面向非定常流场的实时自适应PIV测量技术研究

作     者：王昕 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨华

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：非定常流场 PIV测量技术 实时自适应 分光技术 帧间间隔 

摘      要：20世纪80年代以来,粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)作为综合计算机、光学以及图像处理技术的一种新兴的测量技术得到了极大地发展,并逐渐成为流场测量的主要手段之一。在非定常流场中,流场速度随时间实时变化,而在传统的PIV测量技术中,相邻两帧图像采集的时间间隔固定,无法满足对非定常流场进行高精度、大动态范围测量的需求。针对现有PIV测量技术的局限性,本文提出了实时自适应PIV测量技术,并根据实时自适应的需求,设计了一套嵌入式硬件平台。与此同时还在硬件平台上进行了固件设计,验证了实时自适应PIV测量技术的准确性和可行性。具体研究工作如下:(1)针对目前PIV测量系统离线处理、开环控制的现状,提出了实时自适应PIV测量技术。该技术主要根据当前计算出的流场速度,来调整下个时刻图像采集的帧间间隔以测量下一时刻流场速度,实现了时变流场的在线测量和闭环控制;(2)研发了一套适用于实时自适应PIV测量技术的嵌入式硬件平台。该平台主要分为图像采集单元和图像处理单元两个部分。图像采集单元采用分光技术,以两个科学级CMOS作为图像传感器,以FPGA作为处理器,采用Camera Link协议进行数据通讯,并实现了帧间间隔的控制调整。图像处理单元采用FPGA和两个DSP结合的处理架构,利用SRIO协议进行数据交换,实现了数据的高速传输与实时处理;(3)针对所设计的PIV硬件平台,进行了固件系统的设计,主要包括FPGA端电源配置,FPGA对图像数据的处理与控制,FPGA端SRIO协议通信;DSP端电源与时钟配置,DSP启动程序,DSP端SRIO通信,DSP端以太网通信等固件模块的设计。并对所设计固件进行了验证,为实时自适应PIV测量技术提供支持;(4)提出自适应调整算法,并通过所设计的硬件平台对非定常流场进行了测量实验,测量结果验证了在该硬件平台下实时自适应PIV测量技术的准确性和可行性。