基于圖像測速的波浪破碎兩相速度場測量方案探討

許媛媛，梁書秀，畢小奇，薛慶仁

（1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.中國建筑工程（香港）有限公司，香港 999077）

在實驗室波浪物理試驗中常采用激光多普勒測速技術（LDV）、聲學多普勒測速技術（ADV） 以及粒子圖像測速技術（PIV）等測量波浪水質點速度[1-6]。其中，LDV 和ADV 屬于單點或多點測量，它們雖然具有單點測量精度高的優點但難以構建瞬態的全場速度。PIV 是全場測速技術中最為成熟的一種新技術，能夠無擾動、精確有效地測量二維或三維全場速度分布，因此更常應用于物理模型實驗。

與非破碎波浪試驗不同，在波浪破碎物理試驗中，波浪破碎會產生顯著的氣液混合區域，若采用PIV 測量該區域的速度，氣泡區會在PIV 圖像中過度曝光而形成光斑，使得圖像對互相關分析時無法獲得該區域正確的速度信息。因此，基于PIV 測量技術，并結合氣泡區的特點，Ryu 等提出了氣泡圖像測速技術（BIV），運用該方法對受到破碎波浪沖擊的結構周圍摻氣區域的速度場進行分析，比較和討論利用傳統的PIV 技術和新的BIV 技術測量的速度場的區別，同時將BIV 測量結果與使用光纖反射測量（FOR）的結果進行了對比驗證[7]。Lim 等使用改進的PIV 技術結合氣泡圖像測速（BIV）技術測量實驗水槽中深水卷破波和崩破波速度場，分析了波浪破碎過程的運動特征，計算了破碎過程中波浪動能、勢能和總能的變化[8-9]。

可見，BIV 測量技術在對氣液混合區速度的測量上有優勢。然而其開發時間尚短、實驗應用較少，其試驗方案仍需討論，其測量結果也仍需進一步驗證。另外，波浪破碎速度場測量試驗是較為精細的試驗，為了排除重復生成波浪帶來的影響，同時測量混合區和其下水體的速度場是必要的。因此，討論PIV 和BIV 的耦合測量試驗條件是極有意義的。

1 圖像測速方法原理

1.1 粒子圖像測速方法（PIV）

粒子圖像測速是流場可視化中的一種測量手段，其基本原理為：在某一時間點T1拍攝流場中質點所在的位置，而后在時間點T2拍攝同一相機位置下質點所在的位置，通過計算出質點在時間間隔內的位移S，最終確定質點速度v。

實際中PIV 并不直接追蹤單個粒子質點，而是通過數學統計分析的方式來得出質點位移，一般包括自相關和互相關等計算方法。在自相關算法中，同一粒子兩次曝光在一張底片上，速度方向不能自動判別，存在速度方向二義性問題。互相關算法通過對兩張連續圖片中的查詢窗口進行互相關計算，能有效解決自相關中識別兩次曝光粒子的問題，現今大多采用多幀單曝光的方式采集圖像，并采用互相關算法進行分析計算。在T1、T2兩個時間點拍攝的圖像中設置詢問窗口，使得兩個窗口可以進行互相關分析[10]。依據最大互相關系數c（x，y）確定圖像中區域的位移，并由此得出流速vx，vy。

1.2 氣泡圖像測速方法（BIV）

氣泡圖像測速作為一種對于PIV 的補充測量技術，其主要用于試驗中有較多氣泡產生的區域。BIV 試驗中，由普通燈光照射氣泡形成陰影，利用相機拍攝氣泡的運動軌跡與結構紋理，并將其中的氣泡及氣泡結構視作PIV 中的粒子來進行互相關運算。雖然氣泡會由于壓力變化產生形變，但流體的連續性及1000 幀的拍攝速度使得氣泡在短時間內形變很小，故而拍攝得到的圖像同樣可依據互相關法得出速度場。

BIV 測量中，除燈光對氣泡的照明至關重要外，也要求實驗者必須提前控制好景深。景深即視場深度（Depth of Field）指的是可以使相機拍攝的目標物體達到圖像聚焦清晰時前后的一個范圍[11]，如圖1 所示。

圖1 景深示意

依據Ryu 等提出的公式[7]，可以表示為：

式中，R 為最近限制范圍，S 為最遠限制范圍，D為景深，L 為相機至聚焦面距離，f 為相機焦距，C為相機模糊圓參數，N 為相機光圈數。

根據公式（4），結合本次試驗設備的焦距、光圈值、聚焦距離等參數設置可以得出本次試驗采用的拍攝設備其景深及誤差，如表1。可以看出本次試驗中由設備產生的景深誤差在2%以下，表明該設備適用于BIV 的測量，在保證誤差盡量達到最小的同時，又保證在現有試驗設備下拍攝質量達到最優。另外，本文不僅通過公式（4）對拍攝設備的理論景深誤差進行了分析，還利用試驗數據對景深造成的誤差進行了定量分析。

表1 景深及誤差計算

2 圖像測速系統的搭建

2.1 試驗水槽和儀器

試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的溢油水槽進行，水槽長22 m，寬0.8 m，深0.8 m，水槽兩端有消浪設施，可有效減少波浪反射影響。水槽造波機可生成波浪的周期范圍為0.5～3.0 s。

本次試驗水深h = 0.5 m，采用能量聚焦的方法產生波浪破碎現象，輸入波能按照JONSWAP 譜型在頻率間進行分配。頻率范圍為0.7～1.3 Hz，按照等分頻率法將能量在29 份頻率間進行離散。聚焦波生成的原理詳見梁書秀等的文獻[12]。試驗工況參數見表2，表中fp為JONSWAP 譜峰頻率，A 為輸入振幅值。

表2 試驗工況參數

試驗水槽中，沿波浪傳播方向設置8 根浪高儀，詳細布置參照畢小奇的文獻[13]，設置造波板靜止位置為x=0.0 m 處，以波浪傳播方向為x 正向，由水底至水面豎直方向為y 正向。浪高儀系統記錄每次試驗中的波面變化，并將采集的浪高數據處理后進行波面比對，確保試驗過程中每次波浪生成的準確性和重復性。在x=6.43～9.85 m之間為波浪破碎區域，為防止浪高儀對流場產生干擾，以更好地進行PIV 及BIV 測量，此處未布置浪高儀。試驗中使用諾泰科公司研發的小威龍高精度聲學單點式流速儀（ADV）測量單點流速用于PIV 和BIV 測量結果的驗證。

2.2 PIV 測量系統搭建

PIV 測量系統布置在水槽外側，由幾個典型的子系統組成：片光源系統、粒子生成及供給系統和圖像采集系統。試驗中搭建的PIV 測量系統的片光源由MGL-W-532 型激光器配合前鍍膜光學反射鏡生成；圖像采集由Photron-SA5 高速攝像機完成；而示蹤粒子選用了LaVision 公司的HQ 粒子，粒子比重為1.03 g/cm3，平均粒徑為55 μm，在水中有極好的跟隨性。

在對破碎流場進行拍攝的過程中，PIV 設備的布置如圖2 所示，激光器從底部發射激光線源至全反鏡，經前鍍膜光學全反鏡反射后，形成平行于水槽壁的鉛垂激光面，該激光面距離水槽壁20.0 cm，此分隔距離足以避免邊壁效應對測量數據的影響。高速相機于水槽側面對波浪流場進行拍攝。其中，相機放置于水槽一側可橫向移動的車架中，車架下方設置有導軌，確保了在對不同視場拍攝時，相機至激光面的距離一致。車架上方設置有相機云臺，該云臺為三向三維阻尼云臺，可以沿三個方向自由調整角度，并設置有水準氣泡。當相機在云臺上固定好后，需精確調整云臺，使水準氣泡居中，以此保證相機拍攝角度垂直于激光面。激光器放置于相機車架前方，設置有四角可調平臺及水準氣泡，使用中也需調整水準氣泡，以使激光入射面水平。

