单相机层析粒子图像测速新技术问世

北京航空航天大学流体力学研究所、流体力学教育部重点实验室的研究人员不久前发布了一种单相机三维流场测速新方法。他们在相机与被测流场之间加装一个三棱面特效透镜，光线通过该透镜三个棱面的折射，能实现多相机不同视角成像的效果，然后经过三维粒子的重构，实现三维体PIV的测量，进而用于流体力学、医学等领域的深入研究。相关成果发表于今年8月的《中国科学：技术科学》。

三维体粒子图像测速（Volumetric PIV）技术通过追踪空间测量体内流场示踪粒子的图像，来实现流场三维测速。但是早期的三维体PIV技术由于受到实验条件和算法的限制，只能测量示踪粒子浓度较低的流场。

“早期多相机透视法同样具有流场示踪粒子浓度的问题。”该项目负责人、北京航空航天大学流体力学研究所讲师高琪在接受《中国科学报》记者采访时介绍说，“直到2006年，层析式粒子图像测速法（TPIV）提出，粒子浓度低的问题才得到了质的改善，测量精度也实现了大幅度提高。”

但是，TPIV属于多相机透视PIV技术，最大的缺点是实验平台复杂，至少要采用三四个相机；同时，整个平台的搭建和各部件之间的同步控制难度很大，操作性较差，数据量也大，不利于该技术的推广。

“受三维曲面重构中使用的多棱面透镜技术的启发，我们首次将其运用到了流体力学测量之中。研发的单相机TPIV在保证现有TPIV测量精度的前提下，大大简化了实验的复杂程度，提高了实用性。”高琪对记者说。

研究人员将单相机实现TPIV的新技术应用于零质量射流涡环的测量中，经过对三维空间标定、标定函数的自修正和三维粒子重构进行误差分析，结果表明，该新方法能够获得零质量射流涡环三维流动结构的时序结果，且具有较高的测量精度。

与传统TPIV技术相比，单相机层析粒子图像测速新技术的不足之处主要在于单相机的有效成像区域较三台相机小。

“但由于其操作起来比较简单，平台搭建成本低，在流体力学、医学等各个领域都可以灵活运用。”高琪指出，“我们目前正打算将该技术应用于实验室模拟左心室内流动的前期研究。对于许多医学领域的体外模型研究，由于观测区域较小，动态测量数据量较大，采用这项单相机技术是非常理想的。”