能采用插值等估计的办法获得该位置速度的估计值，如果存在大面积无粒子或粒子稀少的情况，对于测量是十分不利的。因此PW作为一种全流场测速技术，要求尽量使整个被测场区均匀分布粒子。

2.2被测流场环境

PIV测量对于被测流场的环境也有一定的要求。被测环境主要影响图像的成像质量，例如：如果被测流场的液体较为浑浊，那么将会影响视场的可见度；在亮度较高的环境中采集图像，除了示踪粒子外，极有可能拍摄到背景中的其它物体，等等。这些问题最终都表现为图像背景噪声增大、质量下降，尽管后续步骤会对采集到的图像进行预处理，但从源头减小它们的影响仍然是一个非常有效的途径。因此，在条件允许的情况下，流场液体尽可能清澈、被测环境的光线尽可能暗淡、背景物体保持静止，这样就能大幅减少被测流场环境对于PIV测量的不利干扰。

2.3光源

在PIV系统中，光源负责照明被测的流场区域。挑选光源的时候主要考虑功率、光谱分布和脉冲间隔的可调性。首先，较大的功率能够保证光照强度大而曝光时间短，从而使粒子在图像上清晰地成像。其次，光照应当均匀，这样才能使粒子之间的亮度分布趋近一致。同时，三维PIV测量要求光源的脉冲间隔可调范围大并且可与摄像机同步。常见的白炽灯是一种廉价的解决方案，使用时较为方便，效果一般。激光器光源具有功率高、单色性好、控制精确的优点，越来越多的被采用到高档PIV测量系统中来。通过调整脉冲间隔时间，可实现低速到高速的流场测量。实验时经常采用投影仪作为光源，它的优点是使用方便，体积小巧，亮度均匀，且光色、亮度和照明范围灵活可调，同时成本较激光光源大为降低。

2.4图像采集部分

图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集。PIV测量过程实际是一个图像处理的过程，这些包含信息的图像数据来自图像采集部分，要获得准确的处理结果，优良的图像采集部分是必不可少的。三维PIV系统的图像采集部分主要包括摄像机、图像采集卡、计算机和它们之间的连线。

2.5图像处理部分