@关于粒子图像测速实验的一些小经验
1.何为粒子图像测速
粒子图像测速技术，即Particle image velocimetry, PIV。PIV是20世纪80年代逐步兴起的一种流动显示测量技术。PIV技术是实验流体力学领域集现代材料技术、激光技术、数字成像技术、计算机技术和图像分析技术为一身的最新发展成果，是一种无干扰、不接触流场的流动显示和测量技术。与单点测量仪器相比，PIV可以对二维平面或三维立体空间全场的二维或三维瞬时速度场进行测量，是目前广泛应用的流动显示和测量技术。传统的流场流速测量技术，如激光多普勒测速仪(Laser Doppler velocimetry, LDV)、声学多普勒流速仪(Acoustics Doppler velocimetry, ADV)、以及热膜/热线风速仪(Hot Film/Wire anemometry, HFWA)，基本上都是采用单点接触式测量，因此会对流场造成干扰，带来测量误差。粒子图像测速技术具有全场的高分辨率测量能力，除了测量平面二维流场外，目前最新的PIV系统已经可以同时测量平面或者立体空间内各点的三维速度分量。近年来，高速成像系统和激光技术的快速发展，进一步推动了PIV技术朝着高分辨率、时间解析、以及三维测量的方向发展，显著推进了湍流统计理论的研究进程。
2.平面粒子图像测速实验系统的原理架构
粒子图像测速技术测量流场速度的基本原理是，在待测流场中撒布跟随性较好的示踪粒子，利用强度均匀的片光光源照亮待测区域的示踪粒子；使用高速相机以固定的位置方向和相同时间间隔连续两次对被片光光源照亮的示踪粒子进行曝光，曝光后的图像分别记录在两张粒子图像中；将粒子图像划分为等像素大小的细小的判读窗口，通过对时间序列上前后两帧图像中相同位置的判读窗口进行互相关运算得到判读窗口内示踪粒子的平均位移，并根据已知的前后两帧照片跨帧时间求得速度，该速度就是判读窗口内所覆盖的流体微团的运动速度。
PIV测量流场速度的基本原理，如上图。PIV实验测量过程主要分为两个步骤：（1）通过采集设备获取粒子图像；（2）根据获取的粒子图像通过互相关计算得到流场速度，如上图中红色虚线框部分。
激光是PIV实验系统使用最广泛的光源，根据激光发光的不同模式可以分为连续激光和脉冲激光。连续激光主要应用在低速流场的流动显示测量，而脉冲激光则可用于低速至超声速流动的流场测量。PIV实验一般要求使用强脉冲激光光源，且脉冲光源应该满足两点要求：（1）每次脉冲的持续曝光时间（即脉宽长度）足够短，以避免粒子在成像过程中出现拖尾和过曝现象；（2）为了提高PIV的动态测量范围，连续两次脉冲之间的时间间隔 可以调节。脉冲激光器方面，Nd:YAG（钇铝石榴石晶体）激光器和Nd:YLF（掺钕氟化锂钇晶体）激光器是综合性能最能满足PIV实验要求的两种脉冲激光器。PIV实验中可以将两个脉冲激光器组合成双脉冲激光系统，两个脉冲激光器的发光时间可以通过时间同步器分别控制，这样就可以使得激光光源有任意长短的脉冲间隔，这就使得高能量Nd:YAG激光器能用于高频的时间解析流场采集。
高速相机是PIV实验系统的粒子图像采集工具。早期PIV系统主要使用胶片相机，其主要特点是分辨率高，但是需要通过复杂的化学处理程序才能获得粒子图像，并且粒子图像的分析还需要借助光学和机械设备。随着相机成像技术的高速发展，高分辨率CCD相机和CMOS相机开始广泛应用于PIV实验测量。相机与激光器通过时间同步器进行连接控制，就能实现在相应参数下，在激光片光照亮待测区域内粒子的同时，相机进行粒子图像的采集。
近年来，随着CMOS相机感光性能的不断优化，许多研究者尝试在PIV实验中将中等功率的连续激光器作为高频PIV的光源，以同时满足测量中、低速流动的需求。由于PIV实验中示踪粒子的成像需要一定时间间隔的曝光时间，利用连续激光器进行中高速流动PIV测量时，粒子容易产生拖尾现象。并且，连续激光器在实验中保持连续工作，会造成能源的浪费。但是，连续激光器PIV系统有着明显的经济性，在低速流场PIV实验测量中能搭载高速相机的同时，通过合理设置曝光时间，连续激光PIV实验系统的精度与高频脉冲激光器PIV实验系统基本一致。
