流场的流速一直是流体动力学实验研究的关键参数。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)已成为流体动力学实验中流速测量的标准测量手段。二维的 PIV 技术已经得 到了广泛的应用，有着充分成熟的理论与实验基础[1][2]。但是，使用二维 PIV 技术只能实现 二维平面内的流速测量，对复杂的三维流动过程，如漩涡等无法准确地捕捉其流动机理。论文网

数字流场模拟技术，例如直接数字模拟(direct numerical simulation, DNS)，大型漩涡模拟 等，虽然可以对流场结构有一个完整的描述，但是要求这些流场结构不能过于复杂。常常使 用的测量三维非静止场的方法是模拟流场中的某个平面，而在这个平面可以快速知道流场的 流速[3]。使用测量流场中平面的方法，可以得到处于静止状态下的三维流场的描述。在某些 情况下，例如假设在湍流为静止的情况下，流场的三维模拟可以通过测量垂直于对流方向的 各个平面得到。 所以，湍流的结构可以通过扫描获得[4][5]。但是，这个方法不适合于快速变 化的流场。

近几年来，国内外研究与发展出了多种的三维 PIV 技术，对多种情况下的流场流速进行 快速的测量。不同的三维 PIV 技术有着各自不同的特点，适用不同的应用场景。

1。2 三维 PIV 技术

解决速度场的普遍方法是使用二维粒子图像测速技术，所以很多的三维粒子图像测速技 术是以二维粒子图像测速法为基础扩展到第三个维度的。Adrian 描述了二维 PIV 的演变[6]， 在本文中不做相关赘述。一个早期的并且仍在使用的三维 PIV 方法是使用两个相机进行的立 体视觉 PIV[7]。

层析粒子图像测速技术（Tomographic Particle Image Velocimetry，简称 Tomo-PIV）使用 多视场角去获得三维速度场，常常使用 3-6 个摄像机去获得图像[8][9]。利用有限数量的二维传 感器，光学层析可以重建粒子的三维强度场。在现存的技术中，层析 PIV 重建的空间中可以 存在的粒子浓度较大，对三维图像重建质量有较高的提升。Elsinga 等的模拟[8]表明，层析 PIV 可以重建粒子浓度较大的三维空间。而最新的实验表明，层析 PIV 可以处理的粒子浓度确实 比较大 [9][10]。通常而言，三维空间的可视深度为平面尺寸的 3-5 倍[8][9][11]。Elsinga 等透彻地 描述了层析 PIV 的功能和方法[8][9]。

在全息 PIV 方法中，空间中粒子的三维位置是根据粒子发出的波与入射到场中的相干参

第 2  页 本科毕业设计说明书 考波之间的干涉图像来确定的[12]。干涉图像的作用是返回由空间中物体发出的光的光谱信息， 这些信息与物体到感光元件的距离有一定的关系，即三维空间的深度[13]。全息 PIV 就是充分

利用这个原理去重建空间，获得空间中粒子的位置信息。Meng 等[14]提供了一种较为普遍的全 息 PIV 方法。在全息中，观察空间的大小被记录仪器（即摄像机）的尺寸与空间的分辨率所 限制。Zhang 等[15]提出了一个测量位于方管中的湍流中的粒子数解决方法，该方法基于使用 胶片的全息 PIV。尽管胶片有着更好的结果和比数字传感器更加大的底片，但是 Meng 等[14] 认为以胶片为处理基础将会使得全息 PIV 难以广泛的被使用。相对的，数字全息 PIV 有着更 加广泛的使用，但是常常收到较小的三维空间与低空间粒子密度限制[15]。

上述的三维 PIV 技术在应用的时候都存在一定的缺陷。这些三维 PIV 技术，例如层析 PIV， 在使用时需要多个相机在不同角度对被测空间进行拍摄，要布置一定数量的实验装置。但是， 在实际的风洞测试实验中，往往仅有有限的观察窗口来采集示踪粒子散射图，不允许在风洞 内布置太多的实验装置。此时，上述的三维 PIV 技术并不能很好地完成流场的流速的测量。 针对这类问题，可以采用合成孔径 PIV 技术。这个技术仅需一个投影方向，通过平面相机阵 列来实现三维速度矢量的流速测量。文献综述