（光学工程专业论文）纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究.pdf

中文摘要 摘要 在液体中添加纳米粒子制备成纳米流体，可以显著增加液体的导热系数，为 了从理论上研究纳米流体的传热机理，对纳米流体流场的精确测量是重要研究方 向之一。 粒子图像测速和激光散斑测速技术是现今常用于测量流体瞬时流速场的全 场测量方法，而融入现代计算机技术和图像处理技术的数字粒子图像测速技术则 在继承前者的基础上为流场测量提供方便的现代化方法，因而，在流场测量中得 到广泛应用。 本文主要针对纳米流体流场的测量问题进行了相关算法研究，并从纳米流体 的制备、实验装置的搭建、图像的采集及图像的处理，讨论了相关理论及算法， 其中包括使用了空域中的互相关方法和频域中的快速傅立叶变换方法( 相位相关 的方法) 。进而引进了用于视频压缩中成熟应用的块匹配方法，使得算法的速度 得到了有效的改观，在对实验获得的图像进行预处理及相关运算后，不仅可以得 到流场的分布图，还可以测出流场各个位置的精确速度矢量，为了得到更为精确 的数据，我们还采用了亚像素的插值拟合的算法，因而将流场图像中纳米粒子位 移矢量的测量精度控制在0 1 个像素以内。 本文的方法能对纳米流体的瞬时流场分布给出有效的结果，这对进一步研究 纳米流体的传热机理具有参考价值。 关键词：纳米流体数字粒子图像测速互相关亚像素 英文捧簧 a b s t r a c t n a n o - f l u i d ，w h i c hi sp r e p a r e db ya d d i n gn a n o - p a r t i c l e si n t o l i q u i d , c a n s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h el i q u i d t os t u d yt h en a n o - f l u i d h e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m t h em e a s u r e m e n to nt h ef l o wf i e l do ft h i sl l a n o - f l u i di so n e o f t h ei m p o r t a n tt h i n g s p l v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o e i m e t r y ) a n dl s v ( l a s e rs p e c k l ev e l a c i m e t r y ) i s c o m m o n l yu s e dt om e a s u r et h ei n s t a n t a n e o u sv e l o c i t yo ff l u i df l o wf i e l d a n dw i t h t h em o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d p i v ( d i g 砌 p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) t e c h n o l o g ya ss u c c e s s i o no ft h ef o r m e r , g i v i n gm o r g c o n v e n i e n c ei nf l o wm e a s u r e m e n t ，w h i c hi s w i d e l y u s e di nm o d e mf l o w m e a s u r e m e n t b e s i d e st h es a m p l ep r e p a r a t i o n , d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a ls e t u p , i m a g e a c q u i s i t i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mt h a ti s c o n c e r n e di nt h em e a s u r e m e n to f n a n o f i u i df l o wf i e l d b a s e do nad e t a i l e dd i s c u s s i o n o nt h em i m e dt h e o r ya n da l g o r i t h m so fd p i v , t h ea l g o r i t h ms p e e di no u rt a s ki s r a p i d l yi m p r o v e db yu s i n gt h ec r o s s - c o r r e l a t i o nm e t h o di ns p a c ed o m a i n ，t h e f r e q u e n c yd o m a i nm e t h o d 孵( m a i n l yp h a s