Geschwindigkeitsschätzung für dünn besetzte Bildsequenzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Damaschke; Professor Dr.-Ing. Volker Kühn
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239412670

Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV) sind wichtige Abbildungstechniken der Strömungsmesstechnik. Sie kommen in vielen Anwendungsgebieten, beispielsweise von der Optimierung von Verbrennungsprozessen bis hin zu Schiffsantrieben zum Einsatz. Mit Hilfe von hochauflösenden CCD- und CMOS-Hochgeschwindigkeitskameras werden Partikel in den Strömungen detektiert und verfolgt (Tracking). Man ist mittlerweile in der Lage, die dreidimensionale Bewegung mehrerer zehntausend Partikel aus einer Bildsequenz mit Genauigkeiten von 0,1 Pixel zu rekonstruieren, so dass auch instationäre Prozesse und Turbulenzerscheinungen dreidimensional charakterisiert werden können. Die derzeitige Limitierung der PIV-Technik und anderer mehrdimensionaler abbildender Geschwindigkeitsmesstechniken besteht darin, dass bei hoher zeitlicher Auflösung (>100Hz Framerate) keine Echtzeitverarbeitung der Bilddaten mehr möglich ist. Damit können die Messverfahren nicht als Prozessmesstechnik eingesetzt werden. Weiterhin sind die anfallenden Datenmengen so groß, dass die technisch mögliche Aufnahmezeit bei Bildwiederholraten im kHz-Bereich in der Regel nur wenige Sekunden beträgt, was für eine kontinuierliche Analyse unzureichend ist. In der ersten Projektphase wurde die grundsätzliche Eignung der direkten Bewegungsschätzung über Korrelationsmethoden und Ortsfilter gezeigt und die Leistungsfähigkeit von Compressed Sensing bzw. spektraler Schätzung zur Rekonstruktion dünn besetzter PTV-Signale analysiert. In diesem Fortsetzungsantrag sollen zum einen neue methodische Konzepte entwickelt werden. Hierzu zählen ein innovativer Ansatz zur direkten Bewegungsschätzung mittels eines modifizierten optischen Aufbaus, die intensive Nutzung von a-priori-Wissen bei der Rekonstruktion dünn besetzter Signale mit Compressed Sensing und die Phase-Retrieval-Problematik. Zum anderen soll auch die experimentelle Verifikation der bisher durch Simulationen erhaltenen Ergebnisse erfolgen. Dazu ist das vorhandene Experimentalsystem um notwendige optische Komponenten für eine optische Filterung zu ergänzen. Der Nachweis der Praxistauglichkeit der untersuchten Verfahren wäre ein wichtiger Schritt hin zu einer effizienteren und leistungsfähigeren PIV-Technik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen