本申请涉及一种粒子图像测速装置、方法和系统，属于空气动力学实验技术领域。
背景技术：
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)技术是一种瞬态、多点、非接触式的流体动力学测速方法，其最大特点是突破了单点测速技术的局限性，能在同一时刻记录下大量空间点上的速度分布信息，进一步处理可得到流场的涡量、流线以及等速线等流场特性参数分布，具有较高的测量精度。PIV技术除了向流场散布示踪粒子外，所有测量装置均不进入流场，对流场的影响非常小，因此成为人们广泛接受的、热门的流体动力学测量技术，在湍流结构研究、非定常瞬态流场测量、复杂或特殊几何结构的流场测量、涡量场测量等方面发挥了重要作用。
高速复杂流场对PIV测量技术应用有着很高的要求。在高速可压的流场中流动时间尺度和长度尺度范围更宽，气流不仅速度高，而且存在多种不同强度的激波结构及其相互作用。要精细刻画超声速流场中的瞬态流场演化特征，要求使用强脉冲光源的脉冲持续时间足够短，两次脉冲之间的时间间隔尽量小，同时也要求用于拍摄PIV粒子图像的高速相机的曝光时间足够短，空间分辨率足够大，因此对实验的硬件系统提出了更高的要求。荷兰代夫特大学的Schrijer课题组(F.Schrijer,F.Scarano,B.van Oudheusden,et al.Application of PIV in a Hypersonic Double-Ramp Flow.AIAA 2005-3331.)利用PIV系统测量了双劈结构引起的激波结构，自由来流马赫数达到7，是目前已报道的最高速度。南京航天航空大学徐惊雷(徐惊雷.PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展.力学进展,2012,42(1):81-90.)综述了国内外高速流场的PIV测量方法最新进展情况，对带模型进气道的、超声速燃烧冲压发动机等直隔离段内的流场进行了PIV实验研究，获得了隔离段内激波串在流动方向上的大尺度的前后非定常脉动现象的PIV实验数据。
目前国内外PIV方法面临的主要问题是：
(1)PIV激光器输出频率和脉冲能量难以同时提高，限制了测量系统的时间分辨率。尽管目前PIV系统所使用的Nd:YAG激光脉冲时间很短，一般情况下小于10ns，但是为了实现速度测量，激光至少需要两次照亮流场，而受限于激光输出功率，脉冲时间间隔与能量是一组矛盾，脉冲时间间隔难以缩短。再加上高速相机帧频有限，目前国内常见的高速相机两帧之间的最短时间以前大约只有1微秒，这也就将PIV系统的时间分辨率限制在了1微秒量级。
(2)受限于高速相机采集速度，超过两通道的PIV测量方法难以实现。针对高速非定常流场，研究者们更希望深刻了解流场的变化发展过程，这就要求一次实验能够得到多帧的时序拍摄结果。若PIV系统的时间分辨率超过1微秒量级，则要求相机记录速度超过1MHz，并且能够连续记录多帧，目前的高速相机发展水平尚难以满足此需求。
技术实现要素：
根据本申请的一个方面，提供了一种粒子图像测速装置和方法，提高了系统的时间和空间分辨率，可适用于超声速、高超声速流动，具有较强的通用性，提升了我国针对高速复杂流场的速度测量能力，更加便于测量非定常流动。
所述粒子图像测速装置，其特征在于，包括：
激光单元，发射激光至待测区域；
采集单元，采集待测区域的粒子图像；
控制单元，所述控制单元与所述激光单元和所述采集单元进行电连接，控制所述激光单元和所述采集单元的动作和/或状态；
其中，所述激光单元至少发射两束激光，各束激光彼此之间的出光时序满足递增或递减的关系；
所述采集单元至少包括两个采集通道，各采集通道的采集时间满足递增或递减的关系，且分别与所述激光单元中各束激光的出光时序依次对应。
可选地，所述控制单元控制所述激光单元的激光出光时刻。
可选地，所述控制单元控制所述采集单元的采集开始时刻。
可选地，所述激光单元发射四束激光，所述激光的出光时序呈现递增或递减。
可选地，所述采集单元包括四个采集通道，各采集通道的采集时间满足递增或递减的关系，且分别与各束激光的出光时序依次对应。