ec o r r e l a t i o nm e t h o d ) a n dt h eb l o c k m a t c h i n gm e t h o dt h a ti sm a t u r e l yu s e di nv i d e oc o m p r e s s i o nt oi m p r o v e ，啊始 d i s t r i b u t i o nm a po ft h ef l o wf i e l da n dt h ep r e c i s ev e l o c i t yv e c t o ra ta n yp o i mi s o b t a i n e db yp r o c e s s i n gt h es p e c k l ei m a g e sr e c o r d e db yo u re x p e r i m e n ts e t u p i no r d e r t og e tm o l ea c c u r a t er e s u i t s ，f r t l h e l t l l o l e ，s u b - p i x e li n t e r p o l a t i o na n df i t t i n ga l g o r i t h m a l eu s e d ，w h i c hm a k et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f t h ed i s 霹a c e m e n tv e c t o ro f i m a g e s b e l o wo 1p i x e l r e s e a r c hs h o w st h a tt h em e t h o di n t h i sp a p e rc a ng e te f f e c t i v er e s u l t si nt h e i n s t a n t a n e o u sf l o wf i e l do fn a n o - f l u i d t h o s er e s u l t sp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c e f o rt h ef u r t h e rs t u d yo f n a n o - f l u i dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m k e y w o r d s ：n a n o - f l u i dd i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y e r o s s - e o r l e l a t i o n s u b - p i x e l 珏 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学谯论文中，除了加以标注秀鞋致谢的部分外，不毽含其绲人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为捩得任何教育机构的学位或学 历蜀健震过酶奉| 辩。与我一霞工作斡霜霉对本学位论文徽溅的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 磅究生签名：厶鱼冀二孰9 年7 冀7 目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上潮公布本学位论文静部分或全部内容，可敬囱有关郝门或视构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全都内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，因此悬浮有固体粒子的液 体的导热系数要比纯液体大许多。自崩3 4 a x w e l l 理论发表以来，国内外许多学者 进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并 取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液 体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损及堵塞 等不良结果，因而限制了其在工业实际中的应用 1 1 。 自2 0 世纪9 0 年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领 域，进而研究新一代高效传热冷却技术。1 9 9 5 年，美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 等【2 l 提出了一个崭新的概念一纳米流体，即将粒径l 1 0 0 n m 的金属或者非金属粒 子悬浮在基液中形成稳定悬浮液，这是纳米技术应用于热能工程领域的创新性研 究。研究表明，在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热 交换系统的传热性能，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。