CN110726696B - 一种流动气体纹影成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种流动气体纹影成像方法，所述方法包括：生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成有效测量区域，所述有效测量区域划包括若干的子区域，其中，所述有效测量区域垂直于具有二氧化碳的待测量流动气体；获取通过所述子区域的平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的比值确定通过所述待测量流动气体的折射梯度以生成流动气体的纹影成像。本申请的流动气体纹影成像方法及系统可以实现垂直气体流动方向截面的光强比值分布显示，可实现瞬态测量，可实时显示由气体流动引起的光强比值变化，以实现光强比值变化(折射率梯度变化)的精细显示和实现实现高空间分辨率显示。
Description
技术领域
本申请属于气体成像技术领域，特别涉及一种流动气体纹影成像方法及系统。
背景技术
纹影成像技术是基于流动气体的折射梯度，造成光的折射引起的光强变化而成像，其实质是压力变化引起了气体密度变化，因气体密度变化引起的折射率变化造成光强分布变化。
而传统的纹影成像技术，仅能在观察点看到折射率梯度造成的光强分布图，仅能观测气流整体定性结果，无法观察垂直气流平面某一区域的定性结果，而不能细致观察流体内部光强分布，无法显示垂直气流方向平面的纹影图像，无法显示垂直气流方向平面的光强分布图像。此外，现有技术中的纹影技术通常采用纳黄光，谱线范围宽，需用刀口“切割”被测光线，以至于设备较大不利于拆装，且成像的时间分辨率不高。
发明内容
本申请的目的是提供了一种流动气体纹影成像方法及系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
在一方面，本申请提供的技术方案是：一种流动气体纹影成像方法，所述方法包括：
生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成有效测量区域，所述有效测量区域划包括若干的子区域，其中，所述有效测量区域垂直于具有二氧化碳的待测量流动气体；
获取通过所述子区域的平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的比值确定通过所述待测量流动气体的折射梯度以生成流动气体的纹影成像。
在本申请方法的一实施方式中，所述平面光束为红外光。
在本申请方法的一实施方式中，所述入射光强和出射光强的比值具有如下关系：
式中，Iλe为出设光强，Iλ0为入射光强，βλ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程。
在另一方面，本申请提供的技术方案是：一种流动气体纹影成像系统，所述系统包括：
至少两个平面光束形成装置，所述平面光束形成装置用于生成平面光束且使生成的平面光束平行汇聚以形成有效测量区域，所述有效测量区域包括若干子区域，其中，所述有效测量区域垂直于具有二氧化碳的待测量流动气体；
数据处理及成像装置，用于获取所述平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的比值确定通过所述待测量流动气体的折射梯度以生成流动气体的纹影成像。
在本申请系统的一实施方式中，所述平面光束形成装置包括：
光源发射模块，所述光源发射模块用于产生并发射光源；以及
片光调节模块，所述片光调节模块用于将光源进行散射以形成平面光束。
在本申请系统的一实施方式中，所述光源发射模块发生的光源为激光。
在本申请系统的一实施方式中，所述所述光源发射模块发生的激光为红外光源。
在本申请系统的一实施方式中，所述入射光强和出射光强的比值具有如下关系：
式中，Iλe为出设光强，Iλ0为入射光强，βλ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程。
在本申请系统的一实施方式中，所述数据处理及成像装置生成流动气体纹影成像采用红外热成像方式。
本申请的流动气体纹影成像方法及系统可以实现垂直气体流动方向截面的光强比值分布显示，可实现瞬态测量，可实时显示由气体流动引起的光强比值变化，以实现光强比值变化(折射率梯度变化)的精细显示和实现实现高空间分辨率显示。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的流动气体纹影成像方法方法流程图。
图2为本申请的流动气体纹影成像系统组成图。
图3为本申请的有效测量区域划分的子区域示意图。
图4为本申请一实施例的有效测量区域划分及成像效果示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了使本申请的技术方案更加易于理解，在以下阐述中将结合本申请的方法及本申请的系统一起进行阐述。
如图1所示，本申请提供的流动气体纹影成像方法100包括如下步骤：