可选地，所述激光单元包括四个激光器，分别发射激光。
可选地，所述采集单元包括四通道高速增强型PCO相机，每个通道分别进行数据采集。
可选地，所述激光单元中第一束激光的延迟时间设置为0，所述采集单元的第一个通道的采集开启时间与激光器的调Q时间相等；
所述激光单元中其他激光的出光时间分别和所述采集单元的其他采集通道的开启时间对应相等；
其中，所述其他激光的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
可选地，所述激光器的调Q时间为发出所述第一束激光的激光器的调Q时间。
可选地，所述第一束激光的延迟时间设置为0，所述第一个通道的采集开启时间与所述激光器的调Q时间相等；
所述其他三束激光的出光时间分别和其他三个采集通道的开启时间对应相等；
其中，所述其他三束激光的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
可选地，所述激光单元包括四个激光器，分别发射激光；
所述采集单元包括四个采集通道；
所述控制单元为数字脉冲信号发生器。
可选地，所述第一个激光器发出的第一束激光的延迟时间为0；
所述采集单元的第一个采集通道的采集开启时间等于第一个激光器的激光器调Q时间；
其他三个激光器的出光时间分别与其他三个采集通道的采集开启时间对应相等；
其中，其他三个激光器的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
达到纳秒量级脉宽的激光器都可满足本申请中的需求。
可选地，所述激光器选自纳秒脉冲激光器中的一种；
所述采集单元为四通道高速增强型PCO相机。
可选地，所述纳秒脉冲激光器包括Nd:YAG激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器中的至少一种。
可选地，所述激光单元还包括激光合束系统；
所述激光合束系统将各台激光器发出的激光合束为片光。
可选地，所述激光合束系统包括扩束镜、反射镜和晶体；
所述晶体用于调整激光的偏振；
所述激光单元发射的激光通过扩束镜、反射镜、晶体实现激光合束。
可选地，所述激光单元发射四束激光；
所述四束激光分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，通过反射镜的光路先实现激光器两两合束，然后通过晶体调整激光的偏振，最后再经过反射镜折转合束后的光路，在激光出光口出光。
可选地，所述激光单元发射四束激光，激光器合束过程包括：四个激光器分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，其中两束激光通过晶体调整激光的偏振后射向反射镜，剩余两束激光直接射向反射镜，折转合束后的光路再经过晶体和反射镜在激光出光口出光。
可选地，所述装置包括：四个纳秒脉冲激光器、数字脉冲信号发生器、四通道高速增强型PCO相机、激光合束系统；
其中，所述四个纳秒脉冲激光器分别发出的激光通过激光合束系统合束为片光照射至待测区域；
所述激光合束系统包括：扩束镜、反射镜和晶体；
所述晶体用于调整激光的偏振；
所述激光器发出的激光通过扩束镜、反射镜、晶体实现激光合束；
所述数字脉冲信号发生器通过与四台激光器、四通道高速增强型PCO相机进行电连接分别控制四台激光器的出光时刻和四通道高速增强型PCO相机中四通道的采集时刻；
所述四通道高速增强型PCO相机获得待测区域的目标图像。
本申请的另一方面，提供了一种粒子图像测速方法，其特征在于，至少包括：
(1)示踪粒子均匀混入待测区域；
(2)激光合束：将至少两束激光合束为片光照射至待测区域；
(3)时序同步：将每束激光的出光时序设置为递增或递减，并与每个通道的采集时序依次对应，实现同步获取；
(4)数据处理：将每个通道采集的数据通过算法处理，得到待测区域的速度场分布；
其中，所述激光的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
