CN109883995A - 基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法，包括内部存在非均匀介质场的测量空间、用于向测量空间射出与光轴形成偏转角为θ的入射光线的投影屏、用于对入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线进行汇聚成影像的物方远心光学系统；本发明采用彩色三步移相法，结合三维非均匀介质场的反积分曲线三维重建算法，通过投影屏和远心光学系统的组合设置，实现了对非均匀介质场的测量光线的准确追迹及对三维空间折射率的瞬态折射特性测量，大大提高了测量精确度和效率；并且该系统整体设计精密，测量精度高，成本较低，应用范围广，具有重要的理论意义和工程应用价值，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量系统，尤其涉及一种基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法，非均匀介质场是指由于压力、速度、温度、密度、物质等因素的空间分布不均匀形成的空间物理特性非均匀的空间场，包括由于温度、压力、流动形成的非均匀介质场，也包括液液混合介质、气液混合介质、气体介质形成的非均匀介质场。
背景技术
非均匀介质场是指由于压力、速度、温度、密度、物质等因素的空间分布不均匀形成的空间物理特性非均匀的空间场，通过非均匀介质场的测量能实现温度、压力、气流等物理量的复现。因此，对非均匀介质场的三维测量，在流体力学、传热学等科学研究以及能源、环境、动力及化工等很多行业中具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景。
化学反应流、层流、湍流、稀薄流、低温流动、高温气体动力学、超声速和高超声速流动，以及风洞实验、水洞流场都是典型的非均匀介质场，准确地实现非均匀介质场的检测，能为燃烧等化学反应过程、空气动力学设备的设计和控制等提供有效的参数，实现最优控制策略，在工业锅炉、发电厂燃煤、燃气涡轮机以及航空、汽车发动机燃烧、船舶推进器、喷洒作业等领域都得到了广泛的应用。例如，应用于锅炉的燃烧温度场监控，炉膛燃烧工况的不合理是导致锅炉运行事故的主要因素，燃烧状态的合理与不合理，直接影响到锅炉热效率的高低和供电与燃料损耗的比例。因此，为保持炉膛的燃烧场均匀稳定运行，提高燃烧效率，对炉膛内燃烧场的温度分布实现在线监测，是调控燃烧状态的必要措施；也能为空气动力学设备的设计和改进提供基础的测量数据，如火箭发动机在高、真空状态下喷射出来的状似羽毛的喷流羽流的测量，羽流流型缺陷会导致飞行器的摆动、推力减弱、飞行不稳定、不能按预定轨道飞行，最终飞行器在飞行过程中很可能达不到预定的高度和区域，对羽流流场的实时准确测量，是调整火箭喷射流型的基础；还能为石油、天然气的开采提供实时混合流场的数据，如在石油、天然气开采时油、水、气的比例，这涉及石油和天然气开采的策略，是石油和天然气开采的基础。
目前，对非均匀介质场的通用测量方法主要通过测量非均匀介质场的折射率的变化来实现。光线透过不均匀介质的折射率场时，将会发生两种变化，一是光线偏离原来的方向，二是光线产生位相的相对变化相位移。折射率法就是根据这两个特性来确定折射率的。折射率法有其他方法不可替代的优点，它们对原场无干扰，属于非插入测量，时间分辨率高，能用来研究非常迅速的瞬态过程，甚至能跟踪空间非均匀介质场变化的过程；空间分辨率高，能用于研究温度梯度极大极小空间非均匀介质场，如激波、小火焰等；能同时提供空间非均匀介质场的测量，而不是点的测量，信息量大。其他主要方法包括纹影法、阴影法、光学干涉法、全息干涉法、莫尔偏斜、激光散斑照相、激光散斑剪切干涉及台伯干涉等。阴影法、纹影法是根据光的偏折效应测量的；光学干涉法和全息干涉法则直接测量相位变化，而假设光线无偏折；莫尔偏斜、激光散斑照相、激光散斑剪切干涉及台伯干涉等直接测量光线的偏折角。
纹影法利用光在内部密度各异的介质中传播时会产生偏折这一现象，通过使用刀口装置对偏折的光线进行遮挡，进而光线的通过量产生变化，在光屏或者相机等接收面上可观察到明暗变化实现折射率测量。除了传统纹影法，目前常用的纹影法还有聚焦纹影法、背景纹影法、彩虹纹影法等。阴影法原理和纹影法一样，但它是通过记录光线的偏折带来的投影屏上点的位移实现折射率的测量。纹影法和阴影法的实验原理和系统构成都比较简单，但阴影法的精度相对较低，传统纹影法易受背景亮度影响，背景纹影法不能准确确定每一个点的位移量，限制了测量的精度。
普通的光学干涉法通常使用马赫－曾德干涉仪、双镜干涉仪、迈可尔逊干涉仪、台曼干涉仪及纹影干涉仪等。它们把同一光源发出的光分成两束，一束穿过测量区域后和另一束参考光相干，通过分析透过测量区域的光的相位变化，实现空间折射率的测量，反应空间的非均匀介质场信息。马赫－曾德干涉仪、双镜干涉仪、迈可尔逊干涉仪、台曼干涉仪等皆采用振幅分光法，而纹影干涉仪则采用偏振分光法。全息干涉法和普通光学干涉法原理相同，但它采用时间分光法，将同一束光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后使这些波前再发生干涉，通过分析透过测量区域的光的相位变化，实现空间折射率的测量，反应空间的非均匀介质场信息。目前干涉法在传热、燃烧和空气动力学研究中广泛应用，也是热物理测量中最基本和最经典的一种方法。