圖2 PIV 拍攝布置現場圖

2.3 BIV 測量系統搭建

因PIV 在對破碎區進行測量時，產生的大量氣泡會造成激光的散射，使圖像形成大面積的亮斑，無法對圖像進行有效的計算分析，而BIV 以自然光或能量較弱的燈光為光源，恰好適用于氣泡區的測量。因此PIV 適用于測量流場無氣泡及低密度氣泡區的速度，BIV 適用于測量氣泡區域速度，二者共同應用才能達到測量破碎波浪速度場的目的。

在BIV 測量中設置合適的光源使得氣泡及氣泡紋理結構在圖像中可以有清晰的影像是試驗的重點。標準BIV 光源一般在水槽非拍攝一側設置燈箱，使得拍攝時可以得到較為柔和均勻的背景燈光，并照射氣泡形成氣泡陰影輪廓，同時在水槽拍攝一側也設置燈光，照射氣泡，使得氣泡區形成更加清晰的明暗對比，得到質量較好的BIV 圖像，如圖3 所示。這一過程中，為在水槽一側布置燈光照亮氣泡，水槽寬度不能過寬，否則燈光穿透力不足以形成較好的陰影輪廓，同時這也意味著試驗拍攝段兩側都必須為玻璃邊壁，不能有物體的遮擋，而這對于一些需要設置結構物的試驗來講是極為苛刻的，為此改良標準BIV 的照明方案，使其適應不同情況的實驗室及試驗條件就變得十分必要。

圖3 標準BIV 照明方案布置圖（單位：cm）

另一方面，利用標準BIV 照明方案進行測量時無法同時進行該區域的PIV 測量，BIV 和PIV 的分開測量不僅會增加測量的工作量還會因為兩次拍攝降低速度場的計算精度。畢竟波浪破碎本身是極度非線性的，很難做到100%的重復性，尤其是氣泡區域。為此，本試驗將探索BIV 及PIV 的照明方案，嘗試以不同的光照方式配合不同強度的激光來對破碎流場中的氣泡區進行拍攝，尋找同一次測量中BIV 及PIV 同步拍攝的可能性。如圖4 所示，為探索BIV 的照明方案在水槽的前后和上方都布置有光源。為方便表述，將試驗中嘗試的打光方案進行了分類：在拍攝一側窗口布置的燈光為前置光源，拍攝區域的另一側燈光為后置光源，水槽上方燈光為上部光源。將各類燈光方式進行組合拍攝并與標準BIV 照明方案進行結果對比優選出最適合進行BIV 和PIV 耦合測量的照明方案。

圖4 BIV 照明方案試驗中燈光分類（單位：cm）

3 測量系統驗證

3.1 PIV 測量系統驗證

為確保本次試驗搭建的PIV 測量設備的準確性，通過多個測點布設ADV 測量波浪工況1 的速度歷時并與PIV 分析結果進行對比。在PIV 拍攝窗口中布置6 個ADV 測點，由于ADV 測頭在水下反光，影響PIV 測量，故先對本窗口使用PIV 測量流速場，而后分別在各個測點布置ADV 測量流速。

為確保ADV 與PIV 測量為同一點，記錄ADV測點在圖像中的像素位置，確保后期提取PIV 結果時也提取同一測點處的流速數據，ADV 測點布置如圖5 所示。所有測點重復測量5 次，每次測量后對比浪高儀波面數據，以確保聚焦時間及聚焦波峰誤差在±0.03 s 及1%以內，確保波浪生成的重復性。

