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1、第26卷第1期光学技术Vol.26No.12000年1月OPTICALTECHNIQUEJan.2000文章编号:100221582(2000)0120016203X一种利用示踪粒子群体运动特征的PTV方法12211靳斌,杨冠玲,何振江,郭永采,谢利利(11重庆大学光电工程学院,重庆400044;21华南师范大学物理系,510631)摘要:通过利用示踪粒子在流场局域运动基本相同的事实,提出了用2帧图像实现粒子跟踪的PTV(ParticleTrackingVelocimetry)算法,给出了算法实施的数据结构,并用运动场模拟数据和实测数据进行了验证,证明了这种方法的可行性。关键词:PTV;PI
2、V;流场测速;信号处理;图像处理中图分类号:O436.1文献标识码:AAfluidfieldvelocimetrymethodbasingontracers’groupproperty12211JINBin,YANGGuan2ling,HEZhen2jiang,GUOYong2cai,XIELi2li(11TheOpto2electronicEngineeringInstitute,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)(21ThePhysicsDepartmentofSouthernChinaNormalUniversity,510631,Ch
3、ina)Abstract:Byutilizingthefactthatthetracers’movementinfluidfieldneighborareaissimilar,APTValgorithmusingtwoimagesandthedatastructuretocarryoutthealgorithmispresented.Thealgorithmisalsoverifiedbysimulat2ingdataandrealisticdata,andisprovedfeasible.Keywords:PTV;PIV;fluidvelocimetry;signalprocessing;
4、imageprocessing在流场局域示踪粒子运动基本相同的事实,而且对1引言于高速流场,示踪粒子运动较快,在照明区(片光中)流场速度场测量是光学技术的一个重要应用领域停留时间短,一般只能得到2～3帧图像,这就不域,它可以给流体力学和空气动力学提供重要的实适合用4帧法。因此我们提出基于示踪粒子群体运验手段,是流体力学和空气动力学能否突破性发展动特征的PTV方法,该方法只需2帧图像就可以实[1]的关键。同时流场速度场测量也有广泛的应用现粒子跟踪。价值,如脱硫塔内喷雾场的测定能为脱硫塔的优化设计和有效运行提供基本的数据[2]。2算法思想在流场速度场测量技术中信号处理主要有PIV本文提出的利用示
5、踪粒子群体运动特征的跟踪[3](ParticleImageVelocimetry)、PTV二种算法。目方法是基于在二帧连续图像(间隔40ms)上的示踪前PTV方法,尤其是基于数字摄影的PTV方法在粒子应满足3条基本特征。国内外颇受重视,这是因为随着计算机和图像采集(1)最大速度特征,即任何粒子在二帧图像采设备速度的提高,已经能实时记录许多流体运动过样间隔内位移小于一个确定值R2,如图1,第1帧程,而用数字摄影可以避免化学摄影的湿处理过程,图像的Xi粒子有可能运动到第2帧图像的Yj、使流体测速向实时化方向发展,同时PTV方法是直Y1、Y3粒子位置,(但满足群体运动特点的只有粒接跟踪流场中的示踪
6、粒子的运动,具有准确直观的子Yj)。特点,避免了PIV方法中的平均效应。1常用的PTV方法有4帧法[4],它是利用示踪粒(2)流场局域特征,即在F图像的Xi点的邻子的运动学特征,用运动学规律去挑选可能的粒子域圆域内(半径为R3),示踪粒子的运动矢量基本相运动轨迹,剔除不可能的粒子运动假设,这就忽略了同。如图1,第1帧图像的X1、X2、X3、X4、Xi粒子X收稿日期:1999203223;收到修改稿日期:1999204222基金项目:广东省自然科学基金项目(970306)资助和广东省高教厅自然科学重点科研项目(粤高教科[1997]号)资助作者简介:靳斌(19692),男,重庆市人,重庆大学博士
7、研究生,从事光电技术和系统研究。16第1期靳斌,等:一种利用示踪粒子群体运动特征的PTV方法标,ξ=1,3,j;k为第i个研究粒子的邻域粒子下标,k=1,2,3,4;l为邻域粒子的可能分叉矢量下标;A、B为松驰系数,A<1,B>1,B/A越大收敛速度越快,n为迭代次数。nn珟PξiPξi=n3n-1∑珟Pξi+Piξ(3)3n-13nPiPi=n3n-1∑珟Pξi+PiξStep4:按(2)式、(3)式构成迭
