PIV的测量误差分析和校准方法

interwy

很高兴在这里见到这么多使用PIV的高手。我一直有这么一个问题，关于PIV测量的误差分析目前是一个什么水平，因为据我所知，PIV的误差分析应该是非常困难的，包括硬件水平、算法精度、示踪粒子以及数据处理等等，对于普通的用户是不可能作详细的分析。另外，关于校准，有没有必要做，我个人认为是非常有必要的，对于任何一种给出定量信息的测量仪器，校准都是应该考虑的问题。如果需要做，怎么做？看到有文献，做一个转盘，转盘上附有一定粗糙度的表面（如砂纸），不同的半径对应不同的速度，这样可以产生一个已知的速度场，用于校准PIV。比较迷惑的是，不知道这种方法的实用价值到底有多少，能否真正解决PIV测速准确度的问题。又或者有什么别的办法。请各位高手谈谈自己的看法！

yxjbuaa

误差分析方法还在不断完善，有些问题依据现有的方法和技术水平无法认识清楚，但是主要误差源已经认识的比较好了。对于这方面的讨论可以在PIV合集里看到。
对于PIV的普通使用者来说，误差分析可以用别人提出的比较经典的方法，比如Raffel，Willert,Kompenhans在1998年写的书Particle Image Velocimetry-a pratical guide中有一章专门作了PIV的测量误差分析，这也是被大家常引用的方法，可以作为参考。当然，还有很多其它的文献提出了一些稍有不同的方法，也可以参考。
对于PIV测量结果的校验，如果你使用的是商用软件，那么就没有必要做校验了，也就是说系统性能没有问题，误差如果很大，主要是试验操作引入的，一般可以和其它的常规测量结果作对比以验证其可靠性，也可以只做精度分析。如果是你自己编写的软件，自己集成的系统，校验是必须的，但是通常对软件的校验都使用人工合成的图形，这样的图形在网上可以下载到，又很对经典的图形可以做校验。
看看合集中的帖子，如果大部分看了，这些问题也就迎刃而解了。

zyzyeast

恩，顺便提一下LDA（激光多普勒）。不时的有人会问如何验证LDA的精度之类的问题，但实际上LDA可以说是速度测量的精度“鼻祖”。有一种比较经典的做法也是使用转盘，但实际上考虑到各种因素，其精度与LDA相比仍有一定差距。
也就是说你可以去了解LDA的原理、特点，但确实没有必要去想着验证它的精度。
说到这里，有些人提出用LDA和PIV相互验证，这个看起来很有道理，但是，LDA得到的是在时间序列上单点速度的变化，而PIV得到的是瞬时速度场分布，基本无法将这两个结果相互比较：无论从空间上还是时间上都很难比较。
因此，建议与其考虑设备的精度，不如仔细思考实验设置及布置对测量结果的影响，这些误差往往会比仪器本身误差大出很多，甚至几个数量级。
包括很多比较成熟的“自制”PIV软件、“自制”LDA信号处理都可以得到比较可信的结果。有机会我会贴出一些国外“自制”PIV和“自制”LDA的论文，大家可以比较一下这两种测量方法本身的精确性，由此可知商业产品的精确性。

interwy

我所说的校准可能和两位所说的校准有点差别，两位所说的校准是对软件或者仪器本身的系统误差的校准，而我所说的校准实际上包含了对使用过程中一些问题的校准，比如标定时的位置失调或者光路布置，又或者试验参数的匹配等。我设想的过程是这样，在用标准板完成标定后，使用便携的现场校准设备进行校准，这种校准设备不需要像标定过程那样，对位置的放置有严格的要求，就可以检验标定进行的是否正确，或者试验参数设置的是否合适。我感觉这种设备还是很有必要的，要想准确测量流体，先得准确测量校准设备给出的模拟流场（因为不存在粒子跟随的问题），换句话说，除了流场的一些问题（透光性、粒子跟随等），剩下的问题都能进行校准。个人感觉，这种校准对于PIV比LDA更有意义，因为LDA光路一旦定下来基本上系统误差就定下来了，而PIV还有一个标定时位置失调的问题。以上纯属个人观点，请各位指点。

yxjbuaa

下面引用由interwy在 2007/03/22 07:48am 发表的内容：
我所说的校准可能和两位所说的校准有点差别，两位所说的校准是对软件或者仪器本身的系统误差的校准，而我所说的校准实际上包含了对使用过程中一些问题的校准，比如标定时的位置失调或者光路布置，又或者试验参数 ...

误差的来源是错综复杂的。你这个校准，主要针对的是标定，你可以这么做，但是标定的过程实际上就是这么一个过程——已知标定板上特征点的移动求像平面和物平面的点对点对应关系，你认为这样的过程有充分的价值吗？如果你可以将模拟流场的模拟物相对于CCD的位置确定的很准，那么标定板的位置应当可以确定的更准。
而对于试验参数合理性的验证，你完全可以在初期的试验测量中通过试测和试分析的方法确定最佳的设置参数。
我认为，对标定数据的验证和修正，最有效最简单的方法莫过于自标定技术了，这在论坛里已经多次讨论过了，并且有相关的资料。

interwy

[这个贴子最后由interwy在 2007/03/22 09:12pm 第 1 次编辑]

