CN110207801A - 基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，包括爆震管、阴影光路系统、光纤传像束、高速摄像机、同步控制器和计算机；五套独立的“Z”型阴影光路系统同时对爆震管的燃烧过程进行测量，燃烧发出的光信号经光纤传像束传播到高速摄像机，同步控制器分别连接高速摄像机与爆震管点火头，高速摄像机的拍摄帧速与曝光时间由计算机设定后，按下同步控制器的触发按钮，点火和拍摄同步进行，并得到爆震波在五个方向的二维投影图像，最后通过层析成像技术重建出爆震波的三维结构。本发明可克服现有阴影法仅能得到爆震波沿某方向投影的二维结构，导致爆震发展过程分析准确性不足的缺陷，可应用于爆震基础研究领域。

Description

基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统

技术领域

本发明涉及一种基于阴影法的爆震波瞬态三维结构重建系统，属于爆震研究领域。

背景技术

在爆震研究领域中，爆震波的结构是学者们关注的重要参数之一。通过观察爆震波的结构，有助于研究者分析爆震的形成、传播、淬熄等机理，这对于脉冲爆震发动机的工程设计具有重要的指导意义。

在多种爆震研究技术中，阴影法是一种能有效观察激波或爆震波结构的方式，其原理为将一束光透过待测区域投射到接收装置上，若待测区内流体受到扰动，由于密度变化引起光线偏折，投射到接收装置后偏离原来的位置，形成暗纹；反之，若流体未受扰动，则接收装置上显示的亮度均匀。由于阴影法的光路简单、成本较低、操作方便，且能清晰捕捉到爆震波的瞬态结构，故被广泛应用于各种爆震光学测量场合。

然而，目前利用阴影法获取爆震波结构的报道中，均只采用一套光路系统，获得的爆震波仅为某个方向上投影的二维结果。而爆震波的本质为三维分布，通过二维的结构分析爆震的形成、传播等过程，不但限制了人们对于爆震波的深层次认识，还可能会增加分析过程的误差。因此，只有从爆震波的三维本质入手，才能更准确地分析出起爆、熄爆等过程的机理。

层析成像技术的出现为这一问题的解决提供了可行思路，即由多个相机从不同方向同时捕获爆震波发射的光信号，使用层析成像算法将这些二维投影重建出爆震波的三维结构。该技术的时空分辨率仅受限于高速摄像机的性能，与其他因素无关，故极其适用于捕获爆震波的瞬态结构。然而，目前仍没有将层析成像技术与阴影法相结合获取爆震波三维结构的报道。因此，基于层析成像技术的前提下，如何通过阴影法获取爆震波的三维结构显得尤为重要。

发明内容

针对现有阴影法仅能得到爆震波在某方向上的二维结构，影响爆震形成、传播等机理分析准确性的缺陷，本发明提出了一种爆震波三维结构的获取系统，通过布置多套独立的阴影光路，得到多个方向的爆震波二维结构投影，结合层析成像技术重建出爆震波的三维结构，有助于研究者对后期结果的详细分析。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，包括爆震管、阴影光路系统、光纤传像束、高速摄像机、同步控制器和计算机，其特征在于：采用“Z”型布局的阴影光路系统对爆震管的燃烧过程进行测量，光纤传像束将火焰信号从阴影光路的光学镜头传播到高速摄像机，在计算机的控制软件设定高速摄像机的拍摄帧速、曝光时间等参数后，按下同步控制器的触发按钮，点火和拍摄同步进行，由此得到爆震波在多个方向的二维投影图像，最后通过层析成像技术重建出爆震波的三维结构。

所述的爆震管为长80cm，内径3cm的有机玻璃直圆管，可透过光信号并被高速摄像机捕捉；爆震管的一端封闭，一端开口，封闭端上安装有点火头，用于燃料的点燃，开口端用于燃烧产物的排出；侧壁设计有燃料喷注入口，每次点火前均由此注入燃料。