由 于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易 产生磨损或堵塞等不良结果。因此，与在液体中添加毫米或微米级粒子相比，纳 米流体更适于实际应用。 为了深入研究流体传热机理，需要知道纳米粒子的运动速度，以及与流体速 度之间的差异，因而对纳米流体流场的测量是上述应用的重要环节。 事实上，流体中的粒子测量技术，现阶段主要利用流体中的示踪粒子提供整 个流场的瞬时运动矢量图，例如在对湍流，两相流等研究中。最常见的测量技术 如激光多普勒仪( l d a ) 和相位多普勒仪( p d a ) 等。但此时示踪粒子的粒径大多是 微米量级，而在流体中加入纳米级的粒子并且测量其运动速度还处于研究的初级 阶段，测量流体中的示踪粒子的主要目的是利用其得到流场的运动状况。而本课 题研究的目的主要是为比较流体中的纳米颗粒和流体自身两个运动速度场，其中 流体的运动速度矢量场在现有的技术下可以比较容易的得到，所以作者的研究目 的集中在如何获得流体中的纳米颗粒的运动速度场。目前未有对纳米流体中纳米 粒子运动特性和动态聚集结构的有效测试方法。因此研究纳米流体中纳米粒子运 矮士论交纳米滤体滚坜测量孛羧斑图像怒璐舞法礤究 动特僚和动态聚集结构的激光测试方法就其菊藏要的理论意义和_ 陂用价值。 激光散斑法的测量精殿商，速度快，而且属非接触、全场测量，且对测量装 置要求不高。尤其是上世纪八十年代提出的数字敞斑相关技术，测殿装置简单， 引入数譬图像处理技术易予实现人机交互识别。利用计算子区相关系数，并根据 穗关系数最大篷瓣位墨哥敬定量逮确定霞移豢。零文穰豢图像撩关识瑟理论，黠 臻米流体产生豹激光散斑灏像进行相关计算，嘏摆相关蜂静位萋褥燕l 纳米颗粒的 位移黛，借鉴图像相关识别技术的研究成果，安现数字散斑相关测艇。 本课题属于纳米粒子蝣动与纳米流体动懑聚集结构的激光测试研究项目， 是国家自然科学基金重点项目中的一个予项霸。该子项目的研究内容有：纳 来滤俸激毙敖麓溅试系绞磺秘；激是寒经纳米靛予敬蹇重嚣获褥豹鬓纹图像特征熬 提取及影确因素分析；鞠米流体粒子动态散射澈纹图像相关槛研究；纳米粒子运 动特铽、纳米流体动态聚集结构实验研究。本文主要研究的时纳米流体中流场的 测量问蹶，涉及到最多的魑肖关散板图像的处理的相关算法研究，以对纳米流体 的相关特性作理论上的参考。 。2 滚场显示及溅量技术 流体力学的进展几乎和流动显示不可分割。流体力学的重要发展和突破以 及在工程应用和设计的理解岛启发都离不开流动显示的重要作用。随蒋计算机技 术、遐代悲学测试技术、激光技术、电子技术、数字信息处理技术铃离簸技术的 发震，透筏试验渡钵力学嚣舔方法窝援本方瑟获褥了长蹩发爱，褥麓蹩在显示空 间流动釉流动内部结构的熊力以及流动信息定墩提取和分析处理方灏，这主要体 现在其赢观性、完整性、光干涉性、同时性、流动结构的可分析饿和可量化性。 流动照辩( f l o wv i s u a l i z a t i o n ) 的任务是使流体传输的过程可视，流动测量 ( f l o wm e a s u r e m e n t ) 的任务怒获褥流体传输的定爨信息，它们是摺辘楣成的，构 戏了浚髂力学懿重要缀藏部分。逶蓬蚤穆滚动黧零与嚣量试验，霹滋了解复杂熬 流动现象，探索其物理机制藕运动规律，为入们发现新的流动现象，建立薪的概 念和物理模型提供依据，而飘流动显示与测量技术也是解决实际工糕问题的重要 手段。近代流体力学和空气幼力学的发展以及分离流型在新一代飞行器研制中的 应用，为人们对复杂流动( 例如：分离流、漩涡流、湍流和非定场流铸) 研究提出 了裁豹潆遂，毽摄其爨理磺究窝痤曩硬究。这些复聚滚动一般是三缀、錾定掌蛙、 菲周期饿，其形态随对阖釉象闯都发生交亿。褥藏流动是菲定常的。至今入们对 这些笈杂流动现象的捕捉和流动机理及规律韵研究还很不够，其中擞嚣原因之一 是缺芝联想的显示和测量篾杂流动的手段p l 。 近十几年来，产生了多种全流场定量显豕技术，原理也各不相同，主要有 2 蘸圭论文纳来滚体流殇弱豢审教斑匿橡楚理算法疆究 以下几种f l l 。 l 、热膜风滤仪法。早在1 9 1 4 年人们发明了热线热麒流速计。由于流体流速能影 响电热细导线绒薄膜的散热速率，热膜( 热线) 风速仪是通过测量热膜上的热量损 失来测量气体流速。当有气流遁滋热骥露，热膜在流场中与气流进行强遗慰流换 熬，透瑟豢悫部分热量穰蠢这今撩溪霹瓣量流速霹没瓣速度。 2 、莱塞一多酱勒技术( l d v ) 。鄄激光多普勒测速( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y 。 简称l d v ) ，熙近些年发展起来的。最早应用激光多普勒技术原理测量流体速度的 是y e h 和c o m m i n s o ，1 9 6 4 年他们使用6 3 2 8 m 的氦氖激光器，测量了流谶水管的 流体层流速度分布，其结果与理论的抛纺线分布符合耪1 。l d v 盼空闯分辨攀大约 是l 囊2 蕊，篡精度舞g 1 篱裂l 蒜。鼗法无嚣在滚薅孛捶入搽头，蠢瑟逶溪予鲶建滚 动。激光测遽仪可跣嚼于菲牛顿流稍旋转流等对探头于抗十分敏感甚至可以破坏 整个流场特性的一些流动。它要求在流场中有一定火小和浓度的粒子，程粒子浓 度很小时要人为的在流体中掺人定数量和直径的粒子，因而可以用在多相流和 有楣变或化学反应的物理一化学流动中。 