步骤110：生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成有效测量区域，所述有效测量区域划包括若干的子区域，其中，所述有效测量区域垂直于具有二氧化碳的待测量流动气体。
为了生成上述方法中所述的至少两个平面光束，本申请的系统中提供了至少两个平面光束形成装置210，平面光束形成装置210用于生成平面光束，且每个平面光束形成装置210生成的平面光束相互平行且汇聚以形成一有效测量区域230。有效测量区域230大体上垂直于具有二氧化碳的待测量流动气体的流向。
如图2所示实施例中示例性的给出了三组平面光束形成装置210作为例子，实际应用中，平面光束形成装置210仅需两个便可以工作，当提升平面光束形成装置210的数量时，可以提高流动气体纹影成像的空间分辨率。
在本申请的系统中，平面光束形成装置210包括光源发射模块211以及片光调节模块212，其中，光源发射模块211用于产生并发射光源，光调节模块212用于将光源进行散射以形成平面光束。
进一步地，片光调节模块212包括第一调节模块2121及第二调节模块2122，第一调节模块2121将较细的光源进行拓展扩大以形成较大面积的光源，第二调节模块2122将扩大后的光源进行平行约束并输出，使其形成平面的光束。
在一些实施例中，片光调节模块212通常为透明材质制成的光学元件，例如由玻璃或水晶制成的透镜。
为了使光源易于控制及具有较好的成像效果，本申请中的光源采用激光光源，即光源发射模块211为激光发射类设备。为了保证发射光强的稳定性，本申请中采用谱线线宽较窄的连续激光。为了保证输出波长具有较窄的线宽，上述光源折射模块212采用反射光栅以实现波长调节功能。
在本申请中，上述光源为红外光源。
当本申请的系统中的多个平面光束形成装置210生成的平面光束经透镜组整形为平行片光后，同时汇聚于有效测量区域230。
如图3所示的子区域231，在测量时，将有效测量区域230划分为若干个子区域231，每个子区域231(或称体素)具有一定的厚度。在将有效测量区域230进行划分时，可以采用笛卡尔坐标系或极坐标系进行划分。
步骤120：获取通过所述子区域的平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强确定所述二氧化碳吸收系数以生成二氧化碳浓度的二维分布。
为能够实现流动气体纹影成像的解析，本申请的系统中提供数据处理及成像装置220，用于获取并记录平面光束的入射光强和出射光强，并根据入射光强和出射光强的比值确定通过流动气体的光的折射梯度以便可以生成流动气体的纹影成像。
需要说明的是，在本申请中具有如下物理假设的前提下才能够实现对纹影成像的解析计算处理：
1)假设每个体素内的气体成分为均匀分布，体素内的气体分子和跟随气体运动的杂质达到平衡态。
2)不定方程求解的最优化解(最小范数解)与气体流动能量最小化状态一致最优解与实际工程值比较接近。
纹影成像是基于流动气体的折射梯度，造成光的折射引起的光强变化成像，其实质是压力变化引起了气体密度的变化，气体密度变化引起的折射率变化造成光强分布变化进而成像。本申请的成像过程基于流动气体中二氧化碳对红外光的吸收，实现垂直气流方向的二氧化碳吸收系数分布显示。二氧化碳的吸收系数与被测区域的二氧化碳的密度有关，据此可以得到相邻体素间的光强比值。通过光强比值成像预知由折射率梯度造成的光强分布，即光强比值等高线图，等高线密集处为折射率梯度变化大的区域，借此可判断流体流动过程中产生激波的位置。
在体素内，被测区域的二氧化碳气体对红外光吸收造成的光强衰减满足Beer’s-Lambert定律。二氧化碳对4μm左右红外波长的光吸收较强，不同浓度的二氧化碳吸收系数为已知量。红外激光通过具有一定浓度的二氧化碳体素后，出射光强Iλe与体素的入射光强Iλ0满足指数衰减。衰减后的激光经过透镜后，入射到数据处理及成像装置220内进行成像。由于上述过程中使用的是红外光，因此本申请的数据处理及成像装置220采用红外热成像，例如红外CCD相机。
入射光强与出设光强的比值其是指是出射光强Iλe与体素的入射光强Iλ0的指数衰减，而二氧化碳吸收系数βλ与二氧化碳在体素内的浓度有关，其满足如下关系式：
Iλe＝Iλ0exp(-βλ△) (1)
式中，Iλe为出设光强，Iλ0为入射光强，βλ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程。
二氧化碳浓度分布重构计算采用MART算法(Multiplicative AlgebraicReconstruction Techniques)，MART算法可适用于梯度变化较大的二维重构计算。MART的解为最小范数解。假设该解满足最小能量原理并与实际的二氧化碳浓度分布一致。根据成阵列设置的数据处理及成像装置220像素个数，将被测区域划分成若干个体素。
如图4左图实施例中，有效测量区域230内采用极坐标系建立划分若干体素，体素内的参数βλ△为所求未知数。根据公式1可推得某个体素的入射光强和出射光强的关系满足下列公式2和公式3。对于某行/列的体素(图4箭头方向)的出射光强和入射光强的比值满足公式4，公式中n表示第n个体素(n与被测区域划分的体素个数有关，i∈n)。
