进气管流速的测量

FlowTech

这两周在折腾两个内燃机进气道流场测量的项目。数据处理部分问题比较大。不弄明白不行。
进气道的模型是一个外方内圆的透明管子，光片按横切，纵切，水平，各个方向和位置打进去。
图像的质量还马马虎虎，不过由于管子本身的折射，整个图片扭曲的很厉害。常用的pinhole camera模型肯定是不能用了。实际处理中用的是6阶多项式模型。处理的结果，2D的结果还不错，3D的结果看起来完全不合理，管子横截面方向速度很大，长度方向速度分量却很小。经过漫长的观察，某个聪明人发现，把X方向和Z方向的速度调换一下的话，倒是看起来很不错。可是不知道为什么会这样。
我用标定图像的点坐标计算了3d速度（只有Z方向），发现结果虽然有10%左右的误差，基本上还算是对的。就是说，标定过程和结果应该没有问题。但是不知道为什么流场图像分析会有那么离谱的错误。
搜索了一下用多项式模型的文章， 收获不多，基本没有看到有人作过这种透过管子观察流场的。照说这种测量任务应该不少，不知何故竟然看不到报道。
不知道这里又没有大牛弄过这种东西。有的话请谈谈如何？

zyzyeast

你们标定的时候把标定板放到管子里了么？然后用6阶多项式去算应该就可以
PS:你们买卖还真火~~~呵呵

FlowTech

下面引用由zyzyeast在 2008/04/07 01:23pm 发表的内容：
你们标定的时候把标定板放到管子里了么？然后用6阶多项式去算应该就可以
PS:你们买卖还真火~~~呵呵

俺们可不是就是脚着就这么招就可以了么。结果却是不灵
那管子还是特地作的可以分开两半儿的
我怀疑标定的时候标定板移动距离太大了。变形这么严重，最好移动量几十微米，但是实际取的是1毫米。现在模型都拆了，重做实验可是万分困难了。只好数据处理上找回来

zyzyeast

恩，也有可能，呵呵

FlowTech

也有可能是对应严重扭曲的高阶多项式模型对某些误差特别敏感，比如说misalignment。
昨晚回去看了一下PIV a practical guide 2nd的描述，发现做高阶多项式的几乎没有，有类似的用三阶多项式做管内水流的，还弄了个water prism来减少扭曲。看来这东西比想象的要困难。

yxjbuaa

用三阶多项式吧，再高了就会形成非正常的数值振荡了，一般情况下3阶就足够了，高于3阶的使用要尤为的小心。
以前看过一篇文献，系统地研究了这个问题，有机会找到了传上来。

yxjbuaa

做3D测量calibration 的 misalignment问题往往测量的最大误差来源，如果偏离太远，很难得到解决，如果偏离不很大，现在的解决方法只有用自标定了。
不知道你的实际测量情况，你上面提到标定板1mm的移动距离（是相邻标定平面的距离吗？），如果你的片光是2mm厚的话，那么只有两个标定平面了？但是你用6阶多项式，至少的7个平面吧，那你的片光有多厚？

FlowTech

我正在看wieneke的那篇自标定的论文。临时抱佛脚也不知道佛爷有没有反应...
两个实验都不是我做的，因为结果不好我才被拖进来的。据了解片光厚度大约是1mm， 相邻两个标定平面的移动距离在一个实验中是1mm，在另外一个实验中是0.3mm毫米。标定平面都取了7个， 不过标定结果的多项式都是x,y方向6阶，z方向2阶。xy方向从3阶到6阶都试过， 没有什么本质的变化。z方向高于3阶的话结果完全没有意义，稍微尝试了一下没有深入验证了。
这两个实验结果最奇怪的地方就是如果把z方向和x方向的速度调一下的话，看起来满合理的。虽然说不能保证就是对的。我想破了脑袋也想不出是为了什么。两个方向的速度大约有1个量级的差别。不可能是误差。
奇妙的事情是， 我用标定点在图像上的坐标和取得的标定参数来计算标定点的三维速度， 虽然有大约10%的误差， 基本上还是对的。这说明至少在几个标定平面上， 标定参数是没有大问题的。
剩下的问题就是标定平面之间会不会有什么高阶的变形扭曲之类的，或者0.5毫米以下的misalignment造成了严重的错误。
期待版主传上来提到的那篇论文。

yxjbuaa

论文是Measurement Science and Technology 上的，题目是：Distortion compensation for generalized stereoscopic particle image velocimetry, 1997

yxjbuaa

一般情况下，对于这种透过视窗的测量，由于视场扭曲通常是非线性的，标定过程中标定板只需要在片光厚度内移动就可以了，按照你说的，你们的移动范围很宽，而且移动的间隔较大，这对于强三维扭曲的情况是不利的。当然，对于自标定的情况，有两个平面就可以，你可以尝试一下（可能会得到似是而非的结果，也可能根本得不到相近的结果）。
你说的情况的确很奇怪（...这两个实验结果最奇怪的地方就是如果把z方向和x方向的速度调一下的话，看起来满合理的...），z是垂直于测量平面的吧，那么应该不是简单的误差的问题，你需要检查一下处理标定数据的过程中是否有些参数设置有误，标定结果的不好很难造成这样大的偏差吧，除非你的视场扭曲十分的严重。
你的外方内圆的管子最厚的地方有多厚？最薄的地方呢？用的是什么材料做的？这些都可能影响到视场扭曲的程度，不过用几何光学的原理可以大致的估计出扭曲的程度，那么你就可以判断经过标定数据合成后的三维图像是否合理了。

