CN102435415B

CN102435415B - 信噪比增强的npls流动显示系统及其成像方法

Info

Publication number: CN102435415B
Application number: CN 201110260649
Authority: CN
Inventors: 易仕和; 赵玉新; 何霖; 田立丰; 朱杨柱; 陈植
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102435415A

Abstract

本发明提供一种信噪比增强的NPLS流动显示系统及其成像方法，其中该NPLS系统，包括激光器，激光器安装有与入射激光波长相应的1/2波片，1/2波片可绕1/2波片的轴向转动调节。利用激光瑞利散射的原理，使用该系统时通过调节1/2波片改变入射激光的偏振方向，从而改变散射光强的空间分布的方向性，使得散射光强最大的方向对准CCD相机以使其接收到的散射光信号最强，从而大幅度提高NPLS系统所得图像的信噪比。

Description

信噪比增强的NPLS流动显示系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及流动显示技术领域，具体而言，涉及一种信噪比增强的NPLS流动显示系统及其成像方法。

背景技术

平面激光流动显示方法是使示踪物跟随流体一起运动，通过检测示踪物的光散射或激发特性获取流场的多种参数，如密度、温度、压力等。现有的利用示踪粒子的光散射特性进行检测的方法主要有：平面激光Mie(人名)散射、滤波瑞利散射等。平面激光Mie散射信噪比高，但是其示踪粒子为微米或亚微米量级，在测量超声速流场，尤其是流动局部加速度很大的带有激波和漩涡的超声速流场时，示踪粒子往往无法跟随流动的大梯度变化；滤波瑞利散射的示踪粒子为纳米量级，跟随性好，但是其散射光信号弱、信噪比低。

中国文献《基于纳米粒子的超声速流动成像》(《中国科学》E辑：技术科学，2009年第39卷第12期：第1911页～第1918页)中提到的基于纳米示踪的平面激光散射技术(简称NPLS：Nano-tracer Plannar Laser Scattering)即采用纳米粒子作为示踪粒子。该系统包括计算机系统、CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机、风洞实验段、脉冲激光光源、同步控制器、纳米粒子发生器。

NPLS系统工作时，纳米粒子发生器向风洞实验段流场中均匀投放纳米粒子；待观察区段内建立所需流场之后，同步控制器控制脉冲激光光源发射激光的时序与CCD相机同步，保证纳米粒子受到激光照射后发生散射时，CCD相机处于拍摄状态，以便记录下图像。NPLS系统主要通过CCD相机捕捉纳米粒子的散射光的强度信号成像。然而，利用该NPLS系统及方法散射光强空间分布不可调，无法使散射光强最大的方向对准CCD相机，拍摄的流动显示图像信噪比低，难以辨认流场精细结构，因而不便于分析。

发明内容

本发明旨在提供一种信噪比增强的NPLS流动显示系统及其成像方法，以解决现有NPLS试验系统成像图像信噪比低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种信噪比增强的NPLS流动显示系统，包括激光器，激光器安装有与入射激光波长相应的1/2波片，1/2波片可绕1/2波片的轴向转动调节。

进一步地，激光器包括导光臂，导光臂任意位置处设置套筒，1/2波片安装于套筒内。

进一步地，导光臂包括相连的第一导光臂和第二导光臂，套筒容于第一导光臂内并与第二导光臂相接。

进一步地，第一导光臂内壁沿周向设置面向第二导光臂的一侧开放的第一凹槽；第二导光臂的外壁沿周向设置面向第一导光臂的一侧开放的第二凹槽；第一凹槽可转动套设于第二凹槽外，套筒的相对两端分别顶接于第一凹槽的侧壁和第二导光臂的一端。

进一步地，套筒包括：第一套筒和收容于第一套筒内的第二套筒；第一套筒内壁设置一侧开放的凹槽，第二套筒收容于凹槽内，1/2波片的两相对侧分别顶接于第二套筒的一端和凹槽内侧的凸台上。