莫尔偏斜法通过莫尔干涉现象来实现非均匀介质场中折射率的测量，光源发出的光经过两个前后放置光栅，形成两个光栅条纹叠加的莫尔条纹，一般情况下，莫尔条纹是平行的或按设定的规律有序分布，当测量空间为非均匀介质场时，光线会因为折射率的变化发生偏折，莫尔条纹会产生变形或位移，分析该条纹的位移即可获得光线的偏折角，从而计算得空间非均匀介质场的分布。莫尔偏斜法降低了干涉法对机械、光学部件和环境控制的要求，应用范围更广，但是莫尔偏斜方法中的衍射现象降低了条纹的对比度和空间分辨率。
台伯干涉是利用台伯效应进行测量的。当平行光垂直照射周期为d的光栅时，在其后某一平面会出现该光栅完全相同的像，称为自成像，此即台伯效应，成像面称为台伯面。在前一光栅的台伯面放置另一个完全相同的光栅，后一光栅与前一光栅平行且同轴，并且两光栅在垂直轴方向定位相同，此时在后一光栅后零光场被观察到。当两光栅间插入一相物体非均匀介质场，光线产生扰动，第一个光栅的自成像会产生扭曲，这个扭曲的自成像同第二个光栅相互作用，在第二个光栅后的观察屏上会观察到干涉条纹，考察该干涉条纹能得到光偏折角的信息，这就是台伯干涉。台伯干涉多用于光学仪器及参数的测量，现也已发展用于非均匀介质场的测量。但上述这些干涉法测量设备制造的加工精度要求非常高，设备的调整也很费时费力，使得设备普遍价格较高。
激光散斑照相利用相干性很好的激光束在物体表面的漫反射产生无数微小的点光源，它们发出的相干光在空间传播并彼此相干，并在不同位置的投影设备上产生不同分布的亮斑和暗斑，当其穿过空间非均匀介质场时，在投影设备上产生的图案会按照一定的规律运动，跟踪其运动信息，获得各散斑点的位移，就可以反演计算出空间非均匀介质场折射率的变化。该技术对振动不敏感，且并不需要预先知道非均匀介质场的梯度方向。但散斑照相的逐点分析是耗时而麻烦的，且需要对由于晕轮效应产生的条纹宽度进行纠正。
激光散斑剪切干涉通过双孔将散斑成像在照相机的CCD上，让CCD晶振面稍微偏离共轭的像平面，使得通过双孔的散斑在CCD上成了一个略微离焦的像，此即剪切，它们相干形成条纹花样，这就是散斑剪切干涉。激光散斑剪切干涉法所测量的是光线的偏折角，其形成的相干条纹为光线的等位移梯度线，代表了空间非均匀性的分布情况，因此激光散斑剪切干涉能对空间非均匀介质场进行在线可视化测量。激光散斑剪切干涉通常用于应变、倾斜、弯曲及其他机械参数的测量，用于不均匀介质场的测量也在发展。该方法减少了激光散斑照相中逐点分析的计算量,但还是需要对晕轮效应条纹宽度的纠正。
纵观上述对非均匀介质场的空间测量方法，各有优缺点，干涉类方法对设备加工安装精度要求高，使得其成本较高，而纹影法、阴影法的测量精度又较低。因此，本发明专利提出一种低成本、高精度的三维折射率测量方法，该方法基于哈特曼光线追迹原理，通过投影屏和远心光学系统的组合设置实现测量光线的准确追迹，从而实现三维空间折射率的测量。
发明内容
本发明解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种通过投影屏和远心光学系统的组合设置实现测量光线的准确追迹并实现三维空间折射率的测量的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，包括内部存在非均匀介质场的测量空间、用于向测量空间射出球面入射光线的投影屏、用于对投影屏上的光点射出的球面入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线进行筛选并汇聚成影像的物方远心光学系统，测量空间位于投影屏与物方远心光学系统之间；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定影像的光学折射特性和对应关系；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据；本发明的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统的基本测量原理如下：以投影屏上的每一个光点为点光源向测量空间射出球面入射光线，其中有一条与光轴形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间射出的平行于光轴的偏折光线射向物方远心光学系统，物方远心光学系统对偏折光线进行筛选并汇聚成影像；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据，从而实现对测量空间内部存在的非均匀介质场的三维空间折射率的实时测量；本发明采用彩色三步移相法，结合三维非均匀介质场的反积分曲线三维重建算法，通过投影屏和远心光学系统的组合设置，实现了对非均匀介质场的测量光线的准确追迹及对三维空间折射率的瞬态折射特性测量，大大提高了测量精确度和效率；并且该系统整体设计精密，测量精度高，成本较低，应用范围广，具有重要的理论意义和工程应用价值，适合推广应用。