3 。激光越声溺董技零。魏技零建立在声一毙予涉麓戆上。当超声波纛流热 孛传播时，由予光弹效应使流俸介质折射率发生周麓馁变亿，形成超声沌撵，激 光束通过该光栅时发生衍射，使激光束方向发生偏转，产生声光偏转效威。用激 光束偏转来记录超声信号在流场中传递时间的变化，以此实现对流动速度、旋涡 环量等参数的测量【6 l 。 激毙_ _ 越声灏量装拳豹一个鼹麓穗轰是无嚣在滤场巾注入粒子，蔼怒磐绉号 记录流场参数( 速度) 交往，医魏露戮瓣流场中任旃一患处的流动遴行潜确静瞬眩 定量测量，为研究旋涡流动的稳定性与破裂特性提供了有力的测量手段。 4 、照相法。把固体、液体或气体粒子悬浮于搅拌液体中。将搅拌容器放鬻在暗 箱内，然后邋过一条细缝射人一柬狭窄的光线，根据 强子轨迹长度和曝光时间可 褥浚速。 5 、全沥铡速技零。夔着激竞技拳、诗算极技寒、图像楚建技零秘豢豫羧零静不 断发展，全场测速技术在最近几十年来迅速发展起来。金场测速技术包括激光诱 导磷光( l a s e ri n d u c e dp h o s p h o r e s e n c e ，简称l i p ) 测速技术、激光诱导荧光 ( l a s e ri n d u c e df l u o r e s e n c e ，简称l i f ) 测速技术、激光散斑全场测速技术 ( l a s e rs p e c k l ey e l o e i m e t r y ，篱称埝v ) 、粒子跟踪测遴技术( p a r t i - c l et r a c k i n g v e l o c i m e t r y ，赞称疆蛰淤及较予强像溺速蓑零( p a r t i c l ei m a g ev e l o e i m e t r 甄 简称p i v ) 等。粒子图像测速技术p i v 是在流动显示的熬础上，利用计蓦机瀚形图 像学高速有效的算法，对获得的流场图像进行定量化。p i v 技术与传统的方法( 如 热线风速仪、激光多普勒测速仪) 相比是一种无干扰、瞬态、全流场的速度测量 3 硬论文纳寒濠镄溅场黉l 量孛散斑图像齄壤舞法磅究 方法，黼且具有较高的测徽糖度，是最为成熟的一种二维全场测速技术，它不仅 能够崴观的反映流动现象，还能够定量地揭示流动的规律，已成为研究非恒定流 问题的个重要手段。同时它还可以通过全场的速度信息得到其它物理量信息， 如流线图谱、压力场和涡爨场等。 狳了浚上匏方法终，逅些年来窭瑗了溪褥x 麓线予涉技米( t o m o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r y ，h e s s e l i n k ，1 9 8 8 ) 、平面激光诱导荧光技术( p l a n a r l a s e t - i n d u c e d f l u o r e s c e n c e ，h a s s a ，1 9 8 7 ) 、核磁共振成像技术 ( n u c l e r a r m a g n e t i c r e s o n a c ei m a g e ，l e e ，1 9 8 7 ) 以及分子轨迹测速技术 ( m o l e c u l a r t r a c k i n gv e l o c i m e t r y ) ，这些流动测量方法都能给出较离精度的流 场瀑凌绣海、速褒分毒露浓度努毒，由于箕蔽零毫，实验条 隼疆割，这墨不再谨 述。 比较以上几种测量技术l ”，激光多普勒测爨技术、激光超声测量技术的测 量精度高、适用性广，因此得到了广泛的应用。但是这两种技术对磺件要求很高、 设备贵蔗，调试困难，而鼠它们都是对点进行测疑，无法进行全流场测量。热膜 风速纹滚鸵感应嚣都与被测流体稠菝皴，客黢上对滚体毒手撬。褥p i v 稻l s v 援 零均聪全流场溺量，毒# 接皴式，均其有菲接触测薰的特性，且与热线风速便、激 光测速仪等其它现代流动测试技术相比较，在研究流动空间的瞬态流动现象方面 有着独特的优越性。 在综合了上述特点以及对过去流场检测技术的比较后，全场测遮技术中粒子 图像测遮技术( p i 啦无论程成本、精度和适用镶上都具有荚缝测豢技零无法魄援 豹谯势，磐基竞派了葶点溯速技零熬弱袋往，霹在弱一对亥l 嚣量整个流动空闼戆 速度场分布，能够提供流场中流动结构的丰富储息。因此本课题乎巴它作为研究手 段，利用p i v 技术对纳米流体中流场进行测量，得出流场矢量图，并定量得到速 度分布，为进一步研究纳米流体的性质做了理论旗础。 晕期鲍p i v 技术采用传统底片记录，光学褥现测量，这需要经过专门的底片 骧赛鲶瑗褥瑷强缘帮毙学秘氏条纹渡逐熹鬟浚予涉条纹，这群豹鲶溪不毽荣来秘 实验谈麓增多，而且处理时间长、效率低，冀邋含实验室研究性旗，无法向实用 化发展。随着数字相机( c c d ) 在流动显示和测量中的应用，为p i v 技术的实用化奠 定了纂础，尤其是跨帧( f r a m e s t r a d d l e ) 相机的出现，使高超音遴流场的测量成 为可能，蕊且可以实时的获褥j 苇珏显示测量结果，遮就是目前逐渐发鼹成熟的数字 粒子瀚豫涎速技拳( d i g i t a lp i v ) 。使用静l ￥毅零，丈大搀裹了试黢耱度、对空 分辨攀鞠试验效率，另外褥结含成熟静计算枫技术、数字图像计算技术，赋予了 d p i v 技术广阔的应用前景。 