“搖動(dòng)盒子”：一種高效、準(zhǔn)確的層析粒子

利用粒子位置預(yù)測(cè)的跟蹤速度(血流層斷層掃描儀)方法

（論文部分內(nèi)容摘抄）

       自外國(guó)公司于2005年推出血流層斷層掃描儀(TOMO-PIV)以來(lái)，它被迅速接受為三維流體測(cè)量的可靠和精確的平均值。應(yīng)用范圍從空氣中的高分辨率測(cè)量到水中的時(shí)間分辨測(cè)量和在空氣中。與幾乎所有三維測(cè)量技術(shù)一樣，TOMO-PIV必須從二維相機(jī)圖像中扣除所用粒子示蹤器的空間位置。使用迭代方法進(jìn)行這種重建，使用像算法將粒子重建為一個(gè)像素空間中的強(qiáng)度峰，與基于粒子三角學(xué)的三維粒子跟蹤等其他方法相比，可以獲得更高的種子密度。在重構(gòu)過(guò)程中使用三維相關(guān)方法，保證了從數(shù)據(jù)中可靠地推導(dǎo)出速度信息，只要幽靈粒子的強(qiáng)度低于真實(shí)粒子的強(qiáng)度，就可減少其負(fù)效應(yīng)。

       然而，該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)：幽靈粒子總是會(huì)影響向量結(jié)果，尤其是在使用高種子密度時(shí)。此外，從交叉相關(guān)中收集的結(jié)果代表了審訊量上的平均值，因此消除了速度梯度和細(xì)微的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在相關(guān)過(guò)程中使用自適應(yīng)加權(quán)可以克服這種影響。外理時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)時(shí)，很難在處理當(dāng)前數(shù)據(jù)時(shí)使用從其他時(shí)間步驟獲得的信息。像“運(yùn)動(dòng)跟蹤增強(qiáng)”這樣的方法這樣做，但在高計(jì)算成本。三維粒子跟蹤測(cè)速儀(3D PTV)正是通過(guò)對(duì)每個(gè)時(shí)間步驟中的粒子進(jìn)行三角劃分，然后嘗試在不同的時(shí)間步驟中找到匹配的粒子來(lái)做到這一點(diǎn)。然而，三角剖分過(guò)程是有限的播種密度，只允許約一個(gè)數(shù)量級(jí)的粒子相比，TOMO-PIV。

實(shí)驗(yàn)裝置：

       在歐盟項(xiàng)目 AFDAR（航空研究高級(jí)流量診斷）范圍內(nèi)進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將用于證明此方法對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性，實(shí)驗(yàn)是在慕尼黑技術(shù)大學(xué)的水洞設(shè)施中進(jìn)行的。一系列相同的縱向山丘周期性山丘，后面的流動(dòng)進(jìn)行了研究，使用高速斷層PIV系統(tǒng)。六個(gè)專業(yè)成像儀器pco.dimax S4高速相機(jī)（元奧儀器的pco.dimax）被用來(lái)觀察測(cè)量體積為80x80x20毫米，位于第七座山的下游2小時(shí)(100毫米,實(shí)驗(yàn)總共使用了10個(gè)連續(xù)的山)。墻的正常高度跨度從25到45毫米以捕捉剪切層。用~30um的聚酰胺粒子對(duì)水進(jìn)行播種。照明是使用由連續(xù)激光器實(shí)現(xiàn)的。激光束被連續(xù)兩個(gè)使用圓柱透鏡的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件擴(kuò)寬，形成橢圓形光輪廓。型材切割成矩形形狀的通道，這是固定在側(cè)壁的通道。該體積光片穿過(guò)審訊體積，并利用位干隧道對(duì)面墻壁正前方的端面反射鏡向自身反光。第二個(gè)路路通被安裝在那里。這種設(shè)置使所有的攝像機(jī)都在前向散射，從而收集最大的光。為了確保成像粒子具有足夠的對(duì)比度，在成像粒子下方安裝了黑色粘合箔片。

       到目前為止，此方法的特征僅用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性捕捉，而將使用已知基礎(chǔ)真相的合成數(shù)據(jù)集對(duì)這些特征進(jìn)行量化。與其他不捕捉時(shí)間信息的評(píng)價(jià)方案相比，STB表現(xiàn)出更多的優(yōu)點(diǎn)，這將在未來(lái)進(jìn)行研究。與TOMO-PIV或單幀IPR相比，該方法應(yīng)該能夠處理種子密度較高的圖像。對(duì)粒子軌跡的了解可以有效地縮小參數(shù)空間并降低有效種子密度。

       方法本身的方法可以是多種多樣的:可以想象不僅在運(yùn)行的開始時(shí)開始尋找軌跡過(guò)程，而且在時(shí)間序列內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)開始尋找軌軌跡過(guò)程。從那里開始，該方法可以向前和向后運(yùn)行，直到評(píng)估過(guò)程在某個(gè)點(diǎn)相遇。

       最后，大多數(shù)的軌跡應(yīng)該在這兩個(gè)過(guò)程中找到合作伙伴，但也可能有軌跡在來(lái)自一個(gè)方向時(shí)錯(cuò)過(guò)(或丟失)，可以通過(guò)從另一個(gè)方向計(jì)算來(lái)恢復(fù)。然而，它本身適合用某種跟蹤程序來(lái)處理。在這種系統(tǒng)中，粒子經(jīng)過(guò)四個(gè)時(shí)間步驟被追蹤，因此可以從粒子軌跡計(jì)算加速。此外，由于相機(jī)系統(tǒng)不同，相繼幀之間的幽靈粒子不相關(guān)，使得粒子跟蹤更加容易。

       德國(guó)Excelitas PCO公司的pco.dimax S4相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、弱光成像的優(yōu)點(diǎn)，將顯微研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。

       廣州市元奧儀器有限公司（www.gzyaco.com)作為德國(guó)Excelitas PCO公司攝像機(jī)在中國(guó)的代理商，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流。