【摘 要】
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流场三维运动估计关系到飞行器等流线型机构的外形设计与优化,一直是流体力学领域关注的热点。层析粒子图像测速技术作为一种基于先进的激光照明技术与图像采集技术的全场非接触式新型三维速度测量技术,广泛应用于各种流场的三维运动估计。为了满足各种流场三维速度场精确测量需求,针对现有层析粒子图像测速算法存在的三维重建精度不高、互相关速度估计空间分辨率低等问题,本文提出了基于三维光流的层析粒子图像测速算法,并进行
【基金项目】
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国家自然科学基金委面上项目:“高超声速三维流场光流粒子图像测速新原理”（项目资助号:51875228）； 国家重点研发计划项目:“高性能风洞精细化流场显示与非接触测量技术研究”（项目资助号:2020YFA0405700）； 科技创新特区项目:“微小型嵌入式高速视觉采集处理单元研究”（合同编号:193-A14-202-01-23）；
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流场三维运动估计关系到飞行器等流线型机构的外形设计与优化,一直是流体力学领域关注的热点。层析粒子图像测速技术作为一种基于先进的激光照明技术与图像采集技术的全场非接触式新型三维速度测量技术,广泛应用于各种流场的三维运动估计。为了满足各种流场三维速度场精确测量需求,针对现有层析粒子图像测速算法存在的三维重建精度不高、互相关速度估计空间分辨率低等问题,本文提出了基于三维光流的层析粒子图像测速算法,并进行了层析粒子图像测速系统的设计与搭建,最后在真实流场实验中对提出的算法进行了测试。本文的具体研究总结如下:（1）面向层析粒子图像测速技术中三维空间粒子体的精确重建需求,提出了基于光流运动增强的三维重建算法（Optical-Flow-Motion-Enhancement-Based Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,OFME-MART）。该算法的核心思想是利用连续两帧三维空间粒子体的运动信息来提高重建质量。首先对示踪粒子图像进行三维重建,然后对重建后两帧三维粒子体进行光流估计,使用光流估计后的三维速度场对两帧三维粒子体进行体积变形,最后将变形后的粒子体与原始粒子体求均值后输入到乘法代数重建基本模型中进行下一次的迭代重建,有效提高了重建精度。OFME-MART算法在仿真性能测试实验中与MART、MTE-MART算法进行了对比分析,实验结果显示OFME-MART算法取得了最高0.896的平均重建精度,同时在每像素0.25个示踪粒子的高播撒浓度下仍然可以达到0.8以上的重建质量。（2）为了满足湍流等复杂流动结构中三维速度场的精确测量需求,提出了基于体积分割的三维光流测速算法（Volumetric-Segmentation-Based Three-dimensional Optical Flow Method,VS-OF）。该算法引入图像分割领域的思想,设计了基于分割的正则化项,取代了传统基于全局平滑的正则项。根据流体流动的流速分布,采用鲁棒的局部水平集算法对三维空间粒子体进行分割。最后对分割后的三维空间粒子体进行多尺度分层与体积变形操作,以避免陷入局部最优解,进而获得准确的三维速度场。VSOF算法在约翰霍普金斯湍流数据集上与3D HS、3D NCC算法进行了对比分析,实验结果表明VS-OF算法取得了最低的平均角度误差8.47°以及均方根误差0.29体素,计算出的三维速度场更接近真实速度场。（3）面向层析粒子图像测速系统研制需求,自主设计并搭建了层析粒子图像测速系统。其中设计的层析粒子图像测速系统主要分为两个模块:激光光源系统和图像采集系统。激光光源系统包括双脉冲激光器、体光源模块以及同步控制器等部分,图像采集系统包括多台跨帧相机、多目视觉平台以及示踪粒子发生器等部分。最后针对相机标定算法进行了研究,并采用自主搭建的多目视觉成像平台,在低速风洞实验平台上进行了实际标定算法性能测试,结果表明四台相机的重投影误差均小于0.1像素,整体平均误差为0.08像素,满足后续三维重建所需要的标定精度。本文在层析粒子图像测速系统中对所研究的算法进行了实际实验测试,包括均直流三维速度测量实验、压缩拐角模型三维速度测量实验以及公开的圆柱尾流真实实验。测试结果表明,本文提出的OFME-MART算法以及VS-OF算法能够满足层析粒子图像测速真实实验需求。
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