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基于千眼狼高速摄像机与三色掩模的体三维粒子图像测速PIV技术

news 来源：原创 2025/7/18 9:10:10

研究背景
航空航天、能源动力领域，测量三维瞬态流场的速度场信息对于理解流体力学行为、优化系统设计非常关键。
传统三维粒子图像测速技术如Tomo层析PIV，因依赖多相机阵列，存在系统体积、操作复杂，在封闭空间测量存在困难；光场PIV等单相机方案则存在分辨率局限性。
太原理工大学丁老师团队，创新性提出基于单台高速摄像机的三色掩模三维粒子图像测速技术（Trichromatic Mask PIV），开创性通过光学路径调制与智能算法融合，实现全画幅、高分辨率的三维瞬态速度场测量。
研究成果发表于论文《A volumetric particle image velocimetry technique based on single color camera with trichromatic mask》
实验平台
1. 三色掩模成像系统：由千眼狼Revealer Mini系列高速摄像机、定制的三色掩模、镜头组成。三色掩模包含三个波长为450/532/650nm窄带滤光片，等边三角形排列，安装在相机镜头前。通过三色掩模调制光线颜色信息，使高速摄像机的RGB通道分别记录三个不同视角的图像，实现全视场、全分辨率的3D3C速度场测量。
2. 激光照明系统：高能白色激光器，波长450/532/650nm，功率3W，用于激发流场中的示踪粒子。
3. 数据采集与处理系统：配备高性能计算机，用于粒子图像数据采集、存储与处理。并采用GPU加速计算。
实验步骤
1. 搭建三色掩模成像系统（图1），并进行数据采集，单帧图像通过RGB通道记录三视角粒子信息。

2. 通过模拟生成的人工粒子场和合成投影粒子图像，采用MLOS-SMART算法进行三维粒子重建。
3. 利用合成的三维高斯涡流场，评估三色掩模PIV技术的速度场测量精度。
4. 搭建了零净质量通量喷射流ZNMF实验平台，对三色掩模PIV技术的实际测量能力，与立体PIV和层析PIV技术横向对比验证。

实验数据与结果
1. 粒子重建性能验证：通过模拟生成的人工粒子场和合成投影粒子图像，对三色掩模PIV系统的粒子重建性能进行了详细分析。使用MOLS-SMART算法对不同参数下的粒子图像进行三维重建，图2展示了一个具体的三维粒子重建结果。

蓝色椭球体代表重建后的粒子形状，深红色表示理想情况下的粒子形状。差异主要由于三色掩模的视角有限，导致粒子深度方向出现延伸效应，影响粒子重建质量，进而影响PIV测量的精度。可通过优化相关参数，如增加光孔直径、增大掩模孔间距、减小焦距和拍摄距离等来增大视场角，改善粒子重建效果。
2. 合成高斯涡环流场验证：利用合成的三维高斯涡流场，评估三色掩模PIV技术的速度场测量精度。当涡核直径为（1.4/-M）mm，速度场分布与理论模型高度一致。

3. ZNMF射流实验
图像处理环节，利用三色掩模成像系统单台高速摄像机捕获的原始粒子图像展现了RGB通道融合的彩色信息（图4(a)）。经过颜色串扰校正后，原始图像被分离为红、绿、蓝三个独立视角的灰度图像（图4(b)-(d)），清晰呈现不同空间位置的粒子分布差异：红色视角图像（图4(b)）中，喷嘴后方粒子的纵向位移显著，蓝色视角（图4(d)）则捕捉到侧向涡结构的细节。

实验结果显示，喷嘴出口瞬时涡环结构（直径10mm，St=0.77，Re=32），速度场与经典射流特性吻合。随着时间推移，主涡环向下游移动，流场的相干性降低，速度矢量和Z方向涡量的大小显著减小。

通过速度梯度变化测试，散度误差Pearson系数Qdiv=0.76，与层析PIV（Qdiv=0.66）及立体PIV（Qdiv=0.82）技术测量结果一致，表明该技术具有较高的测量精度和可靠性。
三色掩模PIV技术作为新型基于单台高速摄像机的3D3C-PIV速度场测量方法，能够准确地重建出流场中粒子的三维空间分布，并计算出瞬态速度场。这为深入研究复杂流场的流动特性提供了有力支持，也验证了三色掩模PIV技术在实际流场测量中的可行性和有效性。未来，三色掩模PIV技术有望在航空航天、能源与动力工程、环境工程等领域发挥更大的作用。

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