进一步地，凹槽和第二套筒的外壁设置相互配合的螺纹，第二套筒通过螺纹与第一套筒相连。

进一步地，第一套筒的侧壁设有通槽，通槽周向的两侧设有两个螺孔，套筒的侧壁遮挡通槽和螺孔；第一导光臂还包括分别穿过螺孔的两固定螺钉，固定螺钉的一端顶接于套筒的侧壁。

进一步地，系统还包括计算机系统、CCD相机、风洞实验段、同步控制器和纳米粒子发生器；纳米粒子发生器产生的纳米级粒子为TiO₂；激光器出射端还设置有片光器。

本发明的另一方面还提供了一种信噪比增强的NPLS流动显示系统成像方法，该方法包括以下步骤：

开启纳米示踪粒子发生器向风洞实验段投放纳米示踪粒子；

同步控制器发出控制信号打开激光器照亮风洞实验段流场；

CCD相机收到同步控制器发出的控制信号后拍摄曝光，获得图像，并判断所获得图像信噪比；

如果所获得图像不能清晰辨认风洞实验段中流场精细结构，则调节1/2波片的位置，使得激光透过所述1/2波片照射风洞实验段后再次在CCD相机上成像，并判断图像信噪比；

直到所获得图像能清晰辨认风洞实验段中流场精细结构，则固定1/2波片位置，并将CCD相机所获得图像传输至计算机系统储存。

本发明的技术效果在于：

本发明利用激光瑞利散射原理提供了一种信噪比增强的NPLS流动显示系统，使得纳米示踪粒子的散射光强空间分布可调，当调节至散射光强最大的方向对准CCD相机时，所获得的流场NPLS图像信噪比最高，结果如图7所示。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选的实施例信噪比增强的NPLS流动显示系统连接示意图；

图2是本发明优选的实施例中导光臂组装立体示意图；

图3是本发明优选的实施例中导光臂组装主视示意图；

图4是本发明优选的实施例中导光臂组装主视剖视示意图；

图5是本发明优选的实施例中第一导光臂主视剖视示意图；

图6是本发明优选的实施例中套筒主视剖视示意图；

图7是采用本发明优选的实施例中信噪比增强的NPLS流动显示系统所得超声速混合层转捩过程K-H不稳定涡随时间演化过程示意图；以及

图8是使用本发明优选的实施例的成像方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供的信噪比增强的NPLS流动显示系统包括计算机系统1、CCD相机2、激光器4、同步控制器5、纳米粒子发生器6和风洞实验段3。

风洞实验段3包括一段光学窗口31，光学窗口31四壁为光学玻璃围成。

纳米粒子发生器6投放的纳米粒子跟随高速流场进入风洞，在流场中均匀撒播。纳米粒子发生器6的投放口正对风洞实验段3的一端进气口，投放纳米示踪粒子。

本实施例中，所用示踪粒子为TiO₂纳米粒子。在其它实施例中，所用纳米示踪粒子可以为聚苯乙烯、Al₂O₃但不限于此。

同步控制器5分别连接激光器4、CCD相机2和计算机系统1。计算机系统1对同步控制器5发出指令，再由同步控制器5控制激光器4和CCD相机2工作。

CCD相机2的镜头正对风洞实验段3的光学窗口31，以便于接收风洞实验段3内纳米示踪粒子反馈的散射光强信号，从而成像。

激光器4设有位于光学窗口31上方的导光臂41。导光臂41包括一位于光学窗口31上方并正对光学窗口31的激光出射口42。

请结合参考图2～4，导光臂41任意位置处可截断为第一导光臂400和第二导光臂401，第一导光臂400和第二导光臂401均为管型。第一导光臂400的第一端收容于第二导光臂401的第一端内。第一导光臂400的第一端内壁设置一端开放的第一凹槽403，第一导光臂400靠近端口的第一凹槽403表面设置内螺纹，第二导光臂401的第一端外壁设置一端开放的第二凹槽，第二导光臂401的第二凹槽外壁设置外螺纹，第二凹槽与第一凹槽403配合并通过内、外螺纹将第一导光臂400和第二导光臂401相连。内装设有1/2波片412的套筒40容于第一导光臂400的第一凹槽403内并与第二导光臂401的第一端顶接。套筒40的内壁与第一导光臂400和第二导光臂401的内壁对齐。