圖5 （a）#1 ADV 測點實拍圖；（b）ADV 測點布置示意圖

圖6 展示了1—6 號測點PIV 與ADV 測量的水平向流速歷時曲線對比，可以看到各測點PIV與ADV 流速曲線基本吻合，證明本次試驗中所搭建的PIV 測量設備是準確有效的。

圖6 工況1，1—6 號測點PIV 與ADV 水平向流速歷時曲線對比

3.2 BIV 測量系統驗證

考慮到BIV 測量在實驗室中應用還較少，本文設計了基礎的氣泡試驗來驗證BIV 測量系統的準確度。驗證試驗分為靜水下氣泡上升試驗、不同均勻流下氣泡上升試驗和靜水下氣泡上升景深驗證。

3.2.1 靜水時氣泡速度 靜水驗證試驗中在水槽底部中央處布置氣泡石以均勻釋放氣泡，氣泡石直徑為5 cm，因此其上升速度不受左右兩側玻璃邊壁的影響，氣泡石與配套氣泵相連，氣泵最大排氣量可達8 L/min，并且可以通過旋鈕調整進氣量，氣泡石上均勻一致的氣孔隨后生成氣泡，因此可知氣泡初始速度因氣孔大小與氣泵排氣量一定而固定。

使用豎向探頭ADV 對氣泡上升速度進行測量，ADV 測點布置于氣泡石正上方，ADV 測點通過拍攝BIV 圖像可以與BIV 的結果進行準確比較。驗證試驗中，ADV 的信號強度始終保持在150 以上，其相關度保持在85 以上，確保ADV 測得數據的有效性。同時BIV 數據處理中，取ADV 探頭下5 cm處（ADV 測量原始測點即為探頭下5 cm 處）為圖像的原始測點，并選取其像素點附近9 個點的數據平均值作為測點處BIV 的瞬時測量速度。將ADV測量值與BIV 測量值進行對比，發現ADV 瞬時速度均值為0.187 cm/s，BIV 瞬時速度均值為0.193 cm/s，兩者相對誤差為3.2%。對于使用聲學原理的ADV與使用光學原理的BIV 技術，兩者對氣泡在同一測點的瞬時速度的測量結果趨勢一致且較為吻合。3.2.2 水流下氣泡水平速度 在進行均勻流氣泡上升驗證試驗前先對水槽造流系統生成流速的可信度進行了檢驗，之后再進行BIV 及氣泡驗證的相關試驗。試驗通過事先率定好的造流系統頻率生成了不同大小的流速，接著氣泡石從底部按固定的氣泵功率輸出氣泡，并對氣泡運動進行BIV 拍攝，測量結果如圖7 所示，圖中藍色帶三角標記點的線條代表率定的流速。理論上，若產生的氣泡與水體有較好的跟隨性，則采用BIV 計算測量的氣泡水平方向的速度應該與水槽中流速一致。從圖7 可以看到，在水流速度小于0.30 m/s 時，BIV 計算速度與水流流速有較好的一致性，且在z =5 cm 及z =27 cm 處的氣泡速度也可以保持一致，可以證明BIV 測量水平速度的準確性。值得注意的是，當水流速度大于0.30 m/s 時，在z =5 cm 處的BIV 計算速度并不能與水流速度保持一致，且當水流速度提升至0.35 m/s 時，z=5 cm 及z =27 cm 處速度差異較為明顯。這與水流速度大于一定值時，氣泡跟隨水流運動的速度并不能很快保持一致，而是需要更多的加速距離有關。

圖7 運動氣泡群中在不同流速下的BIV 測量速度

3.2.3 靜水下氣泡上升景深驗證 在對水槽中的波浪進行BIV 測量時，指定的x-z 平面處的圖像氣泡信息會被景深前后的模糊圖像所遮擋或影響，雖然景深外的圖像因為未清晰聚焦，其氣泡的明暗對比及紋理結構在互相關計算中的貢獻較少，但仍有必要對其進行檢測，以驗證BIV 中景深內圖像數據的準確性。試驗首先通過拍攝聚焦清晰的氣泡上升圖像，隨后改變焦距使圖像不再聚焦于原平面，對模糊氣泡圖像進行拍攝，如圖8 所示，之后將模糊圖像與清晰圖像疊加產生新的帶模糊前景的BIV圖像，分析并計算這三種圖像的速度并加以比較。