FlowTech

谢谢yxj提供的论文，我现在做的程序就是根据这个论文做的多项式模型。
一般标定的时候总有一个隐含的假设，即各个标定面之间的值是可以通过标定参数来插值的。因为一般的做法都是等距离的在Z方向上取几个标定面，所以这个假设还可以理解为Z方向上的值基本上是线性的再加上一点修正。但是对于严重扭曲的视窗， 这个假设很可能不成立。Z方向总是要插值，因为不可能取无限个标定面，但是各个标定面之间的距离应该很小，而且不超过粒子的实际运动范围。这点上我的想法和yxj一致。可惜实验重新作过的代价太大，作为一桩生意， 老板恐怕没有兴趣付出这么大代价，客户恐怕也不干。
这个模型，是有机玻璃做的， 尺寸大概200mm左右的样子。内经大约70mm。不过具体尺寸我没有数据。
为了验证这个标定过程有没有问题，我把在Z0平面取得图像，用标定得到的相机参数反投影到物理空间上的标定板上，然后移动这个得到的标定板的像到Z1平面，再用相机参数计算得到的左右图像， 和真实拍摄到的在Z1平面取得的左右图像比较。结果是完全吻合的。这个结果说明标定参数本身应用在几个标定平面上应该没有问题。但是不能保证平面之间，特别是在Z=0附近的微小移动没有问题。
下午看了自标定的文章，发现要实现那个东西的话，没有个把月的时间做不完。那样这个项目就亏了，估计老板不会同意。而且还要涉及到对模型本身的形状作ray tracing， 不是一般的麻烦。
其实这个项目拿来写论文还不错，到现在为止我收集到的论文都是设法绕过这个严重扭曲的视窗的问题， 而不是暴力解决它。Exp.in Fluids上刚刚还登了一篇文章，通过设计特殊外形的有机玻璃官子来保证管子纵剖面的图像没有扭曲。可是如果用Scheimflug配置的话，无论如何，这个扭曲是不可能用管子的形状来补偿的。

yxjbuaa

下面引用由FlowTech在 2008/04/08 04:12pm 发表的内容：
... 为了验证这个标定过程有没有问题，我把在Z0平面取得图像，用标定得到的相机参数反投影到物理空间上的标定板上，然后移动这个得到的标定板的像到Z1平面，再用相机参数计算得到的左右图像， 和真实拍摄到的在Z1平面取得的左右图像比较。结果是完全吻合的。　...

我一直做的都是叶轮机内部的3D流场测量，一直都用Scheimflug模式测量，标定过程当然必须的透过视窗，没有遇到过你这样的问题。你的模型尺寸很大，虽然有机玻璃的光学特性很不好，但是产生的扭曲应当不会出现你前面描述的那么大的偏差（除非你的测量流体速度很小）。根据你上面的描述，标定参数似乎没有问题，也想不出什么问题会导致这样的情况。但是个人感觉标定出问题的肯能性还是最大的。
建议你用两个或三个标定平面来生成标定参数，Z方向取1阶或者2阶，X，Y方向可以区3阶，然后看一下结果有什么不同。

FlowTech

一般视窗都是平板玻璃的, 扭曲并不严重,这次的视窗是一个内圆外方的东西,感觉像个附加的凹透镜。所以扭曲比较严重。不过不管多么严重，都不该出现这次这么奇怪的现象。
我也觉得最大可能性是在标定上面。不过限于条件，实验不能重复。客户也没有太大意见，好像这次就这么含含糊糊的过去了。
昨天又来了一个同样的进气管子的测试项目，不过是不同的公司，而且这次他们用的是液体，refractive index matching。也许这帮人知道用气体有这么些问题不好测，所以特地用液体来作罢。

zyzyeast

关于refractive index matching有什么经验希望分享一下，这个要想做到精确不是一件很容易的事，似乎各种烃类物质都会用到，或者去买极贵的有机玻璃

FlowTech

[这个贴子最后由FlowTech在 2008/04/14 09:12am 第 1 次编辑]

惭愧，我还没作过index matching的实验。我们这儿都是用碘化锌溶液, 模型用有机玻璃。碘化锌有毒性，做这个实验是固定的两个人。 碘化锌的折射率怎么控制我就不知道了。似乎是按照一定浓度配比， 用振荡器混合，用测量折射率的仪器测量好折射率，然后再模型里面目视确认就可以了。偶尔也有需要重新调整浓度的时候。
有机玻璃模型确实很贵， 而且非常耗时间， 通常模型的费用占了耗品费用的大部分。