所述的阴影光路系统数量为五套，彼此间相互独立，每一套均包括半导体激光器、凹透镜、两块凹面镜和光学镜头，按照“Z”型布局调节每个器件的位置；半导体激光器发射的激光穿过凹透镜后形成放射状光束，经第一块凹面镜反射后变成平行光，再由第二块凹面镜反射后变成收缩状光束并进入光学镜头，由此组成一套阴影光路系统；爆震管的待测区域放置于两块凹面镜之间的平行光区域中；为了提高阴影法的显示效果，激光和第一块凹面镜之间的光线，与两块凹面镜之间光线的夹角设置在10°左右；五套阴影光路系统中，通过待测区域的平行光束与爆震管y轴正方向的夹角分别调节至10°、50°、90°、130°及170°，即相邻两套阴影光路均以40°的角度位置等距布置，可从爆震管的多个方向记录爆震波的二维投影。

所述的光纤传像束为多根光纤集合成束的图像传输器件，每根光纤可以任意弯曲，其中一端为输入端，放置于每套阴影光路的光学镜头后，另外一端则装配到输出端，输出端再放置于所述的高速摄像机前，由此将火焰信号传输到高速摄像机内。

所述的同步控制器的两个信号输出端分别连接高速摄像机的触发端与爆震管的点火头，在所述的计算机的控制软件内设置高速摄像机拍摄的帧速、曝光时间等参数后，按下同步控制器的触发按钮，两个信号输出端同时输出信号，保证高速摄像机的拍摄与点火头的工作同步进行，由此记录下五个方向的瞬时火焰阴影图像，最后通过层析成像技术重建出不同时刻对应的爆震波瞬态三维结构。

有益效果：采用本发明提供的爆震波三维结构重建系统，通过五套互相独立的阴影光路获得五个方向上的爆震波二维投影，后期将这些二维图像通过软件及数学上的处理即可得到爆震波的三维结构，有助于直观观察出爆震波从生成到传播的全过程，为爆震基础研究提供实验系统支持。

附图说明

图1为本发明基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统的平面俯视图。

图2为爆震管的三维结构示意图。

其中，1为爆震管，2为半导体激光器一，3为凹透镜一，4为凹面镜一，5为凹面镜二，6为光学镜头一，7为半导体激光器二，8为凹透镜二，9为凹面镜三，10为凹面镜四，11为光学镜头二，12为半导体激光器三，13为凹透镜三，14为凹面镜五，15为凹面镜六，16为光学镜头三，17为半导体激光器四，18为凹透镜四，19为凹面镜七，20为凹面镜八，21为光学镜头四，22为半导体激光器五，23为凹透镜五，24为凹面镜九，25为凹面镜十，26为光学镜头五，27为光纤传像束，28为高速摄像机，29为同步控制器，30为计算机，31为点火头，32为燃料喷注入口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

参见图1，五套独立的阴影光路系统以40°等角度间距布置在爆震管1周围，大角度间距可减少各方向的二维阴影图像的火焰重叠性，保证后期爆震波三维结构重建结果的准确性。其中，第一套阴影光路系统由半导体激光器一2、凹透镜一3、凹面镜一4、凹面镜二5和光学镜头一6组成，第二套阴影光路系统由半导体激光器二7、凹透镜二8、凹面镜三9、凹面镜四10和光学镜头二11组成，第三套阴影光路系统由半导体激光器三12、凹透镜三13、凹面镜五14、凹面镜六15和光学镜头三16组成，第四套阴影光路系统由半导体激光器四17、凹透镜四18、凹面镜七19、凹面镜八20和光学镜头四21组成，第五套阴影光路系统由半导体激光器五22、凹透镜五23、凹面镜九24、凹面镜十25和光学镜头五26组成，每套阴影光路系统采用“Z”型方式布置，采用的半导体激光器均为532nm连续型激光，能量为500mW；采用的光学镜头均为Nikon 35mm f/1.4D定焦镜头，实验过程始终将光圈调节为f1.4，增加进光量；另外，各器件的高度、俯仰角严格维持一致，使每套阴影系统的测量区域均在同一高度，减少重建过程的误差。

光纤传像束27的五根光纤分别放置于光学镜头一6、光学镜头二11、光学镜头三16、光学镜头四21和光学镜头五26后方，光学镜头一6、光学镜头二11、光学镜头三16、光学镜头四21和光学镜头五26透过的光信号分别进入到五根光纤的输入端，再从输出端传出。高速摄像机28正对光纤传像束27的输出端，记录爆震管1不同时刻下的火焰发展状况。可以看到，采用光纤传像束27可极大降低实验系统搭建的成本，光纤传像束27的引入，使实验系统仅需要一台高速摄像机28便可以同时记录五套阴影系统的信号，若采用传统的阴影系统搭建方法，则需要五台高速摄像机28，且多台高速摄像机28的同步拍摄也是一大难题，而光纤传像束27的使用有效解决这些难题。