作为优选，物方远心光学系统包括用于对从测量空间射出的偏折光线进行折射的透镜、用于对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像的CCD相机、用于对透镜射出的偏折光线进行筛选并汇聚在CCD相机上的物方远心光阑，透镜位于测量空间与物方远心光阑之间，物方远心光阑位于透镜与CCD相机之间，投影屏、测量空间、透镜、物方远心光阑、CCD相机均以光轴为中心轴线并依次正对排列设置。本发明中，以投影屏上的每一个光点为点光源向测量空间射出球面入射光线，其中有一条与光轴形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间射出的平行于光轴的偏折光线射向透镜，透镜对平行于光轴的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑进行筛选并汇聚在CCD相机上，CCD相机对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像，即：通过以投影屏上的每一个光点为点光源射出的球面入射光线依次经过测量空间、透镜的两次折射由物方远心光阑将偏折光线汇聚在CCD相机上，使得CCD相机对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像，与传统的哈特曼方法相比，本发明采用投影屏、透镜、物方远心光阑、CCD相机组合的光学设计代替了哈特曼屏，限制了成像光线的轨迹，实现了光线的快速追迹。
作为优选，还包括测量圆环，投影屏、透镜均设在测量圆环的内壁上，测量空间为与测量圆环同心设置的圆形区域，圆形区域的半径小于测量圆环的半径，光轴穿过测量圆环和圆形区域的圆心，投影屏与透镜以圆心为中心呈对称设置。同心设置的测量圆环与圆形区域，进一步提高了测量的精确度和效率。
作为优选，投影屏、透镜、物方远心光阑、CCD相机由4-8组构成，4-8组投影屏、透镜、物方远心光阑、CCD相机沿测量圆环的360度环形方向均匀分布，形成了多组背投式哈特曼系统及其测量光段的交叉部分，每组背投式哈特曼系统根据光线追迹，测量得到光线在该测量方向上不均匀介质场产生的线性位移，并根据多个测量方向上光线追迹的结果，结合相对应的反积分曲线三维重建算法，计算获得被测三维空间的非均匀介质场折射率的变化数据，进一步提高了测量的精确度和效率。
作为优选，通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜焦距，δ为影像的像素点在CCD相机的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑的像方焦点与CCD相机的成像屏幕之间的距离，L为投影屏与测量空间的射出端之间的距离。
作为优选，CCD相机与投影屏连接，CCD相机将拍摄并获得的影像传输至投影屏，影像显示在投影屏上。
作为优选，非均匀介质场包括由测量空间内部流动的液液混合介质或气液混合介质或空气介质产生的温度场和/或压力场，测量空间设有用于调节测量空间内部存在的温度场的温度调节装置，实现了对由于温度、压力、流动形成的非均匀介质场的测量，也实现了对由液液混合介质、气液混合介质、气体介质形成的不同的非均匀介质场的测量。其中，液液混合介质为油水混合液，气液混合介质为天然气和油的混合液，气体介质为空气气流或其他混合气体气流，压力场由液液混合流动或气液混合流动或气体流动产生；温度调节装置包括加热温控系统、恒温控制系统，恒定的温度场由温度调节装置提供。
基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，包括如下具体内容：
以投影屏上的每一个光点为点光源向测量空间射出球面入射光线，其中有一条与光轴形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间射出的平行于光轴的偏折光线射向透镜，透镜对平行于光轴的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑进行筛选并汇聚在CCD相机上，CCD相机对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像；通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定投影屏上的光点通过非均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜焦距，δ为影像的像素点在CCD相机的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑的像方焦点与CCD相机的成像屏幕之间的距离，L为投影屏与测量空间的射出端之间的距离。
作为优选，彩色三步移相法基于三步移相法，彩色三步移相法包括如下具体内容：
