Vélocimétrie par imagerie de particules - Particle Images Velocimetry - Correlation

La vélocimétrie par imagerie de particules permet par corrélation d'image de déterminer la vitesse de déplacement de signatures optiques entre deux images consécutives. Ces images peuvent être obtenues, soit en éclairage pulsé (simple ou double pulse) et une caméra synchronisée aux pulses de lumière (simple ou double trame), soit en éclairage continu en utilisant une caméra rapide qui permet de figer l'image à très hautes cadences.

PIV generates displacement maps by image correlation routines from optical signatures between two consecutive images. these images can be grabbed in pulsed light (single or double pulse) with a synchronized camera, or in continuous lighting coupled with high speed imaging camera freezing the image at high frame rates.

La corrélation d'images numériques (CIN) est étudiée à l’Ecole des Mines d’Alès (EMA) depuis plus de 15ans. Au départ, le signal de corrélation était le speckle généré par un objet rugueux éclairé en lumière laser. Plusieurs essais mécaniques ont été instrumentés par ce système laser dont j’ai participé au développement (optimisation de puissance lumineuse, choix de la source, injection dans fibre monomode, …). Les algorithmes de corrélation utilisés provenaient de l’imagerie par particules. La corrélation d’images consiste à rechercher dans une série d’images le déplacement d’un motif connu ou imagette. Depuis, l’EMA dispose de son propre logiciel de corrélation (cinEMA, en langage C), et qui permet la corrélation d’images à fenêtre adaptative. Celle-ci est capable d'évoluer avec la déformation du motif et de corréler deux images successives dont la variation de déformation approche les 100%, avec une incertitude relative de l'ordre de 5.10^-5. De plus la corrélation d’images repose principalement sur un mouchetis de peinture habilement déposé sur l’objet d’intérêt. Cette technique a été appliquée avec succès sur des matériaux (ex: silicone) dont le taux de déformation pouvait atteindre 1600% en fin d'essai. Nous intervenons notamment pour le choix des optiques et des caméras afin de fournir des images de grande qualité au logiciel de corrélation. Nous avons également réalisé les procédures de calibration du système d’acquisition. Une forte contribution dans ce secteur consiste également à interfacer des moyens d'essais mécaniques avec les systèmes d'acquisition optique.

La corrélation d'images est une technique photographique. Ceci entraine que la résolution spatiale de la mesure de déplacement dépend du grandissement photographique. Cette technique est également transférable sous MEB (Microscope Électronique à Balayage) pour de petits échantillons, ou en vue aérienne pour de larges surfaces. Il est également possible de la coupler avec des algorithmes de stéréovision et d’utiliser plusieurs vues pour obtenir les trois composantes du déplacement.

Dans tous les cas l’acquisition d’image doit être en adéquation avec l’échantillonnage futur des données, tant d’un point de vue spatial que temporel. En effet, les décalages entre les motifs porteurs de l’information entre chaque image doivent être compatible avec la technique de corrélation, et notamment le périmètre de recherche du motif autour de son point précédent d’une part. D’autre part, la résolution spatiale de l’image conditionne directement le plus petit détail résolu et également l’identification du point matériel le plus petit assimilable au plus petit motif qui sera reconnu au cours du traitement.

De nombreuses applications ont été réalisées en interne avec le Centre des Matériaux de Grande Diffusion de l’Ecole des Mines d’Alès (compression plane, tractions, flexions …), y compris le couplage de la corrélation avec l’interférométrie speckle,en compression plane pour la détection du flambement par mesure de la composante hors plan (Figure 10). Ces développements permettent une meilleure compréhension soit de matériaux, soit des moyens d’essais mis en pratique (ex traction cisaillement, Figure 11).

Depuis notre changement d’affectation et le passage au sein de l’équipe Risques Industriels et Naturels nous avons acquis le système d’analyse industriel développé par Dantec Dynamics, pour étudier les travaux en vélocimétrie de particules par corrélation d’images. Il permet notamment de traiter un grand nombre d’images, y compris en double trame, mais aussi de synchroniser le système d’acquisition et de coupler des moyens d’analyse et d’affichage pour un nombre d’images très élevé. Le schéma de principe est repris ci-dessous (Figure 12, tirée de Dantec).

Figure 12 : Principe de la corrélation d’images en PIV (source Dantec Dynamics)

Le principal avantage est de disposer d’un logiciel fiable et qui permet un traitement enchaîné de plusieurs opérations, (de la corrélation à l’affichage des données en passant par différents opérateurs de filtrage des données obtenues) sur un grand nombre d’images. De plus, le système peut également être utilisé pour effectuer de la détection et de la reconnaissance de particules (tracking), ce qui s’avère strictement nécessaire pour des applications de suivi de trajectoire de fluide en mouvement (ex. gouttes en dispersion, cf.infra). D’autre part, l’acquisition par notre institut de sources à double cavité laser pulsée permet également l’étude de phénomènes dynamiques.

Remarque : Bien que très séduisants d’un point de vue énergétique et du temps de pose, ces lasers ne peuvent pas être utilisés en interférométrie car leur faisceau est loin d’être gaussien et encore moins monomode. Leur cohérence temporelle est également très faible. De plus, le front d’onde en sortie est en amande et ceci doit être pris en compte lors de la génération de nappe laser. Depuis quelques mois, ces sources lasers commencent à être sérieusement concurrencées avec des systèmes à superleds pulsées, dont un des avantages est de ne pas générer de speckle, ce qui est un plus pour certaines applications ...