Введение
Велосиметрия с отслеживанием частиц (PTV) – это метод скоростометрии, то есть техника измерения скоростей и траекторий движущихся объектов. В исследованиях механики жидкости эти объекты представляют собой нейтрально плавающие частицы, взвешенные в потоке жидкости. Как следует из названия, отслеживаются отдельные частицы, поэтому этот метод является лагранжевым подходом, в отличие от велосиметрии изображений частиц (PIV), являющейся эйлеровым методом, измеряющим скорость жидкости при её прохождении через фиксированную в пространстве точку наблюдения. Существуют два экспериментальных метода ПТВ: двухмерный (2D) ПТВ. Измерения проводятся в двухмерном срезе, освещенном тонким лазерным листом (тонкой плоскостью); низкая концентрация засеянных частиц позволяет отслеживать каждую из них индивидуально в течение нескольких кадров. Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц (3D PTV) – это специфическая экспериментальная техника, первоначально разработанная для изучения полностью турбулентных течений. В настоящее время она широко применяется в различных областях, от исследований в области строительной механики до медицины и промышленности. Она основана на многокамерной системе в стереоскопической конфигурации, трехмерном освещении наблюдаемого объема, записи временной последовательности стереоскопических изображений оптических меток (освещенных частиц, служащих трассерами потока), определении их мгновенного трехмерного положения в пространстве с использованием фотограмметрических методов и отслеживании их движения во времени, что позволяет получить набор трехмерных траекторий оптических меток. Велосиметрия с отслеживанием частиц с временным разрешением называется 4D PTV.
the two dimensional (2 D) PTV. Measurements are made in a 2 D slice, illuminated by a thin laser sheet (a thin plane); a low density of seeded particles allows for tracking each of them individually for several frames. the three dimensional particle tracking velocimetry (3 D PTV) is a distinctive experimental technique originally developed to study fully turbulent flows. It is now being used widely in various disciplines, ranging from structural mechanics research to medicine and industrial environments. It is based on a multiple camera system in a stereoscopic arrangement, three dimensional illumination of an observation volume, recording of the time sequence of stereoscopic images of optical targets (flow tracers illuminated particles), determining their instantaneous 3 D position in space by use of photogrammetric techniques and tracking their movement in time, thus obtaining a set of 3 D trajectories of the optical targets. Time resolved three dimensional particle tracking velocimetry is known as 4D PTV.
Описание
3D-велосиметрия с отслеживанием частиц (PTV) относится к классу методов скоросиметрии по всему полю, используемых для изучения турбулентных течений, позволяющих определять мгновенные распределения скорости и вихрености в двух или трех пространственных измерениях. 3D PTV формирует временной ряд мгновенных 3-компонентных векторов скорости в виде траекторий элементарных объемов жидкости. В любой момент времени плотность данных может легко превышать 10 векторов скорости на кубический сантиметр. Метод основан на стереоскопической съемке (с использованием от 2 до 4 камер) и синхронной регистрации движения трассирующих частиц, то есть небольших частиц, взвешенных в потоке, освещенных импульсным источником света. Координаты 3D частиц как функция времени затем определяются с помощью анализа изображений и фотограмметрического анализа каждого стереоскопического набора кадров. Положения 3D частиц отслеживаются во времени для получения траекторий частиц. Возможность следить за пространственно плотным набором отдельных частиц в течение достаточно длительного периода времени и проводить статистический анализ их свойств позволяет использовать лагранжево описание процесса турбулентного течения. Это уникальное преимущество метода 3D PTV. Типичная реализация 3D PTV состоит из двух, трех или четырех цифровых камер, установленных в угловой конфигурации и синхронно регистрирующих дифрагированный или флуоресцентный свет от трассирующих частиц, введенных в поток. Поток освещается коллимированным лазерным лучом или другим источником света, который часто используется в импульсном режиме, синхронизированном с частотой кадров камеры, для уменьшения эффективного времени экспозиции движущихся оптических целей и "замораживания" их положения на каждом кадре. Нет ограничений на то, чтобы свет был когерентным или монохроматическим; требуется лишь достаточная освещенность для визуализации трассирующих частиц в объеме наблюдения. Частицы или трассировщики могут быть флуоресцентными, дифрагирующими, отслеживаться на максимально возможном количестве последовательных кадров и с использованием максимально возможного числа камер для достижения максимальной точности определения положения. В принципе, двух камер в стереоскопической конфигурации достаточно для определения трех координат частицы в пространстве, но в большинстве практических ситуаций используются три или четыре камеры для достижения удовлетворительной точности 3D позиционирования, а также для увеличения количества получаемых траекторий при изучении полностью турбулентных течений.
3D-PTV схемы
Существует несколько вариантов схем 3D ПТВ. Большинство из них используют либо 3 ПЗС, либо 4 ПЗС.
Схемы обработки изображений в реальном времени
Использование белого света для освещения области наблюдения, а не лазерного, значительно снижает как стоимость, так и требования к охране труда и безопасности. Первоначальная разработка 3D-метода ПТВ началась как совместный проект Института геодезии и фотограмметрии и Института гидравлики Цюрихской высшей технической школы (ETH Zurich). Дальнейшее развитие методики включает обработку изображений в реальном времени с использованием чипа FPGA, установленного на камере.