Geschwindigkeitsfelder in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten lassen sich schnell und automatisiert bestimmen, indem man in kurzem zeitlichem Abstand aufgenommene Bilder von Tracerteilchen mit dem Computer auswertet. Die Anwendungen dieses als „Particle Image Velocimetry“ (PIV) bezeichnete Verfahren reichen von der Aerodynamik über die Biologie, die Erforschung der Turbulenz in Flüssigkeiten und die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen, bis zur Mikrofluidik.
Anfangs ließen sich mit PIV nur die beiden Geschwindigkeitskomponenten ermitteln, die in einem zweidimensionalen Lichtschnitt lagen, der zweimal hintereinander zur Beleuchtung der Tracerteilchen erzeugt wurde. Anhand einer zusätzlichen Aufnahme der Teilchen, die sich in einem zum ersten Lichtschnitt parallelen zweiten Lichtschnitt befanden, konnte man mit einem neu entwickelten Auswertungssystem auch die dritte Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Lichtschnittebenen bestimmen. Diese Doppelebenen-PIV entwickelten Dipl.-Ing. Aymeric Derville, Dr. Christian Willert, Dr. Markus Raffel und Dr. Jürgen Kompenhans von der damaligen Deutschen Forschungsanstalt (heute Zentrum) für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen. Für ihre Arbeit erhielten sie den Helmholtz-Preis 1996 im Bereich „Informatik und Mathematik in der Messtechnik“.
Die Information über die Teilchengeschwindigkeiten, die in zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen enthalten war, gewannen die Forscher, indem sie untersuchten, wie sich die beiden Bilder durch relative Verschiebung lokal am besten zur Deckung bringen ließen. Dazu berechneten sie für verschiedene Verschiebungsvektoren die lokale Korrelation der Helligkeitsverteilungen in den beiden Bildern. Aus dem Maximum der Korrelation erhielten sie den Verschiebungsvektor, aus diesem und aus dem Zeitabstand zwischen den beiden Bildern die lokale Teilchengeschwindigkeit. Waren die Bilder für denselben Lichtschnitt aufgenommen worden, so ließen sich die beiden Geschwindigkeitskomponenten in der Schnittebene ermitteln. Aus den Bildern für parallele Lichtschnitte ergab sich die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Schnittebenen.
Die Forscher prüften die Zuverlässigkeit ihres Verfahrens, indem sie durch Monte-Carlo-Simulation künstliche Teilchenbilder für ein bekanntes Strömungsfeld erzeugten und anschließend aus den Bildern das Strömungsfeld näherungsweise berechneten. Dann werteten sie mit ihrem Verfahren experimentelle Daten aus. Dazu hatten sie silberüberzogene Glaskugeln von 10 µm Durchmesser in einen mit Glyzerin gefüllten Glaszylinder gegeben. Da sich der Deckel des Zylinders drehte, bewegten sich die Kugeln mit dem Glyzerin, was von einer CCD-Kamera aufgezeichnet wurde. Mit einem Laserstrahl erzeugten die Forscher einen etwa 2 mm dicken Lichtschnitt durch den Zylinder. Anhand der Bilder von den Lichtschnitten konnten die Forscher die Radial-, Axial- und Azimutalgeschwindigkeit an beliebigen Punkten in der Schnittebene bestimmen. Das PIV-Verfahren hat sich inzwischen durchgesetzt als meistgenutzte optische Messtechnik für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung in einer Ebene oder in einem Volumen, woran die Preisträger wesentlichen Anteil hatten.