三维重建是层析粒子图像测速（PIV）中重要的一步，重建过程中的权重系数计算通常较为繁琐。基于此，提出一种层析PIV快速权重计算方法——正向投影面积（FPA）法，即将离散体素投影在相应像元上的面积作为权重系数计算的方法。首先，基于针孔相机模型构建三维空间内粒子多视角投影成像仿真程序，生成仿真图片用于方法分析与验证；其次，将FPA方法结合目前主流重建算法开展三维重建精度和耗时分析。结果表明，当用于本研究所述测量区域重建时，相比于传统后向方法与亚网格法权重系数计算方法，FPA法的权重矩阵元素个数分别降低了大约3个和1个数量级，计算时间分别减少了97%与85%，相应地降低了计算机的内存占用，且FPA法与传统后向方法所计算的权重矩阵的平均相似度高于0.9974。在常用实验粒子数分数（p_ppp=0.05）下，该方法结合目前主流重建算法的重建精度可达0.8以上。同时基于仿真图片分析了相机最佳采集角度以及实验相机噪声对重建结果的影响，结果表明，在实验噪声条件下重建结果仍然满足三维流场重建的要求。

二维纳米棒的布朗运动可以用平移扩散和转动扩散运动来描述。提出了一种基于去偏振-偏振图像的动态光散射(DIDLS)测量方法,通过分析纳米棒布朗运动的平移扩散和转动扩散在偏振激光入射下产生的垂直-垂直和垂直-水平偏振动态光散射信号,测量了纳米棒的尺寸和尺寸分布。研究了连续测量的偏振动态光散射信号图像间的相关系数函数,通过两次反演,计算出纳米棒的长度以及长径比,进而得到颗粒的二维尺度分布。分析了不同入射激光波长对测量结果的影响,提出自相关函数的基线值可以作为信噪比的判据。采用650,780,905 nm三种波长对直径为20 nm、长度为300 nm的纳米金棒进行了测量,得到了纳米金棒的平均尺寸和尺寸分布。

提出将离焦成像与粒子轨迹测速相结合,分别针对直线型和曲线型粒子轨迹,构建了离焦特征参数σ的识别算法,形成了用于三维速度测量的离焦粒子轨迹测速(DPSV)方法。该方法基于粒子图像离焦特征参数σ沿运动轨迹线的线性变化假设,通过拟合粒子图像的灰度分布来识别σ,从而获得粒子深度信息。在直线轨迹拟合的基础上,进一步采用圆弧拟合处理湍流实验中常见的弯曲轨迹图像。形成了相应的图像处理流程,并采用仿真图像验证了参数识别的准确性,在本文实验装置的噪声水平下相对误差为9.4%左右。采用LED光源和5 μm孔径光阑组成的发光点进行模拟实验,验证了深度位置z与σ的线性关系。最后,将DPSV技术应用于射流流场,得到了三维速度分布。

提出双目视觉结合单帧多曝光技术的粒子轨迹测速(PSV)方法,通过长短曝光组合判断速度方向,采用灰度拟合法识别轨迹特征,并采用轨迹中心点进行速度计算以提高速度测量的准确性。该方法采用最邻近点匹配及倾斜角约束对同一颗粒的多段轨迹进行匹配与排序,利用极线约束对轨迹特征点进行双目匹配,对三维重建后的特征点进行B样条拟合以计算粒子的三维速度,而多曝光粒子轨迹法可以降低双目匹配的难度。形成了双目多曝光PSV的实验系统及相应图像处理流程。采用发光小孔进行了不同三维速度下的验证实验,分析了不同轨迹特征点选择对速度测量结果的影响。结果表明,利用轨迹中点计算速度,得到的平均相对误差小于4.2%,同时其标准偏差较小,故采用轨迹中点相较于采用轨迹端点的速度计算方法更优。并对一射流流场进行了实测,结果表明此方法能够可靠地用于三维流场测量。

为了研究消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素, 搭建了消光光谱颗粒粒径测量实验系统, 建立了非线性最小二乘颗粒粒径反演算法, 并选用900 nm、2.1 μm与5.1 μm三种标准颗粒作为待测颗粒样品, 开展了不同波段范围、波长选取数及颗粒浓度下消光光谱颗粒粒径测量实验研究。结果表明: 消光光谱颗粒粒径测量过程中, 光谱波长范围、波长数以及颗粒浓度等参数的选取均会对反演精度造成较大影响; 光谱信噪比是光谱波长范围选取的重要指标; 存在光谱波长选取数精度阈值, 采用该阈值进行颗粒粒径反演, 既可以保证测量精度, 又可以避免光谱数据冗长导致反演计算速度降低; 颗粒粒径反演选取待测颗粒系消光值约0.75时达到最佳。

差分吸收光谱法(DOAS)是利用气体分子窄带吸收特征来测量气体浓度的一种光谱测量技术。本文介绍了DOAS的基本原理,利用MATLAB开发了一套苯、甲苯和二甲苯(BTX)DOAS数据处理程序,并将BTX浓度假设值与反演值进行对比分析,同时研究了入射光强变化和颗粒物参数对浓度反演的影响。结果表明:BTX浓度反演值与假设值具有良好的一致性,说明BTX-DOAS数据处理程序是正确的;通过数值模拟验证了DOAS中理论上无法直接推导的前提条件的正确性。

基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm~76.9 μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。

将光场成像理论与三维颗粒追踪测速(PTV)技术相结合,实现了单相机三维流场的测量。结合高斯光学和相似原理,推导出了深度与最优重聚焦系数的关系。搭建了光场标定与流场测量系统,提出基于光场成像理论模型的深度标定方法,并与泰勒多项式拟合方法进行对比,证明了其具有较高的稳健性。利用清晰度最大原理,获得原始光场图像的全聚焦图,采用最小特征值角点检测算法对全聚焦图上的颗粒进行定位,结合三维粒子追踪技术,得到颗粒的三维速度。形成了光场PTV的图像处理流程,并对后向台阶流场进行了实测,结果表明光场PTV技术能够较好地测量三维流场。