本申请中提供了一种利用了四通道合束激光器和增强型高速相机的粒子图像测量新方法，首先将固体的纳米二氧化钛粉末与待测流场均匀混合；然后利用合束技术将四台Nd:YAG激光器合束，利用数字脉冲发生器分别控制四个通道的出光时间，利用整形光路将激光束整形为片光照亮流场；最后利用四通道增强型高速PCO相机采集并记录四幅纳米粒子散射照片，经图像互相关算法处理得到速度场分布，该方法可用于超声速和高超声速复杂流场的速度分布精细测量。
可选地，所述方法采用上述任一项所述的粒子图像测速装置。
可选地，所述方法中采用纳秒脉冲激光器发出激光；
采用四通道高速增强型PCO相机进行数据采集；
采用数字脉冲信号发生器分别各个激光器的出光时刻以及各个通道的采集时刻。
可选地，步骤(1)中所述的示踪粒子包括纳米二氧化钛粉末、烟雾、油雾、铝粉、玻璃粉、氧化镁粉末中的至少一种。
可选地，步骤(2)中所述激光合束包括：将四束激光合束为片光照射至待测区域；
将各束激光分别通过扩束镜、反射镜、晶体、反射镜，合束为片光传输至待测区域；
其中，所述晶体用于调整激光的偏振。
可选地，步骤(2)中所述激光合束包括：四个激光器分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，然后通过晶体调整激光的偏振，最后再经过反射镜折转合束后的光路，在激光出光口出光。
可选地，步骤(2)中所述激光合束包括：四个激光器分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，其中两束激光通过晶体调整激光的偏振后射向反射镜，剩余两束激光直接射向反射镜，折转合束后的光路再经过晶体和反射镜在激光出光口出光。
可选地，步骤(3)中所述包括：首先设置第一束激光的延迟时间为0，并设置第一个通道的采集开启时间等于激光器调Q时间；
然后分别设置其它通道激光器的出光时序，根据测量系统所需要的时间分辨率，设置时间间隔；
最后设置其它通道的开启时间与其对应的激光器出光时间相等，实现同步拍摄。
可选地，步骤(4)中所述数据处理包括：从采集的示踪粒子散射图像中选择一个小区域作为查询区，通过算法计算得到判读窗口所覆盖的流体微团的运动速度；
选取不同的查询区域，重复上述过程，进行多次数据处理，得到激光所照区域的速度场分布。
可选地，步骤(4)中所述算法为互相关算法。
可选地，所述方法至少包括：
(a1)将纳米示踪粒子粉末与待测流场均匀混合；
(a2)利用激光合束技术将四台纳秒脉冲激光器合束；
(a3)利用整形光路将激光束整形为片光照亮流场；
(a4)利用时序同步控制技术分别控制四路纳秒脉冲激光器的出光时间，激光器间的时间间隔根据系统需要的时间分辨率设置；
(a5)利用四通道高速增强型PCO相机拍摄四帧流场的纳米示踪粒子散射时序照片；
(a6)利用互相关算法处理纳米示踪粒子散射时序照片，得到速度场分布结果。
可选地，所述方法至少包括：
(b1)将纳米示踪粒子粉末与待测流场均匀混合；
(b2)四通道激光器合束过程：四个激光器分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，然后通过晶体调整激光的偏振，最后再经过反射镜折转合束后的光路，在激光出光口出光；
(b3)时序同步控制过程：首先设置第一束激光的延迟时间为0，并设置四通道高速增强型PCO相机第一个通道的快门开启时间等于激光器调Q时间，实现第一个通道的激光与高速相机的同步；而后分别设置其它三个纳秒脉冲激光器的出光时序，根据测量系统所需要的时间分辨率，设置时间间隔；最后设置四通道高速增强型PCO相机的其它三个通道，使其开启时间与激光器出光时间相等，实现同步拍摄；
(b4)图像处理过程：从四通道高速增强型PCO相机记录的纳米粒子散射图像中选择一个小区域作为查询区，通过相关算法，求出各查询区示踪粒子在两帧照片时间间隔内运动的位移量，用该位移除以已知的时间间隔，即为判读窗口所覆盖的流体微团的运动速度；选取不同的查询区域，重复上述过程，进行多次数据处理，得到激光所照区域的速度场分布。
