3DPIV相交光轴的两视点透视成像方法

• 作 者: 刘艳
• 机 构: 中国石油大学(北京)
• 出 处: 中国石油大学(北京)
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 相交光轴 透视成像 流体测试 灭点定标 拓扑图论

在流体工程领域,实际流场往往呈三维空间特征,所以流场的空间三维速度测量是流体测量的必然发展方向,而能揭示流体三维拓扑结构的三维PIV测试技术,是目前三维流体测试技术的一个主流方向。　　
论文首先分析了三维流体测试技术的基本原理、现状以及PIV技术的发展。对其典型方法以及其优缺点,进行研究探讨。最终采用相交光轴布局,基于的拓扑匹配方法,开发出一套完整的三维PIV测试技术,实现了对一定体积内的流场进行测试。　　
对于粒子像点定位:1)、模板相关法实现粒子像识别,采用高斯峰值拟合实现准确定位;2)、滤波并对图像进行二值化处理,利用像点检测算法识别粒子,采用重心法实现准确定位。对于高斯分布的示踪粒子像,两方法都能取得很好的效果。一般在第一种算法失效时,通常采用第二种方法处理粒子图像。　　
对于三维PIV测试技术,要实现对一定体积内的三维流动结构进行测试,包含两个方面的内容:匹配定位和运动匹配。匹配定位必须包含相机标定这一步骤。论文选用透视成像模型,采用灭点标定法,直接求解相机的内外方位参数。针对无法将标定体放置于待测流场的工况,本文首次提出了一种新的自标定方法:将标定体放在测试区域外,利用灭点标定方法确定迭代的初始值,然后根据流场中的标定点,利用迭代法求解相机的内外方位参数。针对匹配定位中的重点问题,并介绍了多视点定位以及空间相关定位的降重方法。并利用实验验证了算法的准确度和可行性。　　
运动匹配采用拓扑图论原理,并根据流体特性,总结归纳了流体微团的三个基本判据:几何不变性判据、不可压缩性判据以及各向同性判据。最终根据这些原理、判据加上拓扑延拓技术,开发出三维拓扑匹配算法。本文首次引入流体微团的局部约束以及运动约束,并在三维地域性延拓的基础上引入卡尔曼滤波,更准确有效地实现了三维速度场的运动匹配。实验利用数字模拟流场检测了匹配算法的精度。而三维拓扑算法在二维流场测试中的成功运用,也在一定程度上验证了该算法的可行性。