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一、粒子图像测速定义

粒子图像测速是一种通过多次摄像记录流场中粒子位置，并分析获取的图像，进而测量流动速度的方法。这一技术本质上是流场显示技术的新发展，对实验流体力学具有重要价值。传统流动显示技术是实验流体力学不可或缺的一部分，其核心在于直观呈现流动的特性，帮助研究人员全面理解流动过程，因此，这一领域始终保持着旺盛的生命力。

粒子图像测速系统的基本构成通常包括多个摄像机、光源、计算机等设备。首先，通过摄像机对流场中包含粒子的区域进行多次摄像，捕捉粒子在不同时间点的位置信息。然后，将这些图像输入到计算机中，通过专门的软件对图像进行处理，如粒子追踪算法等，从而计算出粒子的运动轨迹。最后，根据粒子的运动轨迹和时间间隔，利用流体动力学原理计算出流场中的速度分布情况。

与传统流动显示技术相比，粒子图像测速具有更高的精确度和灵活性。它不仅能够捕捉到流动的瞬时状态，还可以提供流动速度的三维分布信息，为研究人员提供了更全面、更深入的流动理解。此外，粒子图像测速技术的实施相对简便，对实验设备的要求相对较低，使得其在工业应用、环境科学、生物医学等领域得到广泛应用。

二、piv是什么意思

PIV是粒子图像测速技术的简称。

粒子图像测速技术是一种流体力学测速技术。它通过追踪流体中散布的示踪粒子，来测量流体的速度场。这项技术广泛应用于实验室和工程领域，以研究流体动力学过程，并提供了关于流体流动特性和机制的宝贵信息。下面是关于PIV技术的详细解释：

PIV技术基于光学成像原理。通过在流体中散布微小的示踪粒子，并利用高速摄像机捕捉这些粒子的图像，可以实时观测并记录粒子的运动状态。这些粒子的运动轨迹反映了流体的速度矢量。通过对这些矢量数据的分析，可以获取流体的速度场信息。这些速度场数据对于理解流体动力学过程至关重要。它们有助于揭示流体中的涡旋、流动分离、混合等现象。这对于流体机械、航空航天、环境保护等领域的研究和工程设计具有重要意义。

PIV技术具有高精度和非侵入性的特点。由于粒子图像测速技术是通过光学成像来测量流体速度的，因此不会干扰流体的流动状态，从而保证了测量的准确性。此外，PIV技术还可以提供二维和三维速度场的信息，使得研究人员能够更加深入地了解流体的流动特性。这使得PIV技术在研究和工程应用中具有很高的价值。

随着科学技术的不断发展，PIV技术在流体力学研究中发挥着越来越重要的作用。它不仅为研究者提供了关于流体流动特性的宝贵数据，还为工程设计人员提供了优化流体系统设计的依据。未来，随着技术的不断进步，PIV技术有望在更多领域得到应用和发展。

总之，PIV是粒子图像测速技术的简称，它通过光学成像原理测量流体速度场，具有高精度和非侵入性特点，对于流体力学研究和工程应用具有重要意义。

超构透镜粒子图像测速技术，助力先进光学诊断技术发展

2024-01-06 14:43·技术最前沿近日，上海交大机械与动力工程学院航空动力研究所施圣贤副教授与香港城市大学蔡定平教授课题组跨学科合作，在AdvancedMaterials上发表题为“Meta-lensParticleImageVelocimetry”的研究论文，提出了基于超构透镜的粒子图像测速技术（Meta-lensPIV），助力先进光学诊断技术发展。论文第一作者是香港城市大学博士后刘小源和上海交大航空动力研究所博士后赵洲，通讯作者为施圣贤副教授、香港城市大学陈沐谷助理教授和蔡定平教授等。

超构透镜PIV技术概念图

PIV技术作为实验流体研究的经典手段，在生物医学、海洋装备、航空航天等领域的科学研究和工程应用中得到了广泛的运用。然而，传统的PIV方法需要多个相机和复杂的多镜头系统，以获取不同视角的图像，并通过进一步分析获得三维速度场，这使得整个系统变得复杂，且在实际应用中特别是受限空间等场景存在一系列的挑战。

研究尝试将光学超材料与PIV技术融合，以实现PIV系统小型化的目的。超构透镜是一种先进的平面光学元件，由人工制造的纳米单元阵列组成。作为一种新型光学超材料，超构透镜可以精准操控光的波前，具备超薄、紧凑和无球差的特点，有望替代传统的光学成像系统。研究团队将一对超构透镜刻蚀在0.5mm厚的蓝宝石基板上，并将其集成到CMOS传感器中，构建了紧凑的双目超构透镜相机。这种双目超构透镜的重量仅为116毫克，远远轻于商用镜头。通过使用双目超构透镜拍摄粒子图像，可以获得精确的三维速度场数据。研究团队通过雷诺数为2000的涡环实验验证了基于超构透镜的粒子图像测速技术，涡环直径的测量误差仅约为1.25%。

(a)双目超构透镜相机(b)双目超构透镜(c)实验系统(d)粒子图像

研究团队通过光学超材料设计及制备方法，形成超薄、极轻、无球差的超构透镜，并利用其替换传统镜头，直接与CMOS芯片集成，构建紧凑的双目超构透镜PIV系统，展示了PIV技术小型化、轻便部署的发展趋势。

研究将先进微纳光学技术与传统流场诊断技术相结合，使传统的实验流体测试工具焕发新的活力，并针对便携易用、受限空间等测量场景，拓展了PIV技术和光学超材料技术的应用潜力，为PIV技术的小型化和低功耗等方面的应用研究提供了新的思路。

研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和青年项目，以及中央高校基本科研专项资金的资助。

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310134

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