作为一种具体的实施方式，所述方法至少包括：(1')将纳米示踪粒子粉末与待测流场均匀混合；(2')利用激光合束技术将四台Nd:YAG激光器合束；(3')利用整形光路将激光束整形为片光照亮流场；(4')利用时序同步控制技术分别控制四路Nd:YAG激光器的出光时间，激光器间的时间间隔根据系统需要的时间分辨率设置；(5')利用四通道高速增强型PCO相机拍摄四帧流场的纳米示踪粒子散射时序照片；(6')利用互相关算法处理纳米示踪粒子散射时序照片，得到速度场分布结果。
上述任一项所述的粒子图像测速装置、上述任一项所述的粒子图像测速方法用于高速复杂流场诊断。
本申请的又一方面，提供了一种粒子图像测速系统，包含上述任一项所述的粒子图像测速装置中的至少一种。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的装置和方法，将激光的出光能量与频率解耦，实现了脉冲能量与频率的同时提高，时间分辨率达到100ns量级，极大提高了测速上限。
2)本申请所提供的装置和方法，具有非侵入的测量方式，不对流场带来干扰的优势。
3)本申请所提供的方法，克服了单台激光器出光频率和脉冲能量难以同时提高的矛盾，解决了高速摄影的难题，极大提高了测量系统的分辨率。
4)本申请所提供的装置和方法，具有片光源照亮流场，可最大限度地降低测量结果的三维干扰的优势。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中粒子图像测速装置图；
图2为本申请一种实施方式中四台Nd:YAG激光器的合束方法；
图3为本申请一种实施方式中时序同步控制逻辑图；
图4为本申请一种实施方式中互相关算法示意图。
部件和附图标记列表：
(01)-示踪粒子；(02)-待测流场；(03)-四台激光器；(04)-数字脉冲信号发生器；(05)-片光；(06)-待测区域；(07)-四通道高速增强型PCO相机。
(1)-激光器；(2)-扩束镜；(3)-反射镜；(4)-晶体；(5)-激光出光口；(6)-四通道高速增强型PCO相机；(7)、(8)、(9)、(10)-均为时间间隔；(11)-示踪粒子散射图像；(12)-小区域查询区；(13)-互相关算法；(14)流体微团的运动速度；(15)-数据处理；(16)-速度场分布。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本申请的实施例中涉及到的器件均通过商业途径购买，其中四通道高速增强型PCO相机的来源为德国PCO公司。
根据本申请的一种实施方式，该方法的实施过程主要包括四通道激光器合束、时序同步控制和图像处理。
四通道激光器合束过程：四个激光器(1)分别出光，经扩束镜(2)扩束后射向反射镜(3)，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，然后通过晶体(4)调整激光的偏振，最后再经过反射镜(3)折转合束后的光路，在激光出光口(5)出光；如图2所示。
时序同步控制过程：首先设置第一束激光的延迟时间为0，并设置高速相机第一个通道的快门开启时间等于激光器调Q时间(7)，实现第一个通道的激光与高速相机(6)的同步；而后分别设置其它三个通道Nd:YAG激光器(1)的出光时序，根据测量系统所需要的时间分辨率，设置时间间隔(8、9、10)；最后设置高速相机的其它三个通道，使其开启时间与激光器出光时间相等，实现同步拍摄。如图3所示。
图像处理过程：从高速相机记录的纳米粒子散射图像(11)中选择一个小区域作为查询区(12)，通过相关算法(13)，求出各查询区示踪粒子在两帧照片时间间隔内运动的位移量，用该位移除以已知的时间间隔，即为判读窗口所覆盖的流体微团的运动速度(14)；选取不同的查询区域，重复上述过程，进行多次数据处理(15)，得到激光所照区域的速度场分布(16)。如图4所示。