圖8 清晰氣泡圖（左）和模糊氣泡圖（右）

由圖9 可知，同一點處清晰氣泡的速度曲線與模糊氣泡的速度曲線并不一致，但兩者疊加后圖像計算的速度曲線與清晰氣泡圖像計算的速度曲線較為吻合。此外對三者的速度均值進行了計算，清晰圖像均速為0.1872 m/s，模糊圖像均速為0.2069 m/s，兩者疊加圖像均速為0.1865 m/s，清晰圖像與模糊圖像間均速的誤差為10.53%，而清晰圖像與疊加圖像間均速的誤差為0.37%。一定程度上證明在BIV 的計算中，當景深內的清晰圖像與景深外的模糊圖像疊加時，計算所得結果仍主要為景深內的氣泡速度。

圖9 清晰、模糊及兩者疊加圖像BIV 計算速度的比較

4 照明方案探索

利用標準BIV 照明方案進行測量時無法同時進行該區域的PIV 測量，而BIV 和PIV 的分開測量不僅會增加測量的工作量，還會因為兩次拍攝降低速度場的計算精度。為此，本試驗將探索BIV和PIV 的耦合照明方案，嘗試以不同的光照方式配合不同強度的激光強度來對破碎流場進行拍攝，尋找同一次測量中BIV 及PIV 同步拍攝的可能性。

4.1 不同照明方案效果圖及速度場分析

為對比不同照明方案的BIV 拍攝效果及最終的處理結果，選取氣泡較為明顯的破碎時刻和拍攝窗口來進行試驗。需要說明的是，各方案的每次拍攝過程都對浪高儀的采集數據進行了對比，將聚焦波峰誤差控制在3%以下，相位誤差控制在0.03 s以下，確保波浪生成的重復性。同時，在各方案的拍攝過程中都使用了任喜峰基于UDP（用戶數據報協議）開發的自動化、同步采集軟件[14]，并采用一致的相機參數進行同步拍攝。該同步系統將信號的發送和觸發命令執行之間的時間控制在1 ms以內，而相機的采樣間隔為1～2 ms。在這樣的精度下，每次采集都確保了各方案拍攝的是同一工況下、同一時刻的破碎氣泡區域。另外，采集到圖像后，由于試驗中PIV 及BIV 測量系統均為獨立搭建，沒有直接配套的PIV 及BIV 處理程序，本文使用Matlab 中已較為成熟的、開源的PIV-Lab 來進行速度場的處理計算[15-16]。計算時采用FFT 互相關算法，設置三重查詢窗口，初始查詢窗口為72×72 像素，最小查詢窗口為24×24 像素，子窗口之間的重疊區域達50%。

4.1.1 標準BIV 照明方案 標準BIV 照明方案分析的速度場將為耦合測量方案中氣泡區速度場的結果提供驗證數據。該照明方案中（圖3），主要布置有前置燈兩盞（光線與拍攝窗口成60°角）及后置燈兩盞，本次試驗中燈光功率均為500 W。拍攝效果及處理后的結果如圖10 所示：可以看到此時有較清晰的波面、氣泡輪廓及紋理結構，氣泡區域拍攝效果有較好的厚度感，進行圖像處理時無過多噪聲；氣泡區域前方速度整體較大，后方速度整體較小，最大速度出現于氣泡區前方。

