航空航天、能源動(dòng)力領(lǐng)域，測(cè)量三維瞬態(tài)流場(chǎng)的速度場(chǎng)信息對(duì)于理解流體力學(xué)行為、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

傳統(tǒng)三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)如Tomo層析PIV，因依賴多相機(jī)陣列，存在系統(tǒng)體積、操作復(fù)雜，在封閉空間測(cè)量存在困難；光場(chǎng)PIV等單相機(jī)方案則存在分辨率局限性。

太原理工大學(xué)丁老師團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性提出基于單臺(tái)高速攝像機(jī)的三色掩模三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Trichromatic Mask PIV），開創(chuàng)性通過(guò)光學(xué)路徑調(diào)制與智能算法融合，實(shí)現(xiàn)全畫幅、高分辨率的三維瞬態(tài)速度場(chǎng)測(cè)量。

研究成果發(fā)表于論文《A volumetric particle image velocimetry technique based on single color camera with trichromatic mask》

1. 三色掩模成像系統(tǒng)：由千眼狼Revealer Mini系列高速攝像機(jī)、定制的三色掩模、鏡頭組成。三色掩模包含三個(gè)波長(zhǎng)為450/532/650nm窄帶濾光片， 等邊三角形排列，安裝在相機(jī)鏡頭前。通過(guò)三色掩模調(diào)制光線顏色信息，使高速攝像機(jī)的RGB通道分別記錄三個(gè)不同視角的圖像，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)、全分辨率的3D3C速度場(chǎng)測(cè)量。

2. 激光照明系統(tǒng)：高能白色激光器，波長(zhǎng)450/532/650nm，功率3W，用于激發(fā)流場(chǎng)中的示蹤粒子。

3. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：配備高性能計(jì)算機(jī)，用于粒子圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理。并采用GPU加速計(jì)算。

1. 搭建三色掩模成像系統(tǒng)（圖1），并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單幀圖像通過(guò)RGB通道記錄三視角粒子信息。

圖1

2. 通過(guò)模擬生成的人工粒子場(chǎng)和合成投影粒子圖像，采用MLOS-SMART算法進(jìn)行三維粒子重建。

3. 利用合成的三維高斯渦流場(chǎng)，評(píng)估三色掩模PIV技術(shù)的速度場(chǎng)測(cè)量精度。

4. 搭建了零凈質(zhì)量通量噴射流ZNMF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)三色掩模PIV技術(shù)的實(shí)際測(cè)量能力，與立體PIV和層析PIV技術(shù)橫向?qū)Ρ闰?yàn)證。

1. 粒子重建性能驗(yàn)證：通過(guò)模擬生成的人工粒子場(chǎng)和合成投影粒子圖像，對(duì)三色掩模PIV系統(tǒng)的粒子重建性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。使用MOLS-SMART算法對(duì)不同參數(shù)下的粒子圖像進(jìn)行三維重建，圖2展示了一個(gè)具體的三維粒子重建結(jié)果。

圖2

2. 合成高斯渦環(huán)流場(chǎng)驗(yàn)證：利用合成的三維高斯渦流場(chǎng)，評(píng)估三色掩模PIV技術(shù)的速度場(chǎng)測(cè)量精度。當(dāng)渦核直徑為（1.4/-M）mm，速度場(chǎng)分布與理論模型高度一致。

圖3

3. ZNMF射流實(shí)驗(yàn)

圖像處理環(huán)節(jié)，利用三色掩模成像系統(tǒng)單臺(tái)高速攝像機(jī)捕獲的原始粒子圖像展現(xiàn)了RGB通道融合的彩色信息（圖4(a)）。經(jīng)過(guò)顏色串?dāng)_校正后，原始圖像被分離為紅、綠、藍(lán)三個(gè)獨(dú)立視角的灰度圖像（圖4(b)-(d)），清晰呈現(xiàn)不同空間位置的粒子分布差異：紅色視角圖像（圖4(b)）中，噴嘴后方粒子的縱向位移顯著，藍(lán)色視角（圖4(d)）則捕捉到側(cè)向渦結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

圖4

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，噴嘴出口瞬時(shí)渦環(huán)結(jié)構(gòu)（直徑10mm，St=0.77，Re=32），速度場(chǎng)與經(jīng)典射流特性吻合。隨著時(shí)間推移，主渦環(huán)向下游移動(dòng)，流場(chǎng)的相干性降低，速度矢量和Z方向渦量的大小顯著減小。

圖5

通過(guò)速度梯度變化測(cè)試，散度誤差Pearson系數(shù)Qdiv=0.76，與層析PIV（Qdiv=0.66）及立體PIV（Qdiv=0.82）技術(shù)測(cè)量結(jié)果一致，表明該技術(shù)具有較高的測(cè)量精度和可靠性。

三色掩模PIV技術(shù)作為新型基于單臺(tái)高速攝像機(jī)的3D3C-PIV速度場(chǎng)測(cè)量方法，能夠準(zhǔn)確地重建出流場(chǎng)中粒子的三維空間分布，并計(jì)算出瞬態(tài)速度場(chǎng)。這為深入研究復(fù)雜流場(chǎng)的流動(dòng)特性提供了有力支持，也驗(yàn)證了三色掩模PIV技術(shù)在實(shí)際流場(chǎng)測(cè)量中的可行性和有效性。未來(lái)，三色掩模PIV技術(shù)有望在航空航天、能源與動(dòng)力工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

附 千眼狼明星產(chǎn)品—Mini系列高速攝像機(jī)

千眼狼Mini系列高速攝像機(jī)具備1080P高清畫幅下3000幀/秒采集幀率，緊湊式機(jī)身設(shè)計(jì)，適用于狹小空間的高精度動(dòng)態(tài)捕捉。