根据本申请的一种实施方式，首先将纳米二氧化钛粉末(01)混入待测流场(02)，然后利用合束技术将四台Nd:YAG激光器(03)合并，利用数字脉冲信号发生器(04)分别控制四台激光器的出光时刻，利用整形光路将激光束整形为片光(05)照亮待测区域(06)，最后利用四通道高速增强型PCO相机(07)分别拍照并记录四束激光照亮的流场，得到四帧纳米粒子散射照片，经图像互相关算法处理后得到速度场。如图1所示。
实施例1粒子图像测速装置
本实施例中所述装置包括：激光单元，发射激光至待测区域；
采集单元，采集待测区域的粒子图像；
控制单元，所述控制单元与激光单元和采集单元进行电连接，控制激光单元和采集单元的动作和/或状态；
其中，所述激光单元至少发射两束激光，各束激光彼此之间的出光时序满足递增或递减的关系；
所述采集单元至少包括两个采集通道，各采集通道的采集时间满足递增或递减的关系，且分别与所述激光单元中各束激光的出光时序依次对应。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光单元中第一束激光的延迟时间设置为0，所述采集单元的第一个通道的采集开启时间与所述激光器的调Q时间相等；
所述激光单元中其他激光的出光时间分别和所述采集单元的其他采集通道的开启时间对应相等；
其中，所述其他激光的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光单元包括四个激光器，分别发射激光；所述采集单元包括四个采集通道；所述控制单元为数字脉冲信号发生器。
作为其中一种具体的实施方式，所述第一个激光器发出的第一束激光的延迟时间为0；
所述采集单元的第一个采集通道的采集开启时间等于第一个激光器的激光器调Q时间；
其他三个激光器的出光时间分别与其他三个采集通道的采集开启时间对应相等；
其中，其他三个激光器的出光时间的时间间隔根据实际需要的时间分辨率进行设置。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光器为纳秒脉冲激光器。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光器为红宝石激光器。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光器为钕玻璃激光器。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光器为Nd:YAG激光器；所述采集单元为四通道高速增强型PCO相机。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光单元还包括激光合束系统；
所述激光合束系统将各台激光器发出的激光合束为片光。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光合束系统包括扩束镜、反射镜和晶体；
所述晶体用于调整激光的偏振；
所述激光单元发射的激光通过扩束镜、反射镜、晶体实现激光合束。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光单元发射四束激光；
所述四束激光分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，通过反射镜的光路先实现激光器两两合束，然后通过晶体调整激光的偏振，最后再经过反射镜折转合束后的光路，在激光出光口出光。
作为其中一种具体的实施方式，所述激光单元发射四束激光，激光器合束过程包括：四个激光器分别出光，经扩束镜扩束后射向反射镜，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，其中两束激光通过晶体调整激光的偏振后射向反射镜，剩余两束激光直接射向反射镜，折转合束后的光路再经过晶体和反射镜在激光出光口出光。
作为其中一种具体的实施方式，所述装置包括：四个Nd:YAG激光器、数字脉冲信号发生器、四通道高速增强型PCO相机、激光合束系统；
