外文翻譯--粒子圖像測速法在水波研究中的應用（譯文）

1、中文 中文 4100 4100 字光學與激光工程 9 (1988) 265-276粒子圖像測速法在水波研究中的應用 粒子圖像測速法在水波研究中的應用C. G r a y & C A 著 愛丁堡大學，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用。通過強力的連續(xù)波氬離子激光器照射，二維水波在實驗室波浪水槽中的測

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 文通過典型實驗結(jié)果并結(jié)合線性波理論對比來闡明此技術的準確性和可靠性。引言 引言 對水下波速分布的研究是一個相當實用的課題，因為這些相關知識對專注于海洋結(jié)構的預測而言尤為重要。在許多情況下，尤其是當波紋遭破壞或達到一個 不穩(wěn)定的點時，沒有可利用的分析性或計算性的技術為此提供一些可靠的結(jié)果。 在這類情況下，設計師們必須依靠模擬實驗室里的波紋（做研究）并且要充

3、分利 用測試擴展法。實驗測量中對諸如傳統(tǒng)的微型螺旋槳米或熱絲風速計的速度探測是一個難 點, 因為這些要素要么在波環(huán)境下不能準確反應，要么遭受嚴峻的校準問題。激 光多普勒風度測量法已被成功用于測量水下水波速度，但在應用中許多問題隨之 而來。而與之關聯(lián)的最主要的問題是：當測量結(jié)果被記錄在水平波槽上方時，激 光束只是一部分浸入于水波周期。當先進的計算機技術被用于分析多普勒信號時，這些問題就可能被解決，并 且關于速度分布的具體研究現(xiàn)也已被用于結(jié)

4、構設計上。盡管取得了這些進展, 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，設計師們通常僅對 一個特定表面輪廓下的速度的矢量圖感興趣。然而，激光多普勒技術是測量任意 給定的時刻下空間中的一個固定的點。只有在存疑波形可被準確地重復多次的情 況下，完整的矢量圖方可被構建。探測器被移至一個一個連續(xù)的點，一列列波穿 過流場隨之產(chǎn)生。這需要使用復雜的波生成技術，以確保必要的可重復性。而在 隨機海浪和單一事件情況下，這種程序則不可用。

5、介質(zhì)，因為它在水中具有平衡浮力，所有的粒子尺寸相似(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，這樣短脈沖時間（0.002 秒）就非常 充足，可用來計算感光乳劑。用一個標準的 35 毫米的，帶有電動電影前進功能 的尼康 f2SLR 相機，再加上一個 f2855 毫米的平面聚焦微鏡頭，就可以獲取照片 流。相機基本的水準測量在精神層面上得以實現(xiàn)，以至于露出的和已形成的膠片 就有一個真

6、實的水平線。最后，可以測量照明平面寬度，而電影中圖像寬度的測 量可用于計算物體或圖像的放大率，這對于最終的速度計算是有必要的。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被確定。因為在典型的 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(50—500 個)，所以自動化 條紋分析是很必要的。一個低功率(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 X，Z 階段，允許探測激光光束在任何時候與膠 片相交。在菲利普斯 LDH402 的視像管上,一個 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)攝像機中的條紋經(jīng)過數(shù)字化處理，形成一個灰度等級 為 8，強度值是 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)字化強度領域內(nèi)一個像素的坐標位置。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 光強分布, C 是一個常數(shù)。交叉的偏光鏡用來控制光到攝像機的強度。為保證穩(wěn)固性，所有組件都安裝在一個三角形的光具座上(圖 4)。經(jīng)數(shù)字化處理過的條紋被轉(zhuǎn)移到一個視頻幀存 儲上，它們可以通過內(nèi)置軟盤讀出。一個單獨的光盤可存儲 60 種條紋，隨后， 分析型計算機讀出這些信息，及時在（屏幕）框內(nèi) 計算在 X 和 Z 方向的條紋頻 率。