说老实话，我对PIV没有太多的使用经验，所以对很多内容还不是很理解，包括标定的过程（已知标定板上特征点的移动求像平面和物平面的点对点对应关系），但是有人给我做过一个比喻，标定实际上就是在测试场中放入了一把“尺子”，用于后续数据处理的计算，如果这把“尺子”放置的位置有问题（位置失调）就会引起误差。
我设想的现场校准设备是这样，转盘用特殊的透明材质制成（里面均匀散布颗粒，起到失踪粒子的作用），有一定厚度。放置时，只需要让片光透过转盘，且保证转轴垂直于片光平面就行了。还用一种方法，通过光路变换，将片光变成光柱，照射在转盘上。这样在校准过程中就不用对位置有特别的要求了。其中第二种方法在文献中看到过，不过我对这种方法还有一点怀疑。
当然，这是我看了一些文献后的个人想法，有什么问题，还请指教？
另外，还有个问题，要想测量直径为10mm（或更小）的管内流场，介质为空气，速度在二十米到二百米之间，一般的PIV是否能测？曾经问过丹迪的人，说要用MicroPIV,请问是这样么？

yxjbuaa

下面引用由interwy在 2007/03/22 08:31pm 发表的内容：
说老实话，我对PIV没有太多的使用经验，所以对很多内容还不是很理解，包括标定的过程（已知标定板上特征点的移动求像平面和物平面的点对点对应关系），但是有人给我做过一个比喻，标定实际上就是在测试场中放入　...

关于标定的问题，你可以再看一看文献。你所说的这种方法在PIV测量中的运用，我没有看到过，你是否能够将文献传上来？
我个人仍然认为如果你可以将CCD，片光相对于标定流场（你所说的转盘）的位置确定的很准，自然也应当可以将标定板的位置确定的很准。标定过程中最大的误差源的确是标定板和片光不重合的问题，但是这个不重合的角度在小于6度的情况下误差都比较小，通过精细的操作，这个程度还是不难达到的。当然实现绝对的重合是不太可能的，所以我推荐使用自标定技术，Lavision的软件有，Dantec/TSI的现在没有，不过自己花一些功夫也可以编写一个。
对于你说的流场，我认为也可以不用MicroPIV，但是存在三个问题很难解决：1，你的流场速度梯度太大，参数设置很难平衡，这样必然存在部分区域测量精度较低；2，在这样小的空间内测量，壁面反光是一个比较难解决的问题，要解决这个问题你可以试一下使用荧光粒子，当然最好的方法还是改变工作介质，改成和管道材质折射率相近的液体；3，小空间的标定比较困难，最根本的是要制作合适的标定板，当然，如果有自标定技术那会容易一些。
没有测量过这样小空间的流场，不清楚还有什么更好的方法，你可以在论坛上和大家好好讨论一下。

zyzyeast

60mm微距镜头最小视场面积大概是40mm x 40mm，这几乎是所有普通成像镜头所能达到的最小面积，但是对于10mm来说还是太大了。因此我建议你用显微镜测。
当然显微镜有很多种，对于测量实体不同可以选择不同的显微镜，如果测量管道的话可以用长焦显微镜+荧光粒子，这样好些。
这么小的面积就不要考虑做三维了，目前我只听说有一个人做过三维的MicroPIV，非常麻烦，而且不见得有很现实的意义。
他是测量空气，不需要配置溶液
关于片光修正（自标定）需要解释一下，这个技术目前所有厂家都可以提供（据我所知），但是它真正的意义在于“修正”，“自标定”只是“修正”的扩展应用。但是对于这个情况，标定板怎么放置都是问题，自标定只能是后话了。
我等下找到那个三维MicroPIV的论文给发上来。

yxjbuaa

下面引用由zyzyeast在 2007/03/23 10:04am 发表的内容：
他是测量空气，不需要配置溶液
关于片光修正（自标定）需要解释一下，这个技术目前所有厂家都可以提供（据我所知）

我的意思就是将空气的转换成液体的（当然需要忽略空气情况下的压缩性了，不过对于可以达到200m/s的速度的流场，这个转换会麻烦一些）。
据我所知子标定是Lavision申请了专利了的，没有用过Dantec的软件，Insight里面应当是没有这个功能，以前听说Dantec的Flowmanager要加入，不清楚现在有没有。
我记得Lavision在运用自标定技术的基础上，测量过类似的流场，可以问一下Robin

interwy

上传的是我所说的第二种方法，但是我多少对这种方法还有点疑问：将片光转变为光柱，再在其他的位置（非标定位置）进行校准，会不会带来什么问题？
另外，非常感谢各位对我的问题的有答必应，这里的气氛非常好。我还是PIV测量的门外汉，希望能够继续交流！

yxjbuaa

[这个贴子最后由yxjbuaa在 2007/03/24 00:46pm 第 1 次编辑]

下面引用由interwy在 2007/03/23 09:34pm 发表的内容：
上传的是我所说的第二种方法，但是我多少对这种方法还有点疑问：将片光转变为光柱，再在其他的位置（非标定位置）进行校准，会不会带来什么问题？
另外，非常感谢各位对我的问题的有答必应，这里的气氛非常好。　...

二维PIV和SPIV一样可以标定（当然是对于理想二维视场的）,你上传的那篇文章中的方法是一种可行的方法，但是显得麻烦一些。但是,关于PIV测量参数的设置,已经有大量的理论和实验研究结果,这篇文章(2005年)的结论没有太大意义。此外，这篇文章中的标定是二维的，这是一个非常理想的情况，这种标定只能起到帮助加深对PIV的认识的作用，对实际的实验测量作用有限。尤其是对于三维性较强的流场，这种方法就不能使用了。
关于你说的片光转光柱问题,我觉得这样做没有问题,同时也是必须的,为了将转盘上的粒子照亮,从侧面打光是不行的,只能从正面打光.实际上你如果做过SPIV的标定的话就知道这是标定过程中正常的做法。
我建议你看一看关于PIV方面的专业书籍,尤其是Raffel的书以及一些早期的关于PIV的外文文章。

yqcardc

ding