对于每个数据处理及成像装置220所成的图像，都满足类似于公式4所示的方程。对每个数据处理及成像装置220所得到结果
通过迭代计算得到相应体素的βλi△i值。对于本申请中所采用的MART迭代计算过程，本处不在赘述，可参考相关文献。
△i与光所走的路程(即体素的大小)有关，由于体素的大小在划分时可为已知，即△i为已知量。据此可以求得βλi，如公式4所示，βλi与二氧化碳浓度C呈正相关(公式5)。据此可以重构推得被测截面内多个体素的二氧化碳浓度值分布。
βλ△∝C (5)
图4右图所示实施例为在采用左图的有效测量区域划分的情况下获得的数值模拟计算结果图。
本申请的流动气体纹影成像方法及系统可以实现垂直气体流动方向截面的光强比值分布显示，可实现瞬态测量，可实时显示由气体流动引起的光强比值变化，以实现光强比值变化(折射率梯度变化)的精细显示和实现实现高空间分辨率显示。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种流动气体纹影成像方法，其特征在于，所述流动气体为二氧化碳，所述方法包括：
生成至少两个平行的平面光束，并使所述平面光束汇聚形成有效测量区域，所述有效测量区域被划分为若干的子区域，其中，所述有效测量区域垂直于待测量的流动气体流动方向；
获取穿过所述子区域的平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的比值确定通过所述待测量流动气体的折射梯度以生成流动气体的纹影成像，其中所述入射光强和出射光强的比值具有如下关系：
式中，Iλe为出设光强，Iλ0为入射光强，βλ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程；
有效测量区域内采用极坐标系建立划分若干子区域，所述子区域又称为体素，体素内的参数βλ△为所求未知数；
根据入射光强和出射光强的比值公式推得某个体素的入射光强和出射光强的关系满足下列公式
和公式
对于某行或某列的体素的出射光强和入射光强的比值满足公式
公式中，n表示第n个体素，n与被测区域划分的体素个数有关，i∈n；对
通过迭代计算得到相应体素的βλi△i值；
△i与光所走的路程有关，即体素的大小，由于体素的大小在划分时为已知，即△i为已知量，据此能够求得二氧化碳吸收系数βλi，二氧化碳吸收系数βλi与二氧化碳浓度C呈正相关，满足βλ△∝C；
据此能够重构推得被测截面内多个体素的二氧化碳浓度值分布，即完成流动气体的纹影成像。
2.如权利要求1所述的流动气体纹影成像方法，其特征在于，所述平面光束为红外光。
3.一种流动气体纹影成像系统，其特征在于，所述系统包括
至少两个平面光束形成装置，所述平面光束形成装置用于生成平面光束且使生成的平面光束平行汇聚以形成有效测量区域，所述有效测量区域被划分为若干子区域，其中，所述有效测量区域垂直于待测量的流动气体流动方向；
数据处理及成像装置，用于获取穿过所述平面光束的入射光强和出射光强，并根据所述入射光强和出射光强的比值确定通过所述待测量流动气体的折射梯度以生成流动气体的纹影成像，所述入射光强和出射光强的比值具有如下关系：
式中，Iλe为出设光强，Iλ0为入射光强，βλ为二氧化碳吸收系数，△为光所走的路程；
其中，有效测量区域内采用极坐标系建立划分若干子区域，所述子区域又称为体素，体素内的参数βλ△为所求未知数；根据入射光强和出射光强的比值公式推得某个体素的入射光强和出射光强的关系满足下列公式
和公式
对于某行或某列的体素的出射光强和入射光强的比值满足公式
公式中n表示第n个体素，n与被测区域划分的体素个数有关，i∈n；对
通过迭代计算得到相应体素的βλi△i值；
△i与光所走的路程有关，即体素的大小，由于体素的大小在划分时为已知，即△i为已知量，据此能够求得二氧化碳吸收系数βλi，二氧化碳吸收系数βλi与二氧化碳浓度C呈正相关，满足βλ△∝C；据此能够重构推得被测截面内多个体素的二氧化碳浓度值分布。
4.如权利要求3所述的流动气体纹影成像系统，其特征在于，所述平面光束形成装置包括
光源发射模块，所述光源发射模块用于产生并发射光源；以及
片光调节模块，所述片光调节模块用于将光源进行散射以形成平面光束。
5.如权利要求4所述的流动气体纹影成像系统，其特征在于，所述光源发射模块发生的光源为激光。
6.如权利要求5所述的流动气体纹影成像系统，其特征在于，所述光源发射模块发生的激光为红外光源。
7.如权利要求3所述的流动气体纹影成像系统，其特征在于，所述数据处理及成像装置生成流动气体纹影成像采用红外热成像方式。
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| GR01 | Patent grant | ||
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