参见图5，第一导光臂400的周缘设有贯通该第一导光臂400内外侧的通槽402。通槽402设置于第一套筒400中部。套筒40的侧壁遮挡通槽402，操作者透过通槽402可拨动套筒40的侧壁，以使套筒40在第一导光臂400内转动。第一导光臂400的侧壁相对地设置有两个螺孔。两个固定螺钉413穿过该螺孔。当需要固定1/2波片412位置时，拧紧固定螺钉413，使固定螺钉413的一端顶接于套筒40的侧端以将1/2波片412固定于第一导光臂400内。

参见图6，套筒40为圆筒型，包括第一套筒404和收容于第一套筒404内的第二套筒405。第一套筒404的内壁设置一端开放的凹槽，凹槽延伸至第一套筒404中部，凹槽内侧形成凸台411，1/2波片412的一侧与凸台411相接。凹槽表面设置内螺纹，第二套筒405外壁设置与上述内螺纹配合的外螺纹。第二套筒405通过螺纹拧入第一套筒404内，并将放置于凸台411上的1/2波片412卡接住。

当激光器4产生的准直柱状激光经片光器后形成片状光源，照射至带有纳米示踪粒子的风洞实验段内的流场时，纳米示踪粒子产生散射光。散射光信号被CCD相机2接收，并成像，从而使“看不见、摸不着”的高速流场成为“可见、可测”的图像显示出来。CCD相机2所接受到的散射光信号强弱决定了所得图像的信噪比高低。根据Mie理论可知，纳米粒子对垂直偏振光的散射信号随散射角的变化不明显，但对平行偏振光的散射信号随散射角改变明显，当散射角为0°或180°时，平行偏振光的散射信号达到极大值，散射角为90°和270°时，平行偏振光的散射信号为零。对于NPLS试验系统来说，所用激光为线偏振光，散射角为90°，故激光平行于散射面的偏振光对粒子散射信号没有贡献，只有垂直散射面的偏振光能影响粒子散射信号。为使CCD相机2接受到粒子散射信号一直处于最大值，可通过调节套筒40中的1/2波片412，将片状激光的偏振方向从平行于散射面调整到垂直于散射面。在此过程中，粒子散射光强逐渐增大，并在二者相互平行时为零，二者相互垂直的时候达到最大。在此调节过程中，可多次成像，以便寻找到所获得图像信噪比最高时1/2波片412的位置。

调节1/2波片412时，松释固定螺钉413。CCD相机2接收同步控制器5的指令，开始曝光成像。手指或操作件伸入通槽402，并拨动套筒40的侧壁使套筒40在第一导光臂400内转动，从而带动1/2波片412转动。在转动1/2波片412过程中，CCD相机2不断成像并在计算机系统1上实时显示。调节初期，每次1/2波片412转动的角度可较大，以便快速寻找到成像高信噪比区，当所得图像信噪比逐渐提高后，继续对1/2波片412进行微调，此时每调节一次1/2波片412转动的角度较小。一直调节1/2波片412直至无论向1/2波片412的任一侧继续转动，所成图像的信噪比均下降时止，此时1/2波片412所处位置为图像信噪比最高点。此时停止转动1/2波片412并拧紧固定螺钉413使其卡住1/2波片412，以继续后续实验。

本实施例中，所用纳米示踪粒子为TiO2但不限于此，所用激光波长为532nm但不限于此。所选用1/2波片412与入射激光波长相应。导光臂41的激光发射口42加装片光器。

片光器为任何能将准直光源通过折射转变为片状光源的光学元件。具体的，片光器可为内腔安装柱透镜和凸透镜的套筒，柱透镜和凸透镜重叠放置，套筒一端具有螺纹，可连接于导光臂41的一端。准直激光通过片光器内重叠放置的柱透镜和凸透镜后，被转变为片状激光。该片光器为市售。

