外文翻譯--粒子圖像測速法在水波研究中的應(yīng)用（譯文）

1、中文 中文 4100 4100 字光學(xué)與激光工程 9 (1988) 265-276粒子圖像測速法在水波研究中的應(yīng)用 粒子圖像測速法在水波研究中的應(yīng)用C. G r a y & C A 著 愛丁堡大學(xué)，物理系，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋大樓英國，愛丁堡，梅菲爾德路,國王大樓摘要 摘要 本文論述了粒子圖像測速法(PIV)在測量水下水波速度分布中的應(yīng)用。通過強(qiáng)力的連續(xù)波氬離子激光器照射，二維水波在實(shí)驗(yàn)室波浪水槽中的測

2、量區(qū)域中產(chǎn) 生。影片中的圖像記錄和隨后的電光分析提供了速度場內(nèi)通過波的位移情況。本 文通過典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合線性波理論對比來闡明此技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。引言 引言 對水下波速分布的研究是一個(gè)相當(dāng)實(shí)用的課題，因?yàn)檫@些相關(guān)知識對專注于海洋結(jié)構(gòu)的預(yù)測而言尤為重要。在許多情況下，尤其是當(dāng)波紋遭破壞或達(dá)到一個(gè) 不穩(wěn)定的點(diǎn)時(shí)，沒有可利用的分析性或計(jì)算性的技術(shù)為此提供一些可靠的結(jié)果。 在這類情況下，設(shè)計(jì)師們必須依靠模擬實(shí)驗(yàn)室里的波紋（做研究）并且要充

3、分利 用測試擴(kuò)展法。實(shí)驗(yàn)測量中對諸如傳統(tǒng)的微型螺旋槳米或熱絲風(fēng)速計(jì)的速度探測是一個(gè)難 點(diǎn), 因?yàn)檫@些要素要么在波環(huán)境下不能準(zhǔn)確反應(yīng)，要么遭受嚴(yán)峻的校準(zhǔn)問題。激 光多普勒風(fēng)度測量法已被成功用于測量水下水波速度，但在應(yīng)用中許多問題隨之 而來。而與之關(guān)聯(lián)的最主要的問題是：當(dāng)測量結(jié)果被記錄在水平波槽上方時(shí)，激 光束只是一部分浸入于水波周期。當(dāng)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)被用于分析多普勒信號時(shí)，這些問題就可能被解決，并 且關(guān)于速度分布的具體研究現(xiàn)也已被用于結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)上。盡管取得了這些進(jìn)展, 但 這種類型的測量裝置的基本限制依然存在。對于水波的研究，設(shè)計(jì)師們通常僅對 一個(gè)特定表面輪廓下的速度的矢量圖感興趣。然而，激光多普勒技術(shù)是測量任意 給定的時(shí)刻下空間中的一個(gè)固定的點(diǎn)。只有在存疑波形可被準(zhǔn)確地重復(fù)多次的情 況下，完整的矢量圖方可被構(gòu)建。探測器被移至一個(gè)一個(gè)連續(xù)的點(diǎn)，一列列波穿 過流場隨之產(chǎn)生。這需要使用復(fù)雜的波生成技術(shù)，以確保必要的可重復(fù)性。而在 隨機(jī)海浪和單一事件情況下，這種程序則不可用。

5、介質(zhì)，因?yàn)樗谒芯哂衅胶飧×?，所有的粒子尺寸相?約 50—100 微米)，并 且它可散射光。這種曝光是用 400ASA 單色膠片制成，這樣短脈沖時(shí)間（0.002 秒）就非常 充足，可用來計(jì)算感光乳劑。用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 35 毫米的，帶有電動(dòng)電影前進(jìn)功能 的尼康 f2SLR 相機(jī)，再加上一個(gè) f2855 毫米的平面聚焦微鏡頭，就可以獲取照片 流。相機(jī)基本的水準(zhǔn)測量在精神層面上得以實(shí)現(xiàn)，以至于露出的和已形成的膠片 就有一個(gè)真

6、實(shí)的水平線。最后，可以測量照明平面寬度，而電影中圖像寬度的測 量可用于計(jì)算物體或圖像的放大率，這對于最終的速度計(jì)算是有必要的。條紋分析 條紋分析通過使用交叉探測激光束測量衍射條紋在遠(yuǎn)場中產(chǎn)生的間距和方向，用流的 雙重曝光膠片捕捉到的位移場可以逐點(diǎn)被確定。因?yàn)樵诘湫偷?PIV 條紋中出現(xiàn) 了巨大的噪音（圖 2), 且由于通常需要大量的測量點(diǎn)(50—500 個(gè))，所以自動(dòng)化 條紋分析是很必要的。一個(gè)低功率(1 m W)的氦氖激光用于照亮暴

7、露出的和已形 成的底片，這種底片安裝在手動(dòng) X，Z 階段，允許探測激光光束在任何時(shí)候與膠 片相交。在菲利普斯 LDH402 的視像管上,一個(gè) 50 mm f2 的尼康鏡頭映射出膠片 小照明區(qū)域的功率譜。室內(nèi)攝像機(jī)中的條紋經(jīng)過數(shù)字化處理，形成一個(gè)灰度等級 為 8，強(qiáng)度值是 64×64 的陣列。已經(jīng)被數(shù)字化的條紋可用 IF 表示（見圖 3）（公式）以上公式中（t, j）表示在數(shù)字化強(qiáng)度領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)像素的坐標(biāo)位置。kx

8、和 kz 分別 指的是 l 和 J 方向下條紋的空間頻率成分。IH 表示通過單一曝光照片產(chǎn)生的衍射 光強(qiáng)分布, C 是一個(gè)常數(shù)。交叉的偏光鏡用來控制光到攝像機(jī)的強(qiáng)度。為保證穩(wěn)固性，所有組件都安裝在一個(gè)三角形的光具座上(圖 4)。經(jīng)數(shù)字化處理過的條紋被轉(zhuǎn)移到一個(gè)視頻幀存 儲上，它們可以通過內(nèi)置軟盤讀出。一個(gè)單獨(dú)的光盤可存儲 60 種條紋，隨后， 分析型計(jì)算機(jī)讀出這些信息，及時(shí)在（屏幕）框內(nèi) 計(jì)算在 X 和 Z 方向的條紋頻 率。