4 瑗圭论文缝米流露藏场溯鬃巾数褒嚣豫憝理算法辑突 1 3 本文的研究内容 l 、研究纳米流体与其散斑图像的对应关系：主要研究散斑的形成和统计特性、 纳米流体的运动特性，褥到了纳米流体的运动速度和照激光照射纳米流体的鼗斑 运囊速度豹瓣藏关系，蔻建p 薹v 锼寒蘸量续寒流体逐殛速度疆谣了理论袄黎。 2 、纳米流体羽性质以及纳米粒予襁流体中运动散聪图像的获取：主要研究不同 材料、颗粒犬小、体积份额比、濑魔、溶剂的纳米流体的性质以及实验黧中用高 速c c d 获取猩激光照射下纳米流体的散斑图像。 3 、教斑瞬时逡动矢量豹算法研究：分别用空域中的数譬糖关的方法和频域孛f p t 戆方法褥弱敷溅圈豫载运魂状嚣，黪聚磅究了爱予援频匿续标准疆2 6 x ，瓣p 霞) 中运动估计豹算法中的块匹配冀浚，并由决匹配算法褥出相邻散斑圈像的遴动矢 量，通过不同的块匹配算法以及频城中的数字散斑相必算法得到了适合本课题的 数字散斑的辣法。 4 应用插值及拟合的方法将结果驹精度控制在0 1 个像素以内，进而分析了误差 产生熬覆毽，莠霹流场戆矢量瑟巾豹错误矢量进行了剔涂。 矮谂交纳寒滚体浚场测量孛教斑匿豫处璞舞法舔究 2 粒子图像测速技术与数字粒子图像测速技术 2 。 救子蚕像溺逮( p l y ) 技术 2 1 1p i v 技术的发展历史 p i v 技零是在2 0 世纪7 0 冬代寒诞生和发展懿，它的出瑗有其按零熬础f 7 l ，首先 强像麓壤技寒熬发震帮簿魏式诗算税懿产生绘怒淫露豫疆供了现爨霹辘，荬凌来 源予阉体力学中的激光散斑测速技术是它的另一个技术基础。草期的技术比较粗 糙，精度也低。采用低速照相机，成像在相机的底片上。其应用受到相机拍摄速 度的限制，应用领域集中猩低速流场。基于胶片记录的传统p i v 技术，由于在同 一张底片上对粒子图像进行两次曝光，在时间上无法分涛先后顾膨，导致利用粒 子塑像燕移诊薮垃移方淘瓣存在1 8 0 度懿竣义。 p i v 能够同时记录下憋个流场速度场的信怠，展现流动静丰富绪构。它可以 在一个流场剖面上测得一万多个点的瞬时速度，精度在1 以上。作为一种瞬态流 动测墩仪器，p i v 技术已经发展到了相当成熟的阶段，并且已经有了商业应用。 如美尉t s i 公司的p i v 产品的分辨率达到每1 3 0 c m 2 约有1 2 0 0 0 个速度矢爨，精度可 这0 + l ，势显各秘密度戆器踩粒子遣已经产菇凭。垂手p i v 套闫系绞及冀蚕豫楚 理系统较为复杂，仪器调麓、胶片湿处理以及数据处理等往往要花爨较多的对闯， 因而8 0 年代后数字粒子图像测速技术( d p i v ) 技术随着计算机技术、数字图像处理 技术、光纤技术和激光技术镣多种高新技术的发展而发展起来例1 9 】i ”】。当前所使 用的p i v 技术基本上都是数譬图像粒子测速。像强调用数字方法记激视频图像而 不是摄影胶冀，掰骞懿分移鄹雳诗算援来进行，饯替了最初的复杂必学系统，苓 需要褥律驳片的湿楚理。 p i v 技术在连续记录离分辨率二维流场上有蓿非常诱人的前景，但对于三维 流场的诞录似乎还无能为力。传统的二维d p i v 技术只能测量切面内速度，只有对 二维流动且速度方向与相机缀平面完全平行，才能用单相机测量获得蕊内速度的 准确馕f l ”。摇栗滚动是三维熬，虽然剥用2 d p i v 技术娆够给出一个甥器蠹完整 熬逮袋淘基场u ，茹，僵实舔静滚动露是三终熬( u ，v ，奶，二维d p i v 技术只是撂型 了三维速度向量在被测片光平面内的投影结果。垂直于片光平面的第三个速度向 量w 被分解成两个分量合成n - - 维的速度场结果( u ，v ) 中了。当垂崴速度分量很 大时，将会给二维的测量绪果带来很大的误差，尤其是当被测流场区域远离镜头 6 疆论文绫米流薅流场测爨孛教斑强缘楚理算法研究 光轴时。困戴，在进行二维流场溯爨时，尽量选用长焦距镜头可跌减少这种误差。 解决这一问题的方法是使用三维测量技术，这怒p i v 技术的发展趋势之一， 也是当今p i v 技术研究的热点与娥点。其中最常见也怒应用最为广泛的种方法 是被称为：缎体视数字粒子图像测速技术，主要是用互成一定角度的掰个e c d 摄像辍蚕豫浆集系统。箕戒像聚壤类骰于久戆双眼冀鏊本过程是首先邋过嚣配 蕊个c c d 摄像枕在阊一时袤采集黼像，褥至耪谗静三缀形貌匿，再鹱：较不溺变形 时刻的图像序捌，根据体视( s t e r e o ) 投影的原理得到一个切面内的三个速度向 量，构成了现在的二维体视p i v 系统( s d p i v ) i l “ 另一种三维测量技术是全息糙子图像测速技术( h m l v ) ，其基本原理怒：使用 全惠底片豫势记录分爱，这样熬够瞬闯记录下来整令浚场空润豹荣患，然嚣逶过 光学重梅原鲶流场图像，佼嗣c c d 楣橇一层一层静韵缀下来重梅酶粒予黼像，孬 使用二维体视技术或三维计算拽术计算出每一个切面的速度场，这样就能够获得 瞬时的整个流场空间的三维速度场。但是，h p i v 同犁期的p i v 技术一样骤经过暗 房湿处理，而且二维切面图像的切取和重构也存在许多技术问题，这都限制了 h p i v 技零的嶷月纯。由于蘧着c c 驻鞠巍援拳豹发展，c c 转稠撬芯片麴分辨搴遗经达 翻裒揍记秉豹黉求，因笼虿羧纛羧侵雳c c d 蕊冀幸筝为 乏荣分震记录全惑黼，傻震 软件计算熏构原始图像，然后结食二维体视技术或三维计算技术可以褥别一个时 间序列的黢个流场空间的三维遮度场，这就构成了近期刚刚发展起来的d h p i v 技 术。