基于多曝光模糊成像的流动多参数场测量方法研究

Study of the flow field measurements is of great significance in scientific researches and development of engineering technologies. Particle image velocimetry (PIV) and particle tracking velocimetry (PTV) are important methods to measure the flow field, but there are some problems such as complex three-dimensional matching algorithm, depth of field limitation in fine-structure measurements, and very expensive instrument. Based on the preliminary researches, this application proposes multi-exposure on single frame method to solve the speed ambiguity using consecutive segments of particle trajectories. With study of identification and processing algorithms for trajectory images, multi-parameter information for motion will be obtained including speed, acceleration and force, etc. It proposes making use of defocus characteristics to process particle images outside the depth of field, and realizing three-dimensional information extraction based on the optical transmission characteristics of the imaging system. By analyzing the particles movement in complex flow, tracing performance of particles will be explored and parameters will be optimized for multi-exposure measuring system. Through analysis of spatial and temporal association with the fluid and particles, relationship of the parameters between Euler and Lagrange coordinate systems will be established, and the inversion and reconstruction of multi-parameter fields for fluid flow will be realized. Thus a novel multi-parameter field measurements method will be developed based on multi- exposed and blurred images, laying measuring basis for complex flow, heat transfer and combustion problems such as micro-scale, multi-dimensional or multi-phase problems.

对流场测量方法的研究在科学机理探索与工程技术发展上都具有十分重要的意义。粒子图像测速（PIV）和粒子追踪测速（PTV）是流场测量的重要方法，但存在三维匹配算法复杂、精细结构测量时景深局限等问题，且相关仪器价格十分昂贵。在前期研究基础上，本申请提出采用单帧多曝光法获得粒子的连续多段运动轨迹，拟解决速度二义性问题；发展针对颗粒轨迹图像的识别和处理算法，获得颗粒运动多参数信息，包括速度、加速度和受力等；提出利用离焦特性处理景深外颗粒图像，并开展成像系统光学传递特性研究，实现基于此的三维信息提取；分析复杂流动中颗粒的运动特性，探讨颗粒的示踪性能并进行多曝光测量参数的优化；分析颗粒与流体的时空关联性，建立欧拉和拉格朗日两种坐标系下参数的对应关系，反演重构流体流动的多参数场；从而发展一种基于多曝光模糊图像的流动多参数场测量新方法，为微尺度、多维或多相等复杂流动、传热与燃烧问题的研究奠定测量基础。

流场测量是自然学科许多领域如能源、化工、环境、电子和医药等开展实验研究的基础手段，对流场测量方法的研究在科学研究与工程技术发展上都具有十分重要的意义。粒子图像测速（PIV）和粒子追踪测速（PTV）是流场测量的重要方法，但目前的商业化测量设备存在三维匹配困难、精细结构测量时景深局限等问题，且相关仪器价格十分昂贵。前期研究中，项目组提出利用粒子的运动模糊轨迹图像以提高相同水平测量系统的测速范围并获得直观的运动速度信息的想法，本项目则重点从测量方法、原理、数据处理、误差分析、系统研制、测量应用等方面开展深入研究，形成了基于离焦模糊的PTV法和基于混合模糊的粒子轨迹测速（PSV）法，以及基于以上两者的单帧多曝光的多参数识别方法。在测量方法与系统方面，首先形成了基于多曝光成像的颗粒Lagrange二维参数测量方法和程序，尤其提出并验证了基于二维高斯线积分函数拟合的线段和圆弧段轨迹的运动参数识别方法，减少了传统二值化处理带来的误差，发展了粒子轨迹图像的匹配和处理算法，以获得粒子运动的多参数信息；其次形成了基于傅里叶变换频域处理的离焦模糊成像的颗粒流动三维信息提取方法，研制了基于单镜头双相机离焦测距的三维PTV系统，对系统标定、参数拟合、图像处理速度和精度开展分析与优化；再者针对混合离焦模糊与运动模糊的粒子运动轨迹，结合二维高斯线积分函数和离焦模糊参数沿轨迹变化，形成了基于混合模糊轨迹的三维PSV图像处理程序及测量系统。在应用研究方面的结果表明，利用离焦和运动模糊信息识别的技术可以使得高分辨率流场测量时同硬件测量条件下深度测量范围和速度测量范围分别增加5-10倍，速度测量范围在保证光强足够的情况下提高幅度甚至更高。本项目所发展的相关测量方法尤其适合于相机帧率无法满足测量对象的时间分辨需求、又需对粒子运动的拉格朗日信息进行高时空分辨的场合，如微尺度、高速流动等。