将调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6通过亮度分区分别调制到彩色RGB的R、G、B三个不同通道中，使投影屏和CCD相机上的彩色RGB的R、G、B三个不同的通道分别在横向和纵向两个方向上各自输出和采集三个相位影像并获得三个相位信息，CCD相机将三个相位信息传输至投影屏；通过公式(D)计算CCD相机采集的RGB三通道信息M＝[RGB]'，RGB三通道信息M与实际的RGB三通道信息N＝[rgb]'由转换矩阵A和背景矩阵M0＝[R0G0B0]'通过公式(E)实现转换；依据计算得到的实际的RGB三通道信息N，最终实现瞬态折射特性测量；其中，投影屏显示三个不同相位移的余弦波，在横向和纵向两个方向上各自的三个不同相位移的余弦波的调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6分别通过公式(F)、公式(G)计算得到；分别通过公式(H)、公式(I)对CCD相机采集的三个相位影像进行计算并得到每一个像素的相位信息，对得到的每一个像素的相位信息与投影屏上显示的三个不同相位移的余弦波条纹进行对比，从而确定投影屏上的光点通过不均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；公式(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)分别如下所示：
M＝A·N+M0 (E)，
其中，I'(x,y)为背景灰度值，I”(x,y)为调制灰度值；
其中，φ1(x,y)、φ2(x,y)均为相位信息。
作为优选，反积分曲线三维重建算法包括如下具体内容：建立以非均匀介质场的折射率分布为变量的病态矩阵，然后对病态矩阵进行求解，从而将重建问题转换为病态矩阵的求解问题；其中，通过对公式(C)进行变形和离散之后得到如公式(J)所示的病态矩阵：
T＝WDS2 (J)，
其中T为影像像点的位移信息矩阵，表征与均匀介质场相比的测量光线通过非均匀介质场产生的位移量，直接由影像的对应关系获得；W为模型系数矩阵，通过直接体重建策略下的模型系数计算方法获得，拟采用蒙特卡洛方法，把其看作是求体元空间内的任意一点落在光束内的概率，则可以直接在体元空间内进行大量的随机采样，依据采样点和光束的空间位置关系，进而计算样本空间内采样点落在光束内的概率，当样本数量足够大时，认为此概率值为模型系数；D为待求解的折射率变化向量矩阵；S2是投影矩阵，将三维轨迹投影到距离的偏移上；公式(J)的计算方法具体可以采用加法代数重建、乘法代数重建或滤波反投影重建算法进行求解，实现三维非均匀介质场的重建。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：采用彩色三步移相法，结合三维非均匀介质场的反积分曲线三维重建算法，通过投影屏和远心光学系统的组合设置，实现了对非均匀介质场的测量光线的准确追迹及对三维空间折射率的瞬态折射特性测量，大大提高了测量精确度和效率；并且该系统整体设计精密，测量精度高，成本较低，应用范围广，具有重要的理论意义和工程应用价值，适合推广应用。
附图说明
图1为采用传统的哈特曼方法的测量系统的结构示意图。
图2为本发明的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统的测量原理实施例的结构示意图。
图3为本发明的由4组投影屏、透镜、物方远心光阑、CCD相机构成的背投式哈特曼测量系统实施例的结构示意图。
图4为本发明的投影屏在横向方向上显示的-2π/3相位影像。
图5为本发明的投影屏在横向方向上显示的0相位影像。
图6为本发明的投影屏在横向方向上显示的2π/3相位影像。
图7为本发明的投影屏在纵向方向上显示的-2π/3相位影像。
图8为本发明的投影屏在纵向方向上显示的0相位影像。
图9为本发明的投影屏在纵向方向上显示的2π/3相位影像。
图10为本发明的投影屏显示的由图4、5、6、7、8、9合成的RGB彩色相位影像。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，如图2、3所示，包括内部存在非均匀介质场的测量空间3、用于向测量空间3射出球面入射光线的投影屏2、用于对投影屏2上的光点射出的球面入射光线穿透测量空间3内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴1的偏折光线进行筛选并汇聚成影像的物方远心光学系统，测量空间3位于投影屏2与物方远心光学系统之间；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定影像的光学折射特性和对应关系；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间3内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据。