其中，所述四个Nd:YAG激光器分别发出的激光通过激光合束系统合束为片光照射至待测区域；
所述激光合束系统包括：扩束镜、反射镜和晶体；
所述晶体用于调整激光的偏振；
所述激光器发出的激光通过扩束镜、反射镜、晶体实现激光合束；
所述数字脉冲信号发生器通过与四台激光器、四通道高速增强型PCO相机进行电连接分别控制四台激光器的出光时刻和四通道高速增强型PCO相机中四通道的采集时刻；
所述四通道高速增强型PCO相机获得待测区域的目标图像。
实施例2粒子图像测速装置
本实施例中所述粒子图像测速装置，如图1所示。
所述粒子图像测速装置包括：四个激光器、数字脉冲信号发生器、四通道高速增强型PCO相机。
所述激光器为纳秒脉冲激光器。
所述数字脉冲信号发生器分别与激光器和四通道高速增强型PCO相机电连，分别控制各个激光器的出光时刻和各个通道的采集时刻。
所述各激光器按出光时序出光，各束光经过合束技术合并为片光照射至待测区域。
所述四通道高速增强型PCO的各通道按时序分别采集待测区域的示踪粒子图像。
所述示踪粒子图像经过互相关算法处理后得到速度场。
所述装置的具体过程包括：将示踪粒子(01)混入待测流场(02)，然后利用合束技术将四台激光器(03)合并，利用数字脉冲信号发生器(04)分别控制四台激光器的出光时刻，利用合束技术将激光束合并为片光(05)照亮待测区域(06)，最后利用四通道高速增强型PCO相机(07)分别拍照并记录四束激光照亮的流场，得到四帧纳米粒子散射照片，经图像互相关算法处理后得到速度场。
作为其中一种具体的实施方式，所述合束技术为通过激光合束系统将四束激光合束为片光。
所述激光合束过程如图2所示。四通道激光器合束过程：四个激光器(1)分别出光，经扩束镜(2)扩束后射向反射镜(3)，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，前两束通过晶体(4)调整激光的偏振后射向反射镜(3)，后两束直接射向反射镜(3)，折转合束后的光路再经过晶体(4)和反射镜(3)在激光出光口(5)出光。
实施例3粒子图像测速装置
本实施例中所述装置与实施例2中的区别在于所述激光器为Nd:YAG激光器；
所述示踪粒子为纳米二氧化钛粉末。
实施例4粒子图像测速方法
本实施例中所述粒子图像测速方法具体包括以下步骤。
a.将示踪粒子均匀混合于待测区域(待测流场)；
b.四通道激光器合束过程：四个激光器(1)分别出光，经扩束镜(2)扩束后射向反射镜(3)，调整反射镜的光路先实现激光器两两合束，前两束通过晶体(4)调整激光的偏振后射向反射镜(3)，后两束直接射向反射镜(3)，折转合束后的光路再经过晶体(4)和反射镜(3)在激光出光口(5)出光；如图2所示。
所述激光器为纳秒脉冲激光器。
c.时序同步控制过程：首先设置第一束激光的延迟时间为0，并设置高速相机第一个通道的快门开启时间等于激光器调Q时间(7)，实现第一束激光与高速相机的第一通道的同步；而后分别设置其它三个通道激光器(1)的出光时序，根据测量系统所需要的时间分辨率，设置时间间隔(8、9、10)；最后设置高速相机的其它三个通道，使其开启时间与激光器出光时间相等，实现同步拍摄；如图3所示。
图像处理过程：从高速相机记录的示踪粒子散射图像(11)中选择一个小区域作为查询区(12)，通过相关算法(13)，求出各查询区示踪粒子在两帧照片时间间隔内运动的位移量，用该位移除以已知的时间间隔，即为判读窗口所覆盖的流体微团的运动速度(14)；选取不同的查询区域，重复上述过程，进行多次数据处理(15)，得到激光所照区域的速度场分布(16)；如图4所示。
实施例5粒子图像测速方法
本实施例中所述方法与实施例4的区别在于：所述激光器为Nd:YAG激光器；
所述示踪粒子为纳米二氧化钛粉末。
实施例6粒子图像测速系统
本实施例中所述粒子图像测速系统包含实施例1中所述的装置。
实施例7粒子图像测速系统
本实施例中所述粒子图像测速系统包含实施例2中所述的装置。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。