高频粒子图像测速系统原理与实践

　　高频粒子图像测速是一种采样频率高于流动有效频率2倍的全场、无干扰瞬态流场测量技术，是材料技术、激光技术、光学成像技术、数字图像处理技术及计算机技术交叉融合的产物。本书综合介绍了高频粒子图像测速系统的基本原理、硬件组成、主要算法及实际应用。首先回顾了粒子图像测速技术的发展历程，然后以研发一套高频粒子图像测速系统为主线，总结了示踪粒子、光源及光路、相机及镜头、光学成像及数字图像等基础知识，介绍了图像前处理、粒子图像分析及流场后处理的常用方法和算法实现，最后通过明渠紊流、方腔流和黏性底层三个典型应用实例，展示了高频粒子图像测速系统的应用实践。 本书可供流体力学、水利工程、船舶与海洋工程、宇航航空科学与技术、土木工程、环境科学与工程、交通运输工程、动力工程及工程热物理等专业科技人员及高等学校相关专业师生参考。

　　陈启刚，男，博士，中共党员，北京交通大学讲师，四川宜宾人。2009年6月毕业于四川大学，获工学学士学位，同年9月获免试推荐，进入清华大学水利系攻读博士学位，师从王兴奎教授，2014年6月获工学博士学位。长期从事粒子图像测速（PIV）系统的研发及应用工作。

目录

第1章绪论

1.1引言

1.2PIV基本原理

1.3PIV发展历程

1.3.1光源系统

1.3.2成像系统

1.3.3分析方法

1.3.4标准配置

1.4PIV发展趋势

1.4.1三维粒子图像测速技术

1.4.2高频粒子图像测速技术

1.5PIV国际交流与合作

第2章PIV硬件系统

2.1示踪粒子

2.1.1跟随性

2.1.2散光性

2.1.3选择与使用

2.2光源

2.2.1激光

2.2.2调Q技术

2.2.3双脉冲激光系统

2.3光路

2.3.1高斯光束

2.3.2片光光路

2.3.3体光光路

2.3.4导光设施

2.4相机

2.4.1CCD相机

2.4.2CMOS相机

2.4.3CCD与CMOS相机对比

2.5镜头

2.5.1镜头与透镜

2.5.2镜头的光圈

2.5.3镜头的像差

2.5.4镜头的景深

2.5.5镜头的接口

第3章粒子图像获取

3.1成像原理

3.1.1简单成像

3.1.2成像分辨率

3.1.3倾斜成像

3.2粒子成像

3.2.1衍射极限成像

3.2.2单粒子成像

3.2.3多粒子成像

3.3拍摄粒子图像

3.3.1图像曝光

3.3.2图像像素化

3.3.3成像噪声

3.4形成数字图像

3.4.1数字图像的表示

3.4.2BMP图像文件

3.4.3TIFF图像文件

3.5粒子图像合成

3.5.1标准图像

3.5.2流场及参数处理

3.5.3粒子图像合成算法

第4章粒子图像分析

4.1图像前处理

4.1.1背景剔除

4.1.2图像增强

4.1.3图像去噪

4.2流场计算基本方法

4.2.1概述

4.2.2自相关算法

4.2.3互相关算法

4.3流场计算辅助方法

4.3.1窗函数

4.3.2亚像素插值

4.3.3错误矢量剔除

4.3.4流速矢量插补

4.4流场计算高级方法

4.4.1窗口平移

4.4.2图像变形

4.4.3多级网格迭代

4.5特殊处理技术

4.5.1非正方形窗口

4.5.2固体边界处理

4.6误差及优化准则

4.6.1PIV计算误差

4.6.2判读窗口尺寸影响

4.6.3粒子拖尾影响

4.6.4PIV优化准则

第5章流场后处理

5.1流场去噪

5.2速度统计参数

5.2.1平均流速

5.2.2高阶速度矩

5.2.3相关与能谱

5.3流速导出变量

5.3.1速度梯度

5.3.2涡量

5.3.3压力场

5.4涡识别方法

5.4.1方法推导

5.4.2方法对比

5.5样本参数分析

5.5.1问题的提出

5.5.2实验及方法

5.5.3采样频率分析

5.5.4采样历时分析

5.5.5参数耦合分析

5.5.6小结

第6章高频PIV系统实践

6.1系统搭建方法

6.1.1激光器及光路

6.1.2相机及镜头

6.1.3测架

6.1.4分析软件

6.2系统测试

6.2.1算法检验

6.2.2综合检验

6.3在明渠紊流研究中的应用

6.3.1实验设备及水流条件

6.3.2明渠紊流统计参数

6.3.3涡的演化特征

6.3.4横向涡对雷诺应力的贡献

6.3.5横向涡与净力之间的关系

6.4在方腔流中的应用

6.4.1实验系统及实验条件

6.4.2时均流场结构

6.4.3大尺度环流

6.4.4涡旋的空间分布

第7章超高分辨率高频PIV系统

7.1基本原理

7.2硬件系统

7.2.1摄像系统

7.2.2光源系统

7.3图像处理与计算方法

7.3.1图像处理

7.3.2粒子匹配算法

7.4黏性底层测量中的应用

7.4.1研究背景

7.4.2实验条件

7.4.3时均流速

7.4.4紊动强度与雷诺应力

7.4.5偏态和峰度系数

附录A主要符号对照表

参考文献