圖10 標準BIV 照明方案處理結果（左：原始圖像，右：處理后流場圖）

4.1.2 激光+前置燈的耦合照明方案 本系列耦合照明方案共設計了3 組（見表3，序號1—3），分別選擇10 W、7 W 和4 W 激光+前置燈兩盞（光線與拍攝窗口成60°角）進行組合拍攝測量，照明設備示意圖見圖4，后置燈關閉、激光和前置燈開啟。拍攝效果及處理結果如圖11 所示：①10 W 激光+前置燈的波面較為清晰，氣泡區域上方氣泡有較清晰的紋理結構，但氣泡區域下方有較多的亮斑，不利于互相關分析。②7 W 激光+前置燈的波面仍可識別，氣泡區域無過多亮斑，有很清晰的紋理結構，其最大流速出現位置與標準BIV 照明方案一致。③4 W 激光+前置燈的波面無法通過原始圖像識別，氣泡區域幾乎無亮斑，有較好的結構紋理，最大速度出現位置與標準BIV 照明方案一致。此外對于下部非氣泡區，10 W 激光下，粒子效果最好，7 W 次之，4W 激光下從原始圖像中無法識別清晰粒子。

圖11 激光+前置燈照明方案處理結果（上：10 W 激光，中：7 W 激光，下：4 W 激光）

4.1.3 激光+后置燈的耦合照明方案 本系列耦合照明方案共設計了2 組（見表3，序號4—5），分別選擇10 W 和7W 激光+后置燈兩盞進行組合拍攝測量，照明設備示意圖見圖4，后置燈和激光開啟、前置燈關閉。拍攝效果及處理后的結果如圖12 所示：當激光配合后置燈光時，由于后置燈對氣泡呈現效果較好，圖像都可以有清晰的波面，氣泡區域也可以很好地識別。然而10 W 激光下，氣泡區亮斑較多不利于該區域的速度計算。7W 激光下亮斑區域較少，氣泡區域有較好的紋理結構，計算的最大速度出現位置與標準BIV 照明方案一致。對于下部非氣泡區可以看到7W 激光下粒子效果與10 W 一致，甚至要稍好一些，這與10 W 激光下氣泡區亮斑散射對下方粒子成像效果產生影響有關。

圖12 激光+后置燈照明方案處理結果（上：10 W 激光，下：7 W 激光）

4.2 照明方案結果分析

4.2.1 改良方案與BIV 測量結果對比分析 選擇最大水平向速度值、平均水平向速度值及平均動能值作為驗證參數，定量地檢驗5 種照明方案測量的氣泡區速度與標準BIV 照明方案測量結果的差異。考慮到各照明方案中選取氣泡區域稍有差別，為此對于平均速度值及平均動能值使用公式（5）計算：

式中，ui表示計算區域中各網格點處的x 向速度值，vi表示計算區域中各網格點處的y 向速度值，N 為計算網格點數目（因各方案在速度場計算中窗口網格大小一致，N 可以視作方案中的計算面積）。經計算后，各方案的速度參數及動能結果如表3所示。表3 中照明方案0 號為標準BIV 照明方案，照明方案1—5 為設計的BIV 和PIV 的耦合照明方案。

表3 不同照明方案最大速度、平均速度及平均動能計算結果

各照明方案中，2 號、3 號和5 號方案得到的最大x 向速度與標準BIV 照明方案最為接近，誤差控制在5%以內。對于平均速度值，計算結果顯示各方案差異并不是很大，其中1 號、3—5 號方案的計算結果與標準BIV 照明方案較為一致，誤差在5%以內。最后對比各照明方案的平均動能值發現，3 號、4 號和5 號方案的平均動能與標準BIV 照明方案的平均動能誤差在5%以內。綜合3個驗證參數與標準BIV 結果的比較可以看出照明方案3 和方案5 的測量結果更接近標準BIV 測量結果。

為進一步對比方案3（4W 激光+前置燈）和方案5（7 W 激光+后置燈）的氣泡區計算速度與標準BIV 照明方案的差異，驗證改進方案3 和改進方案5 的測量準確度，選取拍攝窗口內受氣泡區影響的點作為考察點，并采集整個破碎過程該點的瞬時速度形成水平向速度歷時曲線，通過歷時曲線的對比檢驗整個破碎過程2 種改良方案與標準BIV結果的差異。