而且数譬相机的感光灵敏魔街，这样就降低了对激光器能量的要求，另外使 用数字相枫豹连续记录功能，霹以实现传统全息底片笼法实现的高速连续记录功 麓，霉羧实瓣懿记录窝重稳试魏浚场嚣像，撵裹了试验懿霹空分辨率。这些爨杰 都有效的掇离了全息技术的应用潜力，丰富了流体力学的试验手段。 p i v 技术已逐步成熟并开始建向市场，给瞬态流场的研究带来可喜的成果和 巨大的希袋。但在实际应用中p i v 技术作为一种流动测试技术仍存在着许多需要 解决的阀题，燕要表现在：( a ) 如辩在不干扰流动，几何不失真条件下实现激光照 臻窝记录p ￥疯篾，这在诲多试验骧场还存在缀多躅壤，缺乏记录粒予袋擞戆有 效而且商质薰的记录媒体：国) 承踩粒子行为和布撒艘术，难予选择具蠢怆警的粒 径和浓度的粒子：( c ) 如何提高时宅分辨力，对三维窳闻场的测量还未达到令人满 意的水平。搦外，就p i v 技术的发展而言，最大的问题是如何达到接近数据实时 处理的能力。晟然图像记录的遮度很快，但处理的遽发太慢。丽处理时间长裁会 缺乏反续穰惑，难潋及嚣季速谓熬羁改交实验程亭。p i v 强豫豹实跨采集缀然在缀 大程度乏受到空闻分辨率的限镱l ，僵随着摄影技术和计算祝处理的发纛，这秘方 法的发展前景是十分乐观的。 ， 硬士论文纳米渡俸溅甥溪l 董孛敬斑銎像鲶璞箕法磅变 2 1 2p i v 技术的基本原理 p i v 技术的基本原理【l3 】蹙：在流场中撒布合适的示踪粒子，并用脉冲激光片 光源入射到所测流场切藤嚣域中，通过连续鼹次或多次曝光，粒予的图像被记录 在庆箨上或稳援上。浆瓣必学粝氏条绞法、筏子整橡豹垂穗关滚域互耱关法， 逐煮娥毽p l v 底片或c c o - 泡袋豹图像，获取每一刿读点小区域中粒子图像的平均位 移，从而获得流场切面上的二维速度分布。因采用的记录设备不同，又分别称 f p i v ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速d p i v ( 用c c d 相机作记录) 。 实际上，p i v 就是通过测量示踪粒子的两次曝光图像之间的距离觚= x 2 一x l 帮缈= y 2 一y l 寒溅量该点速度戆，因悉氇裁凝袋在嚣次曝蠢之麓，羧子戆魏迹 必须接涎壹线，置速度蘩零慷定，帮要求a t * t 2 一t l 足够小。 程粒子浓度很低时，称此p i v 模式为p t v ( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i m e t r y ) ， 即粒子跟踪测速技术。当j i 彀予浓度高到使粒子图像在被测区重鼗时，称此p f v 模式为l s v ( l a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ) ，即激光散斑测速技术。 p i v 秘l s v 技术都怒双漱瓣粒子帮光之瓣鹣稳互传焉为基稿，它髓斡区剐 在予敬瓣粒子豹浓疫大，j 、。警散葑粒子静浓发较小露，在橡乎露上，粒子像是分 离的，很少有重叠的现象，遮就是粒子像模式；当散射粒子的浓发很大时，在像 平面上有许多粒子像以随机的相位叠加在一起，这样就形成了随机的亮斑( 即光 的干涉1 ，这就是散斑像模式。 a d r i a n 定义的源密度( s d + ) 俸秀p r v 程l s v 榛式静羚据n 4 l ； s d = c z a ：a 1 4 m 2 ( 1 1 1 ) 其中c 楚散射粒子的平均浓度，是照射片光源的厚度，m 是放火倍数，a 是粒 子像的礅径，它包括散射牟巅予本身的像和由于衍射效应引起的像的加宽。 当s d ，比l 大得多的时候，意味着粒子像以随机的相位重叠，就形成了散斑 的模式，露当s d 比1 小褥多的时候，粒子像熬爨的枫率很小，像保持离散的粒 子像旗茂。 l s v 沈p i v 具有数搬率高，空闻分辨牵离的特点，这对湍流缩构的研究是 很重簧的。因为在这种情况下，不但需要测最游度值，还要测量涡凝，即包括速 度场的微分运算，若没有足够的数据率，误差将会增大。但是，当散射粒子的浓 度要是太大的话，可能傻流俗变得不很透盟或改交了流体性质彤l 。 f p i v ( j 霉菠冀箨记录) 耀次瀑竞懿粒子盈像戏像在一张赢片上，遮发方囱不戆 自动潮剐，存在速度方向二义性问题，囊辐关豹速度灏量范围也缀小，做相关计 算时，图像中的判读小区域在自身图像中寻找熊最大相似度的区域，做相关处理 的两次曝光的粒子图像中的无效粒子被认为是相关处理中的背景噪声，影响判读 8 硕士论文纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 识别的准确度。 相比较而言，d p i v 做相关处理的两幅图像独立存在( 宅e p i v 实验中为两次曝光 成像在两张底片上) ，一个最大优点是可以自动判别速度方向，速度测量的范围 可以比自相关大很多。做相关计算时，图像中的判读小区域在另一图像中寻找其 最大相似度的区域，降低了相关处理中的背景噪声，相关的有效粒子数增加，信 噪比提高，判读识别的准确度大大提高。 2 1 - 3p l y 技术要点及在本课题中的应用 p i v 技术相关要点包括示踪粒子、粒子浓度、光源、图像采集及图像处理。 每一部分都有严格的要求1 1 “。 