本实施例中，物方远心光学系统包括用于对从测量空间3射出的偏折光线进行折射的透镜4、用于对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像的CCD相机6、用于对透镜4射出的偏折光线进行筛选并汇聚在CCD相机6上的物方远心光阑5，透镜4位于测量空间3与物方远心光阑5之间，物方远心光阑5位于透镜4与CCD相机6之间，投影屏2、测量空间3、透镜4、物方远心光阑5、CCD相机6均以光轴1为中心轴线并依次正对排列设置。本发明中，以投影屏上的每一个光点为点光源向测量空间射出球面入射光线，其中有一条与光轴形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间射出的平行于光轴的偏折光线射向透镜，透镜对平行于光轴的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑进行筛选并汇聚在CCD相机上，CCD相机对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像，即：通过投影屏上的光点射出的球面入射光线依次经过测量空间、透镜的两次折射由物方远心光阑对偏折光线进行筛选并汇聚在CCD相机上，使得CCD相机对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像，与图1所示的传统的哈特曼方法相比，本实施例采用投影屏、透镜、物方远心光阑、CCD相机组合的光学设计代替了哈特曼屏8，限制了成像光线的轨迹，实现了光线的快速追迹。
本实施例中，还包括测量圆环7，投影屏2、透镜4均设在测量圆环7的内壁上，测量空间3为与测量圆环7同心设置的圆形区域，圆形区域的半径小于测量圆环7的半径，光轴1穿过测量圆环7和圆形区域的圆心，投影屏2与透镜4以圆心为中心呈对称设置。
本实施例中，投影屏2、透镜4、物方远心光阑5、CCD相机6由4组构成，4组投影屏2、透镜4、物方远心光阑5、CCD相机6沿测量圆环7的360度环形方向均匀分布。
本实施例中，通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴1方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜4焦距，δ为影像的像素点在CCD相机6的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑5的像方焦点与CCD相机6的成像屏幕之间的距离，L为投影屏2与测量空间3的射出端之间的距离。
本实施例中，CCD相机6与投影屏2连接，CCD相机6将拍摄并获得的影像传输至投影屏2，影像显示在投影屏2上。
本实施例中，非均匀介质场包括由测量空间3内部流动的液液混合介质或气液混合介质或空气介质产生的温度场和/或压力场，测量空间3设有用于调节测量空间3内部存在的温度场的温度调节装置。
基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，包括如下具体内容：
以投影屏2上的每一个光点为点光源向测量空间3射出球面入射光线，其中有一条与光轴1形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间3内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴1的偏折光线，从测量空间3射出的平行于光轴1的偏折光线射向透镜4，透镜4对平行于光轴1的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑5进行筛选并汇聚在CCD相机6上，CCD相机6对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像；通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定投影屏2上的光点通过非均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间3内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴1方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜4焦距，δ为影像的像素点在CCD相机6的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑5的像方焦点与CCD相机6的成像屏幕之间的距离，L为投影屏2与测量空间3的射出端之间的距离。
本实施例中，彩色三步移相法包括如下具体内容：