圖13 展示了2 種改進方案氣泡區考察點處x向速度歷時曲線與標準方案的對比結果，可以看到2 種改進方案得到的該點處氣泡區速度隨時間變化曲線與標準BIV 的結果較為一致，方案3 的均方根誤差為0.0376 m/s，方案5 的均方根誤差為0.0543 m/s。再綜合3 種特征參數的分析，認為4 W激光+前置燈、7W 激光+后置燈這兩種方案對氣泡區速度的測量與標準BIV 照明方案的測量具有相同的精度。

圖13 改進方案BIV 考察點處x 向速度歷時曲線與標準方案的對比

4.2.2 改良方案與PIV 測量結果對比分析 改進方案的提出是為了找到合適的照明方案達到BIV及PIV 同步拍攝的目的，因此，需要對BIV 測量結果合理的改進方案3（4 W 激光+前置燈） 和方案5（7 W 激光+后置燈） 進行PIV 測量結果的對比。將標準PIV 測量方案（僅10 W 激光）的測量結果作為參考值。選取氣泡區下方水體的點作為考察點，并比較該點處x 向速度歷時曲線（圖14）。可見，對于4 W 激光+前置燈照明方案，其計算速度曲線雖趨勢與標準PIV 照明方案一致，但總體數值較小，其均方根誤差為0.0764 m/s；而7W 激光+后置燈照明方案，其計算結果與標準PIV照明方案計算結果更為吻合，其均方根誤差為0.0254 m/s。

圖14 改進方案PIV 考察點處x 向速度歷時曲線與標準方案的對比

綜上，在改進方案中，耦合照明方案5（7W激光+后置燈）的BIV 均方根誤差雖然大于耦合照明方案3，但相對于該氣泡區考察點的速度范圍（0.57～1.46 m/s），0.0543 m/s 的均方根誤差是較小的，說明在氣泡區域該耦合測量的精度較高，而耦合照明方案5 的PIV 均方根誤差明顯小于耦合照明方案3，說明在水體區域該耦合測量的精度也較高。因此，耦合照明方案5 對于本次試驗的氣泡區與非氣泡區計算結果都較為準確，證明了合適的激光與外部燈光配合可以對破碎中的氣泡區與非氣泡區進行有效的同步測量，即實現了BIV 與PIV 的耦合測量。這將大大減小由于對破碎波分別進行PIV 和BIV 測量所產生的工作量，減小波浪破碎重復生成所造成的速度測量誤差。

5 結論

本文從發展有效的波浪破碎兩相速度場的測量手段出發，進行了聚焦波浪破碎試驗，取得了以下成果：

（1） 在波浪水槽中搭建了PIV 和BIV 系統，并利用ADV 對PIV 和BIV 的測量結果進行了驗證，結果表明，BIV 測量的瞬時速度均值與ADV測量結果誤差僅為3.2%，且BIV 景深驗證結果表明，帶前景氣泡干擾的圖像對分析結果產生的影響僅為0.37%，證明BIV 系統適用于波浪破碎氣泡區的速度測量。

（2）根據PIV 和BIV 對光源的需求不同，設置了多種試驗照明方案進行波浪破碎速度場耦合測量的探索，最后優選出7 W 激光+后置燈的照明方案，使各項誤差均在5%以內，且液相和氣液混合相的參考點水平向速度歷時曲線也與各自的標準測量方案歷時曲線吻合良好，均方根誤差小，表明改進方案能夠實現PIV 與BIV 的耦合測量。

本文實現的波浪破碎兩相速度場的同時耦合測量，有利于縮短測量和分析工作的耗時，并能提高測量精度，減小破碎波浪重復生成的影響。