采用本优选实施例中信噪比增强的NPLS流动显示系统工作，所得图像如图7所示，通过加装并调节1/2波片使得图像信噪比得到了明显的提高。

请结合参照图8，使用本发明提供的信噪比增强的NPLS流动显示系统成像的方法有以下几个步骤：

S1：开启纳米粒子发生器6，向风洞实验段3投放纳米示踪粒子，纳米粒子发生器6一直保持开启状态。当风洞实验段3内充满纳米示踪粒子后继续后续步骤。

S2～S5：打开激光器4，通过导光臂41将激光引导至风洞实验段3上，照亮风洞实验段3中的流场。之后，第一导光臂400两侧的固定螺钉413松开，多次转动1/2波片412，寻找到所获得图像信噪比最高点时止。1/2波片412的调节方法在结构部分已详细描述，在此不再详细描述。

S6：通过固定螺钉413将1/2波片412的固定在图像信噪比最高点处，并将高信噪比的流动显示图像从CCD相机2缓存中传输至计算机系统1中储存。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种信噪比增强的NPLS流动显示系统，包括激光器（4），其特征在于，所述激光器（4）安装有与入射激光波长相应的1/2波片（412），所述1/2波片（412）可绕所述1/2波片（412）的轴向转动调节；

所述激光器（4）包括导光臂（41），所述导光臂（41）包括相连的第一导光臂（400）和第二导光臂（401），套筒（40）容于所述第一导光臂（400）内并与所述第二导光臂（401）相接；所述1/2波片（412）安装于所述套筒（40）内；

所述第一导光臂（400）的内壁周向设置面向所述第二导光臂（401）的一侧开放的第一凹槽（403）；

所述第二导光臂（401）的外壁周向设置面向所述第一导光臂（400）的一侧开放的第二凹槽；

所述第一凹槽（403）可转动套设于所述第二凹槽外，所述套筒（40）的相对两端分别顶接于所述第一凹槽（403）的侧壁和所述第二导光臂（401）的一端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述套筒（40）包括：第一套筒（404）和收容于所述第一套筒（404）内的第二套筒（405）；所述第一套筒（404）内壁设置一侧开放的凹槽，所述第二套筒（405）收容于所述凹槽内，所述1/2波片（412）的两相对侧分别顶接于所述第二套筒（405）的一端和所述凹槽内侧的凸台（411）。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述凹槽上和所述第二套筒（405）的外壁设置相互配合的螺纹，所述第二套筒（405）通过螺纹与所述第一套筒（404）相连。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一套筒（404）的侧壁设有通槽（402），所述通槽（402）的周向两侧设有两个螺孔，所述套筒（40）的侧壁遮挡所述通槽（402）和所述螺孔；所述第一导光臂（400）还包括分别穿过所述螺孔的两固定螺钉（413），所述固定螺钉（413）的一端顶接于所述套筒（40）的侧壁。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括计算机系统（1）、CCD相机（2）、风洞实验段（3）、同步控制器（5）和纳米粒子发生器（6）；所述纳米粒子发生器（6）产生的纳米级粒子为TiO₂；所述激光器（4）的出射口处还设置有片光器。

6.一种信噪比增强的NPLS流动显示系统成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

开启纳米示踪粒子发生器（6）向风洞实验段（3）投放纳米示踪粒子；

同步控制器（5）发出控制信号打开激光器（4）照亮风洞实验段（3）流场；

CCD相机（2）收到所述同步控制器（5）发出的控制信号后拍摄曝光，获得图像，并判断所获得图像信噪比；

如果所获得图像不能清晰辨认风洞实验段（3）中流场精细结构，则调节1/2波片（412）的位置，使得激光透过所述1/2波片（412）照射风洞实验段（3）后再次在所述CCD相机（2）上成像，并判断图像信噪比；

直到所获得图像能清晰辨认风洞实验段（3）中流场精细结构，则固定1/2波片（412）位置，并将CCD相机（2）所获得图像传输至计算机系统（1）储存。