單相機(jī)層析粒子圖像測(cè)速新技術(shù)問(wèn)世

北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所、流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員不久前發(fā)布了一種單相機(jī)三維流場(chǎng)測(cè)速新方法。他們?cè)谙鄼C(jī)與被測(cè)流場(chǎng)之間加裝一個(gè)三棱面特效透鏡，光線通過(guò)該透鏡三個(gè)棱面的折射，能實(shí)現(xiàn)多相機(jī)不同視角成像的效果，然后經(jīng)過(guò)三維粒子的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維體PIV的測(cè)量，進(jìn)而用于流體力學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的深入研究。相關(guān)成果發(fā)表于今年8月的《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》。

三維體粒子圖像測(cè)速（Volumetric PIV）技術(shù)通過(guò)追蹤空間測(cè)量體內(nèi)流場(chǎng)示蹤粒子的圖像，來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)三維測(cè)速。但是早期的三維體PIV技術(shù)由于受到實(shí)驗(yàn)條件和算法的限制，只能測(cè)量示蹤粒子濃度較低的流場(chǎng)。

“早期多相機(jī)透視法同樣具有流場(chǎng)示蹤粒子濃度的問(wèn)題?！痹擁?xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所講師高琪在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)介紹說(shuō)，“直到2006年，層析式粒子圖像測(cè)速法（TPIV）提出，粒子濃度低的問(wèn)題才得到了質(zhì)的改善，測(cè)量精度也實(shí)現(xiàn)了大幅度提高。”

但是，TPIV屬于多相機(jī)透視PIV技術(shù)，最大的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)復(fù)雜，至少要采用三四個(gè)相機(jī)；同時(shí)，整個(gè)平臺(tái)的搭建和各部件之間的同步控制難度很大，操作性較差，數(shù)據(jù)量也大，不利于該技術(shù)的推廣。

“受三維曲面重構(gòu)中使用的多棱面透鏡技術(shù)的啟發(fā)，我們首次將其運(yùn)用到了流體力學(xué)測(cè)量之中。研發(fā)的單相機(jī)TPIV在保證現(xiàn)有TPIV測(cè)量精度的前提下，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度，提高了實(shí)用性?！备哏鲗?duì)記者說(shuō)。

研究人員將單相機(jī)實(shí)現(xiàn)TPIV的新技術(shù)應(yīng)用于零質(zhì)量射流渦環(huán)的測(cè)量中，經(jīng)過(guò)對(duì)三維空間標(biāo)定、標(biāo)定函數(shù)的自修正和三維粒子重構(gòu)進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明，該新方法能夠獲得零質(zhì)量射流渦環(huán)三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)序結(jié)果，且具有較高的測(cè)量精度。

與傳統(tǒng)TPIV技術(shù)相比，單相機(jī)層析粒子圖像測(cè)速新技術(shù)的不足之處主要在于單相機(jī)的有效成像區(qū)域較三臺(tái)相機(jī)小。

“但由于其操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，平臺(tái)搭建成本低，在流體力學(xué)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都可以靈活運(yùn)用?！备哏髦赋?，“我們目前正打算將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室模擬左心室內(nèi)流動(dòng)的前期研究。對(duì)于許多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的體外模型研究，由于觀測(cè)區(qū)域較小，動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)量較大，采用這項(xiàng)單相機(jī)技術(shù)是非常理想的。”