将调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6通过亮度分区分别调制到彩色RGB的R、G、B三个不同通道中，使投影屏2和CCD相机6上的彩色RGB的R、G、B三个不同的通道分别在横向和纵向两个方向上各自输出和采集三个相位影像并获得三个相位信息，CCD相机6将三个相位信息传输至投影屏2；通过公式(D)计算CCD相机6采集的RGB三通道信息M＝[RGB]'，RGB三通道信息M与实际的RGB三通道信息N＝[rgb]'由转换矩阵A和背景矩阵M0＝[R0G0B0]'通过公式(E)实现转换；依据计算得到的实际的RGB三通道信息N，最终实现瞬态折射特性测量；其中，投影屏2显示三个不同相位移的余弦波，在横向和纵向两个方向上各自的三个不同相位移的余弦波的调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6分别通过公式(F)、公式(G)计算得到，在横向和纵向两个方向上各自的三个不同相位移的余弦波分别如图4、5、6、7、8、9所示，由图4、5、6、7、8、9合成的RGB彩色相位影像为如图10所示的2π/3间距相位影像；分别通过公式(H)、公式(I)对CCD相机6采集的三个相位影像进行计算并得到每一个像素的相位信息，对得到的每一个像素的相位信息与投影屏2上显示的三个不同相位移的余弦波条纹进行对比，从而确定投影屏2上的光点通过不均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；公式(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)分别如下所示：
M＝A·N+M0 (E)，
其中，I'(x,y)为背景灰度值，I”(x,y)为调制灰度值；
其中，φ1(x,y)、φ2(x,y)均为相位信息。
本实施例中，反积分曲线三维重建算法包括如下具体内容：建立以非均匀介质场的折射率分布为变量的病态矩阵，然后对病态矩阵进行求解，从而将重建问题转换为病态矩阵的求解问题；其中，通过对公式(C)进行变形和离散之后得到如公式(J)所示的病态矩阵：
T＝WDS2 (J)，
其中T为影像像点的位移信息矩阵，W为模型系数矩阵，D为待求解的折射率变化向量矩阵，S2是投影矩阵。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：包括内部存在非均匀介质场的测量空间(3)、用于向测量空间(3)射出球面入射光线的投影屏(2)、用于对投影屏(2)上的光点射出的球面入射光线穿透测量空间(3)内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴(1)的偏折光线进行筛选并汇聚成影像的物方远心光学系统，测量空间(3)位于投影屏(2)与物方远心光学系统之间；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定影像的光学折射特性和对应关系；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间(3)内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据。
2.根据权利要求1所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：物方远心光学系统包括用于对从测量空间(3)射出的偏折光线进行折射的透镜(4)、用于对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像的CCD相机(6)、用于对透镜(4)射出的偏折光线进行筛选并汇聚在CCD相机(6)上的物方远心光阑(5)，透镜(4)位于测量空间(3)与物方远心光阑(5)之间，物方远心光阑(5)位于透镜(4)与CCD相机(6)之间，投影屏(2)、测量空间(3)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)均以光轴(1)为中心轴线并依次正对排列设置。
3.根据权利要求2所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：还包括测量圆环(7)，投影屏(2)、透镜(4)均设在测量圆环(7)的内壁上，测量空间(3)为与测量圆环(7)同心设置的圆形区域，圆形区域的半径小于测量圆环(7)的半径，光轴(1)穿过测量圆环(7)和圆形区域的圆心，投影屏(2)与透镜(4)以圆心为中心呈对称设置。
4.根据权利要求3所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：投影屏(2)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)由4-8组构成，4-8组投影屏(2)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)沿测量圆环(7)的360度环形方向均匀分布。
5.根据权利要求2或3或4所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴(1)方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜(4)焦距，δ为影像的像素点在CCD相机(6)的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑(5)的像方焦点与CCD相机(6)的成像屏幕之间的距离，L为投影屏(2)与测量空间(3)的射出端之间的距离。
6.根据权利要求5所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：CCD相机(6)与投影屏(2)连接，CCD相机(6)将拍摄并获得的影像传输至投影屏(2)，影像显示在投影屏(2)上。
7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：非均匀介质场包括由测量空间(3)内部流动的液液混合介质或气液混合介质或空气介质产生的温度场和/或压力场，测量空间(3)设有用于调节测量空间(3)内部存在的温度场的温度调节装置。
8.基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：包括如下具体内容：
以投影屏(2)上的每一个光点为点光源向测量空间(3)射出球面入射光线，其中有一条与光轴(1)形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间(3)内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间(3)射出的平行于光轴(1)的偏折光线射向透镜(4)，透镜(4)对平行于光轴(1)的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑(5)进行筛选并汇聚在CCD相机(6)上，CCD相机(6)对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像；通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定投影屏(2)上的光点通过非均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间(3)内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：
其中，z为光轴(1)方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜(4)焦距，δ为影像的像素点在CCD相机(6)的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑(5)的像方焦点与CCD相机(6)的成像屏幕之间的距离，L为投影屏(2)与测量空间(3)的射出端之间的距离。
9.根据权利要求8所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：彩色三步移相法包括如下具体内容：
将调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6通过亮度分区分别调制到彩色RGB的R、G、B三个不同通道中，使投影屏(2)和CCD相机(6)上的彩色RGB的R、G、B三个不同的通道分别在横向和纵向两个方向上各自输出和采集三个相位影像并获得三个相位信息，CCD相机(6)将三个相位信息传输至投影屏(2)；通过公式(D)计算CCD相机(6)采集的RGB三通道信息M＝[RGB]'，RGB三通道信息M与实际的RGB三通道信息N＝[rgb]'由转换矩阵A和背景矩阵M0＝[R0G0B0]'通过公式(E)实现转换；依据计算得到的实际的RGB三通道信息N，最终实现瞬态折射特性测量；其中，投影屏(2)显示三个不同相位移的余弦波，在横向和纵向两个方向上各自的三个不同相位移的余弦波的调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6分别通过公式(F)、公式(G)计算得到；分别通过公式(H)、公式(I)对CCD相机(6)采集的三个相位影像进行计算并得到每一个像素的相位信息，对得到的每一个像素的相位信息与投影屏(2)上显示的三个不同相位移的余弦波条纹进行对比，从而确定投影屏(2)上的光点通过不均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；公式(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)分别如下所示：
M＝A·N+M0 (E)，
其中，I'(x,y)为背景灰度值，I”(x,y)为调制灰度值；
其中，φ1(x,y)、φ2(x,y)均为相位信息。
10.根据权利要求8或9所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：反积分曲线三维重建算法包括如下具体内容：建立以非均匀介质场的折射率分布为变量的病态矩阵，然后对病态矩阵进行求解，从而将重建问题转换为病态矩阵的求解问题；其中，通过对公式(C)进行变形和离散之后得到如公式(J)所示的病态矩阵：
T＝WDS2 (J)，
其中T为影像像点的位移信息矩阵，W为模型系数矩阵，D为待求解的折射率变化向量矩阵，S2是投影矩阵。
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