示踪粒子是PIV实验的必备耗材。PIV实验系统中，示踪粒子被激光光源照亮，通过拍摄设备采集示踪粒子图像，以记录待测流体瞬时运动特征。良好的跟随性和散光性是PIV示踪粒子需要满足的两个基本条件。跟随性指的是示踪粒子跟随待测流体的运动能力，表现为示踪粒子运动速度对待测流体运动速度的接近程度。由于自然界中的流体运动基本都属于湍流状态，由流体力学知识得，湍流中存在许多不同尺度的相干结构，从平均意义上讲，湍流动能总是从最大尺度的涡旋结构输送到最小尺度的涡旋结构，最终被粘性耗散为热量，其中，湍流流动中涡旋结构的最小尺度为Kolmogorov尺度。已经有许多实验结果表明，自然界的大多数湍流流动中Kolmogorov尺度对应的物理尺寸为30~50μm。因此，PIV示踪粒子的粒子直径应尽量小于50μm，否则将无法跟随湍流中小尺度涡旋结构的运动。散光性指的是示踪粒子散射照明光源的能力。由于PIV示踪粒子成像质量（即粒子图像与背景之间的对比度）与示踪粒子散射的光强直接相关，而示踪粒子的散射光强与光源强度、粒子散光性都有密切的关系。因此，PIV实验系统可以通过提高光源功率和增大示踪粒子散光性两种途径提高PIV粒子图像质量。相比而言，提高光源功率的做法在能效和经济性两个方面均远逊于提高示踪粒子的散光性。而研究表明，散射光强随示踪粒子粒径和粒子与流体之间的相对折射率的增大而变强。综上所述，示踪粒子的跟随性和散光性很大程度取决于示踪粒子与流体的相对密度、粒子粒径和折射率。首先，粒子沉降不仅会对测量带来误差，堆积在水洞或者风洞试验段底部的示踪粒子也会在拍摄设备采集粒子图像时引起高光溢出的现象。而且，在激光光源强度有限的情况下，为了采集到高质量的粒子图像，应选取折射率较大的示踪粒子。粒子跟随性的好坏与粒径的大小呈负相关，而散光性的好坏与粒径的大小呈正相关，因此，PIV实验中示踪粒子的粒径选取，需要综合考虑粒子的散光性和跟随性。
3.体视粒子图像测速实验系统的原理架构
目前，使用最广泛的三维PIV技术是体视粒子图像测速（Stereo Particle Image Velocimetry, SPIV）技术。体视粒子图像测速利用至少两台相机分别从不同视角同步测量被激光片光照亮的待测平面的面内速度场，再利用双目视觉原理重构出待测区域的面外速度场，实现无干扰测量三维瞬时流场，属于平面三维PIV系统。
在基于双台相机的体视粒子图像测速实验系统中，需要利用两个相机从不同视角同时拍摄待测量平面，然后根据各个相机测得的平面二维流场重构出真实的平面三维流场。在体视粒子图像测速实验系统的发展过程中，两台相机的布置主要使用两种不同的架构方式，即平移架构和角位移架构。
平移架构，SPIV系统中两台相机的传感器像平面、镜头平面以及待测量平面相互平行，即镜头的主轴与像平面和测量平面均垂直。同时，两台相机的传感器像平面和镜头平面也分别共面。由于传感器像平面、镜头平面以及待测平面相互平行，相机视野范围内各点具有相同的成像放大率。所以，在SPIV实验中，两台相机通过平移架构方式所拍摄的粒子图像不受透视变形影响，整个测量区域内任意一点的空间分辨率和精度都是一致的。但是，当相机镜头与图像传感器之间的平移量过大时，待测区域视野内大部分区域均以镜头远轴光线成像，此时粒子图像中粒子成像会出现严重畸变，粒子图像质量大大降低。
角位移架构，相机镜头的主轴与像平面倾斜相交。在角位移架构中，大部分测量区域能满足近轴光线成像条件，可以保证粒子图像不会严重畸变。因此，角位移架构允许较大的透视角，从而能重构得到更加准确的面外位移分量，是目前SPIV实验系统最常使用的一种相机架构方式。但是，为了保证待测区域的所有粒子都能清晰对焦，成像系统需要有大景深来覆盖整个待测区域。在确定成像放大倍率的情况下，景深一般只能通过使用小光圈镜头来增加，但是这样会减少镜头进光量，从而需要使用功率更大的激光器，才能得到相同质量的粒子图像。
在角位移架构中，因为镜头平面与测量平面不平行，为了使得测量平面上的点均能在像平面上清晰对焦，传感器像平面与镜头平面往往需要偏转一定夹角，可以避免角位移架构对大景深成像的要求。传感器像平面与镜头平面的夹角要满足Scheimpflug条件，即（1）光轴与测量平面的交点必须被投影在传感器像平面上；（2）测量平面与镜头平面的交点位于传感器像平面内，即测量平面、镜头平面以及传感器像平面三面相交于一条直线。
SPIV实验系统的两台相机采用满足Scheimpflug条件的角位移架构的主要优点是，可以在任意大小的透视角下使用，这就使得测得的三个速度分量能够保持相同的测量精度。Lawson等[[1]]的研究表明，当透视角为45度，此时两台相机的光轴线相互垂直，可以保证待测平面外的位移分量平均误差幅度与面内分量一致。
[[1]] Lawson N J, Wu J. Three-dimensional particle image velocimetry: error analysis of stereoscopic techniques[J]. Measurement Science & Technology, 1997, 8(8):894.
后续将继续更新实际PIV实验和SPIV实验中的相关经验，以及SPIV计算方法和后期数据处理方法
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