CN104469177B - 一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法，包括以下步骤：S01、脉冲平面光源发出光强均匀的脉冲平面光，将待测超声速运动流体持续照亮；S02、在脉冲平面光源持续照亮所述待测超声速运动流体的时间内，通过摄像装置对所述待测超声速运动流体曝光成像，得到所述超声速运动流体的瞬态结构图像。一种超声速运动流体的瞬态结构成像装置，包括脉冲平面光源、摄像装置以及控制组件，在所述脉冲平面光源照亮待测超声速运动流体的时间内，所述摄像装置对待测超声速运动流体进行曝光成像并传送给控制组件处理，得到超声速运动流体的瞬态结构成像。本发明的方法及装置能够获取高速运动物体的“冻结”状态图像，满足特殊情况下对短曝光时间的苛刻要求。

Description

一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法及装置
技术领域
本发明具体涉及光学成像技术领域，特别涉及一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法及装置。
背景技术
在捕捉高速运动物体瞬间运动状态的过程中，需要图像拥有足够空间分辨率的同时，还需要成像过程的曝光时间足够短，从而防止拖影现象的产生。在现有的高速相机技术条件下，目前性能最好的超高速相机XXRapidFrame最小曝光时间可达0.2纳秒，高速相机FASTCAM SA5最小曝光时间可以达到500纳秒，基本能够满足大多数运动速度下的瞬态结构成像需求。但是高速相机或超高速相机价格昂贵，实验室配备率低，且需要高亮度光源与其配套使用，对于多数研究者来说，提高相机质量从而获得短曝光时间的方式性价比低；而且，高速相机的CCD像素值一般在100W左右，这样的成像质量对于分析一些细小结构是远远不够的。特别地，针对一些高速运动的微小物体、表面不规则变形的物体的成像，采用高速相机拍摄物体运动瞬间的方法不再适用，因为需要足够的空间分辨率对物体本身及表面进行成像分析，如超声速气流条件下液体射流的破碎和雾化过程成像，需观测的对象尺寸在毫米量级甚至更低(如液滴尺寸约10微米)，运动速度往往超过500m/s，需要足够的空间分辨率对射流表面的微小结构进行显示。
发明内容
为克服现有方法的不足，本发明提供一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法及装置，利用脉冲平面光源照亮待测物体获取高速运动物体的“冻结”状态图像，满足特殊情况下对短曝光时间的苛刻要求。
一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法，包括以下步骤：
S01、脉冲平面光源发出光强均匀的脉冲平面光，将待测超声速运动流体持续照亮；
S02、在脉冲平面光源持续照亮所述待测超声速运动流体的时间内，通过摄像装置对所述待测超声速运动流体曝光成像，得到所述超声速运动流体的瞬态结构图像。
优选地，所述摄像装置的曝光时间大于所述脉冲平面光源的脉宽。
优选地，所述脉冲平面光源的脉宽范围确定原则如下：
S11、确定待测超声速运动流体的预成像实际空间尺寸a*a、摄像装置的像素m*m、以及待测超声速运动流体的最大运动速度v；
S12、计算预拍图像的空间分辨率r＝a/m；
S13、所述脉冲平面光源的脉宽t<r/v。
本发明还公开了一种超声速运动流体的瞬态结构成像装置，包括脉冲平面光源、摄像装置以及控制组件，在所述脉冲平面光源照亮待测超声速运动流体的时间内，所述摄像装置对待测超声速运动流体进行曝光成像并传送给控制组件处理，得到超声速运动流体的瞬态结构成像。
优选地，所述摄像装置为CCD相机。
优选地，所述摄像装置活动设置在待测超声速运动流体的周侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法及装置从另一角度出发，使摄像装置处于持续曝光的状态，采用脉冲照明的方式捕捉运动物体的冻结状态，该方法及装置对摄像装置的要求不高，可以尽量选择像素高的CCD对物体进行成像。
为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明和附图，然而所附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图一；
图2为本发明的装置的结构示意图二。
图中标号说明：1、脉冲平面光源；2、摄像装置；3、控制组件；31、同步控制器；32、计算机。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例的超声速运动流体的瞬态结构成像方法，包括以下步骤：
S01、脉冲平面光源1发出光强均匀的脉冲平面光，将待测超声速运动流体持续照亮；
S02、在脉冲平面光源1持续照亮待测超声速运动流体的时间内，通过摄像装置2对待测超声速运动流体曝光成像，得到超声速运动流体的瞬态结构图像。
本实施例中，摄像装置2的曝光时间大于脉冲平面光源1的脉宽。
本实施例中，脉冲平面光源1的脉宽范围确定原则如下：
S11、确定待测超声速运动流体的预成像实际空间尺寸a*a、摄像装置2的像素m*m、以及待测超声速运动流体的最大运动速度v；
S12、计算预拍图像的空间分辨率r＝a/m；
S13、脉冲平面光源1的脉宽t<r/v。
本发明还公开了一种超声速运动流体的瞬态结构成像装置，如图1和图2所示，包括脉冲平面光源1、摄像装置2以及控制组件3，在脉冲平面光源1照亮待测超声速运动流体的时间内，摄像装置2对待测超声速运动流体进行曝光成像并传送给控制组件3处理，得到超声速运动流体的瞬态结构成像。
本实施例中，摄像装置2为CCD相机，控制组件3包括计算机32和同步控制器31。
本实施例中，摄像装置2活动设置在待测超声速运动流体的周侧，其中图1和图2中摄像装置2的位置与待测物体的位置不同。
本实施例中提供具体实施例为：拍摄区域30x15mm，可用CCD相机的像素数4096x2048pixel，物体运动速度最大500m/s。
计算图像的空间分辨率为7.3um/pixel，进而计算脉宽时间应小于14.6ns。
最终选用4096x2048pixel的CCD相机对30x15mm区域大小进行成像，其区域内的超声速运动流体运动速度小于500m/s，选用脉宽7ns、波长532nm的脉冲平面光源1对成像区域进行照明，CCD相机的曝光时间为0.2s。
如图1所示，脉冲平面光源1发出光强均匀的脉冲平面光将拍摄区域照亮，CCD相机聚焦在拍摄区域对其进行成像，同步控制器31控制脉冲平面光源1和CCD相机的工作时序；计算机32作为脉冲平面光源1、CCD相机和同步控制器31的交互平台，计算机32通过同步控制器31控制脉冲平面光源1和CCD相机的工作时序。同时，计算机32还负责图像的存储和后处理。
CCD相机聚焦在拍摄区域，T时刻，计算机32通过同步控制器31触发CCD相机开始对拍摄区域进行曝光成像。
T+ΔT时刻，计算机32通过同步控制器31触发脉冲平面光源1发出光强均匀、脉宽7ns的脉冲平面光，脉冲平面光将拍摄区域照亮7ns。
本实施例中ΔT取0.1s，使脉冲平面光将拍摄区域照亮的时间短正好处于CCD相机的曝光时间内。
T+0.2s时刻之后，可根据前面的时序执行过程对拍摄区域进行第二次成像。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种超声速运动流体的瞬态结构成像方法，其特征在于包括以下步骤：
S01、脉冲平面光源发出光强均匀的脉冲平面光，将待测超声速运动流体持续照亮；
S02、在脉冲平面光源持续照亮所述待测超声速运动流体的时间内，通过摄像装置对所述待测超声速运动流体曝光成像，得到所述超声速运动流体的瞬态结构图像；
其中所述摄像装置的曝光时间大于所述脉冲平面光源的脉宽，所述脉冲平面光源的脉宽范围确定原则如下：
S11、确定待测超声速运动流体的预成像实际空间尺寸a*a、摄像装置的像素m*m、以及待测超声速运动流体的最大运动速度v；
S12、计算预拍图像的空间分辨率r＝a/m；
S13、所述脉冲平面光源的脉宽t<r/v。
2.一种超声速运动流体的瞬态结构成像装置，其特征在于，包括脉冲平面光源、摄像装置以及控制组件，在所述脉冲平面光源照亮待测超声速运动流体的时间内，所述摄像装置对待测超声速运动流体进行曝光成像并传送给控制组件处理，得到超声速运动流体的瞬态结构成像，其中所述摄像装置的曝光时间大于所述脉冲平面光源的脉宽，所述脉冲平面光源的脉宽范围确定原则如下：
S11、确定待测超声速运动流体的预成像实际空间尺寸a*a、摄像装置的像素m*m、以及待测超声速运动流体的最大运动速度v；
S12、计算预拍图像的空间分辨率r＝a/m；
S13、所述脉冲平面光源的脉宽t<r/v。
3.根据权利要求2所述的超声速运动流体的瞬态结构成像装置，其特征在于，所述摄像装置为CCD相机。
4.根据权利要求2或3所述的超声速运动流体的瞬态结构成像装置，其特征在于，所述摄像装置活动设置在待测超声速运动流体的周侧。
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