应用于微细流场的全息荧光粒子图像三维测速系统

利用亚微米荧光示踪粒子的离焦微细观测时的衍射图样,可以分析确定荧光粒子垂直于图像平面的轴向的位置, 实现对示踪粒子的三维定位．再结合应用于二维流畅测速领域的PIV技术,可利用全息荧光粒子图像测速技术实现流体速度分布的三维测量。     

显微散焦粒子识别与追踪测速

根据三孔挡板散焦成像的原理,使用高速散焦显微粒子测速装置开展三维显微粒子追踪测速研究。在粒子散焦像识别的过程中利用了其对应三角模型相似的特点,通过散焦像斑灰度呈二维高斯分布特征计算其质心。在粒子三维位置测量算法分析的过程中选择了多达29颗的样品粒子,对29组不同深度的数据采用线性拟合的方式进行粒子深度方向的标定,并用二元多项式对870组数据拟合获得了关于粒子平面位置漂移的补偿函数。针对长直微通道内雷诺数Re分别为0.05和0.1的流场进行了验证性测量,采用20′0.4显微物镜,使用高速CMOS相机对直径为2mm的粒子进行追踪。结果显示,计算出的示踪粒子速度分布与数值仿真曲线吻合良好。     

基于轻量化深度学习模型的粒子图像测速研究

粒子图像测速(PIV)作为一种非接触的、全局的间接流体力学测量技术,能够从图像中获取流体的速度场,从而揭示流体的运动规律。随着深度学习技术的发展,用深度学习技术来进行粒子图像测速具有很重要的研究价值和广泛的应用前景。基于光流神经网络,提出了一种改进型轻量级卷积神经网络,在提高粒子图像测速精度的同时,减小了模型的参数量,提高了测试速度。首先,将目前能够获取最优刚体估计的光流神经网络架构进行了改进,采用人工合成的粒子图像数据集进行有监督训练。然后,将训练得到的网络模型与当前最先进的用于粒子图像测速的深度学习模型进行对比评估。实验结果表明,本文提出的基于轻量化深度学习模型的粒子图像测速模型在不损失精度的同时,模型参数量减小了9.5%,测试速度提高了8.9%。     

基于光场成像的三维粒子追踪测速技术

将光场成像理论与三维颗粒追踪测速(PTV)技术相结合,实现了单相机三维流场的测量。结合高斯光学和相似原理,推导出了深度与最优重聚焦系数的关系。搭建了光场标定与流场测量系统,提出基于光场成像理论模型的深度标定方法,并与泰勒多项式拟合方法进行对比,证明了其具有较高的稳健性。利用清晰度最大原理,获得原始光场图像的全聚焦图,采用最小特征值角点检测算法对全聚焦图上的颗粒进行定位,结合三维粒子追踪技术,得到颗粒的三维速度。形成了光场PTV的图像处理流程,并对后向台阶流场进行了实测,结果表明光场PTV技术能够较好地测量三维流场。     

去卷积数字全息重构的微球位置精确测量

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像,利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构,同时对重构光场进行去卷积运算,消除了散斑、离焦信号等噪音,并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合,提高了微球三维位置测量精度。实验表明,该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量,而且能够对交叠微球进行测量,纵向分辨力达到2 nm,在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。     

去卷积数字全息重构的微球位置精确测量EI北大核心CSCD

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像,利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构,同时对重构光场进行去卷积运算,消除了散斑、离焦信号等噪音,并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合,提高了微球三维位置测量精度。实验表明,该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量,而且能够对交叠微球进行测量,纵向分辨力达到2 nm,在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。     

离焦图像的互相关匹配法测量微球三维位置研究

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力,尤其是轴向的测量精度,将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合,讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明,该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm,已实现对微球三维方向1 nm阶跃变化的分辨测量,这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下,与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。     

用于彩色光照粒子图像测速的粒子场模拟成像

分析了基于彩色光照的粒子图像测速算法中示踪粒子的成像原理,并根据实际流场中的应用环境以及彩色粒子图像测速算法的实验条件,采用一套由白色光源和波长线性变化的滤波片组成的照明系统,为粒子场提供不同深度、相同光强的彩色体积光照明.根据针孔相机模型和其对应的点扩散函数,建立示踪粒子的三维成像模型,得到在彩色体积光照射下流场中的...     

投射离焦三维测量方法

提出了一种在投射光路中实现主动离焦三维测量的方法。该方法采用改变投射参数来拍摄物体的两幅图像,通过计算图像的调制度分布来获得物体的三维分布。该方法不但可使三维测量的空间分辨率达到单个像素,而且扩大了离焦三维测量的使用范围。实验得到的精度高于2.8%。     

水洞流场PIV显示与分析系统离轴测试校正

粒子图像测速技术(PIV)通过测量被测流场截面上每一位置点的速度,获得整个被测流场的信息.在PIV一般应用中所使用的照明激光片光与成像CCD装置的拍摄方向是垂直的,在某些应用场合受测试条件的限制,需要采用离轴方式进行测量,此时CCD成像方向与照明的激光片光不垂直,而是有一定夹角.离轴测试方式将对PIV系统的光学成像系统、示踪粒子选择和粒子图像处理带来影响.实验采用Scheimpflug离轴聚焦的方法对表面镀银高反射率的示踪粒子进行成像,通过调整成像透镜与CCD像面的夹角可获得清晰的粒子成像,并利用网格校正板和软件计算处理等方法有效校正了由于离轴测试带来的影响.