参见图2，爆震管1为一根内径3cm，长80cm的有机玻璃圆管，整体为透明结构，可透过光信号并被高速摄像机28捕捉。其中，爆震管1的左端封闭，安装有点火头31，用作燃料的点燃，而右端为开口结构，每次燃烧结束后用于燃烧产物的排出，侧壁还设计有燃料喷注入口32，距离封闭端40mm，燃料由此处注入到爆震管1内。

每次点火前，通过计算机30内的控制软件将高速摄像机28的拍摄帧速和曝光时间分别调节至200kHz和1μs，以极高的时间分辨率记录爆震波在不同时刻下，五个方向的二维投影结构。同步控制器29的两个信号输出端口分别连接高速摄像机28的触发端与点火头31，按下同步控制器29的触发按钮，两个信号输出端同时输出信号，使拍摄与点火同步进行，由此记录下五个方向的瞬时火焰阴影图像。

最后通过层析成像技术重建出爆震波的瞬态三维结构，其原理为在Fortran语言及ART迭代算法的基础上编写重建算法，将前述五个角度方向数据及对应的二维阴影图像矩阵导入到重建算法中，并进行迭代计算，由此得到爆震波的阴影三维重建结果，最后利用MATLAB软件对此三维结果进行可视化及一系列后处理，即可在三维层面上直观展现爆震波的内部结构，方便用于起爆、爆震传播等过程的分析。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (5)

1.基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，包括爆震管、阴影光路系统、光纤传像束、高速摄像机、同步控制器和计算机，其特征在于：采用“Z”型布局的阴影光路系统对爆震管的燃烧过程进行测量，火焰信号通过光纤传像束传播到高速摄像机，在计算机的控制软件设定高速摄像机的拍摄帧速、曝光时间等参数后，按下同步控制器的触发按钮，点火和拍摄同步进行，由此得到爆震波在多个方向的二维投影图像，最后通过层析成像技术重建出爆震波的三维结构。

2.根据权利要求1所述的基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，其特征在于：所述的爆震管为长80cm，内径3cm的有机玻璃直圆管，可透过光信号并被高速摄像机捕捉；爆震管的一端封闭，一端开口，封闭端上安装有点火头，用于燃料的点燃，开口端用于燃烧产物的排出；侧壁设计有燃料喷注入口，每次点火前均由此注入燃料。

3.根据权利要求1或2所述的基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，其特征在于：所述的阴影光路系统数量为五套，彼此间相互独立，每一套均包括半导体激光器、凹透镜、两块凹面镜和光学镜头，按照“Z”型布局调节每个器件的位置；半导体激光器发射的激光穿过凹透镜后形成放射状光束，经第一块凹面镜反射后变成平行光，再由第二块凹面镜反射后变成收缩状光束并进入光学镜头，由此组成一套阴影光路系统；爆震管的待测区域放置于两块凹面镜之间的平行光区域中；为了提高阴影法的显示效果，激光和第一块凹面镜之间的光线，与两块凹面镜之间光线的夹角设置在10°左右；五套阴影光路系统中，通过待测区域的平行光束与爆震管y轴正方向的夹角分别调节至10°、50°、90°、130°及170°，即相邻两套阴影光路均以40°的角度位置等距布置，可从爆震管的多个方向记录爆震波的二维投影。

4.根据权利要求1或3所述的基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，其特征在于：所述的光纤传像束为多根光纤集合成束的图像传输器件，每根光纤可以任意弯曲，其中一端为输入端，放置于每套阴影光路的光学镜头后，另外一端则装配到输出端，输出端再放置于所述的高速摄像机前，由此将火焰信号传输到高速摄像机内。

5.根据权利要求1或4所述的基于阴影技术的爆震波三维结构重建系统，其特征在于：所述的同步控制器的两个信号输出端分别连接高速摄像机的触发端与爆震管的点火头，在所述的计算机的控制软件内设置高速摄像机拍摄的帧速、曝光时间等参数后，按下同步控制器的触发按钮，两个信号输出端同时输出信号，保证高速摄像机的拍摄与点火头的工作同步进行，由此记录下五个方向的瞬时火焰阴影图像，最后通过层析成像技术重建出不同时刻对应的爆震波瞬态三维结构。