研究背景?
航空航天、能源動力領域，測量三維瞬態流場的速度場信息對于理解流體力學行為、優化系統設計非常關鍵。
傳統三維粒子圖像測速技術如Tomo層析PIV，因依賴多相機陣列，存在系統體積、操作復雜，在封閉空間測量存在困難；光場PIV等單相機方案則存在分辨率局限性。
太原理工大學丁老師團隊，創新性提出基于單臺高速攝像機的三色掩模三維粒子圖像測速技術（Trichromatic Mask PIV），開創性通過光學路徑調制與智能算法融合，實現全畫幅、高分辨率的三維瞬態速度場測量。
研究成果發表于論文《A volumetric particle image velocimetry technique based on single color camera with trichromatic mask》
實驗平臺?
1. 三色掩模成像系統：由千眼狼Revealer Mini系列高速攝像機、定制的三色掩模、鏡頭組成。三色掩模包含三個波長為450/532/650nm窄帶濾光片， 等邊三角形排列，安裝在相機鏡頭前。通過三色掩模調制光線顏色信息，使高速攝像機的RGB通道分別記錄三個不同視角的圖像，實現全視場、全分辨率的3D3C速度場測量。
2. 激光照明系統：高能白色激光器，波長450/532/650nm，功率3W，用于激發流場中的示蹤粒子。
3. 數據采集與處理系統：配備高性能計算機，用于粒子圖像數據采集、存儲與處理。并采用GPU加速計算。
實驗步驟?
1. 搭建三色掩模成像系統（圖1），并進行數據采集，單幀圖像通過RGB通道記錄三視角粒子信息。

2. 通過模擬生成的人工粒子場和合成投影粒子圖像，采用MLOS-SMART算法進行三維粒子重建。
3. 利用合成的三維高斯渦流場，評估三色掩模PIV技術的速度場測量精度。
4. 搭建了零凈質量通量噴射流ZNMF實驗平臺，對三色掩模PIV技術的實際測量能力，與立體PIV和層析PIV技術橫向對比驗證。

實驗數據與結果
1. 粒子重建性能驗證：通過模擬生成的人工粒子場和合成投影粒子圖像，對三色掩模PIV系統的粒子重建性能進行了詳細分析。使用MOLS-SMART算法對不同參數下的粒子圖像進行三維重建，圖2展示了一個具體的三維粒子重建結果。

藍色橢球體代表重建后的粒子形狀，深紅色表示理想情況下的粒子形狀。差異主要由于三色掩模的視角有限，導致粒子深度方向出現延伸效應，影響粒子重建質量，進而影響PIV測量的精度。可通過優化相關參數，如增加光孔直徑、增大掩模孔間距、減小焦距和拍攝距離等來增大視場角，改善粒子重建效果。
2. 合成高斯渦環流場驗證：利用合成的三維高斯渦流場，評估三色掩模PIV技術的速度場測量精度。當渦核直徑為（1.4/-M）mm，速度場分布與理論模型高度一致。

3. ZNMF射流實驗
圖像處理環節，利用三色掩模成像系統單臺高速攝像機捕獲的原始粒子圖像展現了RGB通道融合的彩色信息（圖4(a)）。經過顏色串擾校正后，原始圖像被分離為紅、綠、藍三個獨立視角的灰度圖像（圖4(b)-(d)），清晰呈現不同空間位置的粒子分布差異：紅色視角圖像（圖4(b)）中，噴嘴后方粒子的縱向位移顯著，藍色視角（圖4(d)）則捕捉到側向渦結構的細節。

實驗結果顯示，噴嘴出口瞬時渦環結構（直徑10mm，St=0.77，Re=32），速度場與經典射流特性吻合。隨著時間推移，主渦環向下游移動，流場的相干性降低，速度矢量和Z方向渦量的大小顯著減小。

通過速度梯度變化測試，散度誤差Pearson系數Qdiv=0.76，與層析PIV（Qdiv=0.66）及立體PIV（Qdiv=0.82）技術測量結果一致，表明該技術具有較高的測量精度和可靠性。
三色掩模PIV技術作為新型基于單臺高速攝像機的3D3C-PIV速度場測量方法，能夠準確地重建出流場中粒子的三維空間分布，并計算出瞬態速度場。這為深入研究復雜流場的流動特性提供了有力支持，也驗證了三色掩模PIV技術在實際流場測量中的可行性和有效性。未來，三色掩模PIV技術有望在航空航天、能源與動力工程、環境工程等領域發揮更大的作用。
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