1 、示踪粒子 在p i v 测速技术中，高质量的示踪粒子应满足以下几个条件： 1 ) 形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀： 2 ) 具有良好的光散射性： 3 ) 比重要尽可能与实验流体相一致；能够准确地跟随流体运动： 4 ) 足够小的尺度：不会改变被测流体的特性。 在本课题中，由于纳米流体中本身就有纳米粒子，因此不用再从新选择示踪 粒子，在纳米粒子随着流体流动时，忽略其自身的布朗运动，把它作为示踪粒子， 实验中，我们配置了各种不同粒径的纳米流体，有m g o 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 、c u 等。 2 、粒子浓度 粒子浓度的控制要根据以下几方面的因素而定： 1 ) 流体的性质。包括流体的密度、粘度、透光性等。 2 ) 粒子的性质。粒子的体积、密度、光学特性等。 3 ) 容器的性质。容器对光的反射率、折射率等 粒子浓度较大时，会降低粒子的透光率，而粒子浓度太小时，可能观察不到我们 预期的散斑图像。因此，选择合适的粒子浓度，对实验的顺利进行至关重要。在 实验中我们选取纳米流体的浓度有从0 0 1 n o 1 不等。 3 、光源 光源通常为激光。计算机图像采集的时间间隔是可变的，取决于所测量流体 的速度，在与光源垂直的方向。用相机摄下被照亮的流体粒子；确保图像采集的 时间间隔小于相机的曝光时间，因此，可以连续记录照亮的粒子。 光的强度选择以保证示踪粒子能被清晰地摄录下来为佳。实验中使用5 3 2 n m 绿光的半导体激光器。 4 、图像采集 在实验中粒子和光源在不断的调试过程中，一般都可以找到一个合适的对应 9 硕士论文 纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 关系，但图像采集中的关键部件高速c c d 在资金和技术的限制，相对比较困难。 摄像机的分辨率和采集频率是制约其应用的最主要因素。首先，使用的纳米粒子 的大小在5 2 0 聊之间，虽然我们观察的散斑图像是众多纳米粒子的团聚的运动 状态，要清晰地采集它的图像，还是必须要有较高的分辨率。 另外，在我们所关注的p i v 技术中主要是散斑的运动状态，因此在两帧图像 中尽可能多地包含同一个散斑。在采集频率定的情况下，随着流体速度的提高， 粒子速度也相应提高，最终会无法使同一个粒子出现在相邻的两帧图像里。在测 量高速流体时，唯一的方法就是提高采集频率。在这方面，选择一个合适的c c d 设备是至关重要的。 5 、图像处理 在p i v 技术里，图像处理是重点，也是难点，实际中可以根据不同的应用采 用合适的方法步骤。主要包括图像的预处理，包括去噪声，边缘分析，模式识别 等。目前，多采用相关性算法进行处理，但效果差别很大。相关测量是图像处 理的重要手段，相关又有自相关与互相关之分自相关是p i v 技术的两次曝光的粒 子图像成像在一张底片上，速度方向不能自动判别，存在速度方向二义性问题， 自相关方法的速度测量范围也很小做相关计算时，图像中的判读小区域在自身 图像中寻找其最大相似度的区域，做相关处理的两次曝光的粒子图像中的无效粒 子被认为是相关处理中的背景噪声，影响判读识别的准确度。互相关是做相关处 理的两幅图像独立存在浓p i v 实验中为两次曝光成像在两张底片上) 、一个最大优 点是可以自动判别速度方向，速度测量的范围可以比自相关大很多。做相关计算 时，图像中的判读小区域在另一图像中寻找其最大相似度的区域，降低了相关处 理中的背景噪声，相关的有效粒子数增加，信噪比提高，判读识别的准确度大大 提高。 在针对纳米流体产生的散斑图像处理方面，我们首先对图像进行了去噪等预 处理，然后分别在空域和频域做了相关的数字相关算法，并引进了在视频压缩领 域已经成熟的快匹配算法，对于运算量的减少起到了显著的效果。最后，采用的 算法着眼于亚像素的精度。 2 2 数字粒子图像测速技术( d p i v ) 数字粒子图像测速d p i v 技术是与光学p i v 相对应的数字化方法，是二维p l y 技 术的发展。 目前，p l y 技术的不足在于一幅底片的多次曝光和底片判读造成速度矢量的方 向二义性和光学处理系统的复杂性。随着电子学和计算机技术的飞速发展，数字 化方法被引入p i v 中，使得p i v 技术正朝着数字式粒子图像测速技术( d i g i t a l i o 硕士论文 纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简称d p i v ) 方向发展，发展形成为d p i v 技术，它 利用计算机图像获取和图像处理技术成功地实现了对流动现象实时显示和流体 全场速度测量。数字粒子图像测速( d p i v ) 技术是p i v 技术的一个新兴分支，其硬 件设备简单，具备实时性，而且采用互相关方法进行分析，消除了传统p i v 中常 见的速度方向模糊性问题。所谓d p i v 技术，就是采用电视摄像机或c c d 摄像机， 不需经过湿处理，直接记录粒子图像，用处理相继两帧数字图像的互相关取得速 度向量。 2 2 1d p i v 技术的发展历史及前景 数字粒子图像测速技术首先由w i l l e r t 提出【l ”。该方法将数字化图像看作是 随时间变化的离散的二维信号场序列，利用信号分析的方法，通过计算两幅图像 的互相关函数得到图像中粒子的位移。w i l l e r t 方法在两帧图像的相应位里开检 测窗口，从而获得检测窗口内各点的平均速度值。在整个测量过程中，没有考虑 粒子跑出窗口以及速度梯度的影响。这是w i l l e r t 方法的一个重要缺陷。因为这 一缺陷，w i l l e r t 方法的测速范围受到了较大的限制。h u a n g 1 。l 曾对w i l l e r t 方法 做过认真分析。当检测窗口为3 1 3 1 ( p i x e l ) ，两帧图像时间间隔为1 3 0 s ，粒子 大小约为2 2 ( p i x e l ) ，比例尺为0 2 m m p i x e l ，检测标准为0 5 时，用w i l l e r t 方 法所能检测到的最大速度约为5 4 c m s ，最大梯度约1 9 s 。因此，当流速变化剧烈 时，用w i l l e r t 方法进行测量就会带来较大的误差 在国内，对数字散斑相关方法的研究起始于上世纪8 0 年代晚期，高建新等首 先在我国开始进行了数字散斑相关方法的研究f 1 9 】【2 0 1 在随后的2 0 年中，特别是 近年来，随着计算机以及图形分析方法的迅速发展，该方法在固体力学问题研究 和工程应用方面所显现出的与众不同的特点正在逐渐被人们所认可 就其发展前景来看，一方面，d p i v 有着p i v 无法比拟的优势，在实验操作及其 数据处理中完全实现了数字化，它可以实时拍摄、观察和处理，便于及时修改粒 子浓度、照度以及其它一些实验参数。由于c c d 采样设备技术上的限制，d p i v 的 分辨率以及连续采样频率还较低，这就成为了d p i v 技术发展的瓶颈。目前急需发 展低成本、高分辨率、高采样频率的数字图像设备。另一方面，d p i v 使用数字 化摄像机摄取流体中的示踪粒子图像，无需进行光学预处理，硬件设备简单，可 以做到实时测量与显示。d p i v 采用多幅单脉冲成像方式，用互相关方法进行分 析，消除了传统p i v 中常见的速度方向二义性问题。随着高分辨率、快速c c d 摄像 机和高速图像数据传输处理设备的出现，d p i v 在空间和时间分辨率上都将有很大 提高。d p i v 技术必将代替p i v 技术，并将在科学实验和工业生产中得到越来越广 泛的应用。 硕士论文纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 2 2 2d p i v 技术的原理 数字粒子图像测速( d p i v ) 技术应用于速度场上的速度矢量的测量，其原理就 是利用添加在流体中的跟随性较好的示踪粒子来测出粒子所在位置的流场速度。 所以，从本质上讲，d p i v 技术测出的是流场中粒子的速度。在一个粒子图像测 速系统中，我们利用流体中粒子对光的散射作用，把粒子在流场中的位置记录在 图像存储媒体上。记录时流体中众多粒子在不同时刻的像可以按时间顺序通过多 次曝光记录在同一图像上，也可以把粒子不同时刻的像记录在不同的图像上。不 管采用何种方式，最后都要采用物理测试或图像处理的方法来求出粒子在一定时 间间隔内的运动距离，由此可求得粒子所在位置的速度。 d p i v 是通过测量粒子图像的位移x ，y 来获得粒子的速度，因此位移必须 足够小，使得x 出是速度u 的近似，y 出是速度v 的近似，可以表示为下式： “：l i r a x , - x l b 。o t 2 一 v ：l i m 生丛 1 2 一 呻of 2 一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) d p i v 技术所能测得的最大流场的速度与c c d 所拍摄得到的两幅图像的时间间 隔( 曝光时间) 有很大的关系，也与分辨率有关。假设要拍摄的流场的尺寸为 d x d ，曝光时间为研，两帧图像间的最大位移为d d ( 像素) ，c c d 的分辨率为 r x r ，则有如下关系1 2 l 】： 矿：8 d , _ d 一r ( 2 3 ) d f 其中v 为所能测得的最大速度。 2 3 本文在测量纳米流场时使用的几种图像处理方法 在本文中，测量纳米流体流场的图像处理方法主要有空域中的互相关处理算 法，这其中有最基本的受限的全局搜索算法，另外，还借鉴运动估计中的块匹配 算法以提高算法的速度，最后就是具有抗噪声特性、速度快的频域中的相位相关 的算法。 2 3 1 空域中的互相关处理方法 基本互相关算法是做相关法计算的两幅图像独立存在( 即连续两次曝光的图 像成像在两张底片上) ，用连续两幅图像之间的空间相关来确定散斑的速度。从 1 2 硕士论文纳米流体流场测量中散斑图像处理算法研究 两幅图像中，通过一个已知的时间间隔和两幅图像中相应的取样窗口的互相关 系，获得瞬时的平面速度分布。从第一幅图像的一个窗口中得到的图像数据和从 第二幅图像中窗口得到的图像数据被相互联系起来。 根据匹配方法的不同，会有不同的l s v 算法。 最简单的方法是受限的全局搜索法，其过程如图2 1 所示。全局搜索法的优 点在于其物理概念明确，实现简单，精确度高，可测速度的范围大。只要诊断窗 口内的粒子没有跑出第二幅图像，一般均可准确检测出其位移。但这种方法为了 获得( x ，y ) 的一个匹配点( x + x ，y + y ) ，需要模板在第二幅图像中的 ( m _ t h ) ( n - t w ) 个参考点上作相关