CN112504976A - 一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，包括摄像机、镜头、光学调整架、激光器、倾斜反射镜、光学平板、二维旋转升降台、移动基座、计算机数据采集与处理系统、照明光源和背景幕。采用激光器为照明光源，角反射阵列、微晶棱镜反光膜或自然目标背景为合作目标，综合激光阴影、背景纹影技术原理，实现大气流场的二维成像探测和透明流体的流动显示和定量化测量。本发明的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，硬件简单易实现、算法速度快、精度高、准实时、室内室外均可应用、视场大小和探测距离不受限、功能多样、应用广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及大气光学和流体探测技术领域，特别是涉及一种用于大气流场流动显示 和定量化测量的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法。
背景技术
大气是一种透明的流体，在地球上广泛存在并且与人类的生存及生产活动密切相关。大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水气和 污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度。大气湍流运动规 律是物理学、气象学、天文学以及工农业生产所普遍关心却尚未完好解决的科学难题， 仍然需要发展先进测量手段加以解决。
针对大气流场流动特性的测量，人们研发了一系列测量设备，如气象领域的风杯、超声风速计、微波/激光多普勒测风雷达和示踪粒子测速技术PIV系统等。阴影与纹影技 术属于古老的透明流体观测技术，可以追溯到17世纪。时至今日，并未因为其历史悠久 而停止发展，相反地，各种新理论和新技术的出现，在不断地拓展阴影与纹影系统的指 标性能和应用领域。
阴影法是将一束光透过流动试验区投射到屏幕上，若试验区内流体未扰动，密度均 匀，则屏幕上亮度均匀；若流体受到扰动，则由于密度变化引起光线偏折，投射到屏幕后偏离原来的位置，将出现暗纹。纹影法又称纹影技术，是用纹影仪系统进行流场显示 和测量的最常用的光学方法。纹影法是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的 气流密度进行测量，广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及 风洞或水洞流场。纹影和阴影技术在原理上比较相似，都是利用非均匀空气介质的光折 射原理来观察其中不均匀的运动，如显示其中的密度涨落和激波等，还可以对某些物理 量如流速、流向及折射率变化等进行定量化的测量。发展该技术对于流场测量及相关学 科领域的科学研究和工程设计均有很大帮助。
随着激光的出现，诞生了激光阴影技术。随着高性能计算机的发展和普及，出现了依赖数字图像处理软件技术的背景纹影技术。因此，阴影和纹影技术逐步从实验室的原 理研究走向风洞测量和工业生产检测，进一步被应用于高超音速飞行器的激波探测和飞 行诊断，呈现出日益广泛的应用前景。阴影与纹影技术的测量原理依靠透明介质中非均 匀的折射率分布，就空气而言，在近似条件下，其折射率n与密度ρ之间有简单的线性 关系，即n-1＝Gρ，其中G为Gladstone-Dale常数。根据非均匀介质中的光传播理论，可 以证明由于光的折射所导致的光线弯曲偏转角ε，在横截面x,y平面内与折射率梯度成 正比，即：
对于阴影成像(如图1所示)技术，如果照明区域内空气无流动，光线将均匀地照亮屏幕。如果空气内部存在流动就必然导致折射率涨落，有些光线就会被偏折ε角度或 偏移Δa的距离而离开原来位置，进而叠加到其它位置上产生明暗不一的阴影。如果空 气流场各处对光线的偏折角一致，那么一个区域被移走的光线会被另一个区域移来的光 线填补，最终会看不到阴影。因此，影法依赖于空气流场中折射率分布的二阶导数即 
或
对于背景纹影成像技术(如图2所示)，则是利用背景图像的纹 理经过流场后发生的位置变化来感知流场的流动，其位移直接正比于折射率的一阶导数 即
或
现有的阴影和纹影系统大多用于实验室内或风洞内数厘米至数米范围内的流场或 激波的成像探测。受传统方法和技术条件的限制，无法实现自由大气中数百米至数百公里尺度上大气湍流场的探测，更不具备大气光学湍流、透过率和空间激波波形的定量化 综合测量功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测 方法，以实现自由空间大气湍流场的可视化和定量化成像探测。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。
一种多功能大气流场二维成像探测装置，其结构特点是，包括摄像机1、镜头2、 光学调整架10、激光器11、倾斜反射镜12、光学平板6、二维旋转升降台7、移动基 座8、计算机数据采集与处理系统9、照明光源3和背景幕402；
所述二维旋转升降台7设置于所述移动基座8之上；所述光学平板6位于所述二维旋转升降台7的台面上；
所述光学调整架10、激光器11和倾斜反射镜12均位于所述光学平板6上，且所 述光学调整架10、激光器11和倾斜反射镜12依次设置；
所述摄像机1和镜头2均位于所述光学调整架10上。
所述摄像机1为数字CCD摄像机。
所述镜头2采用变焦镜头。
所述激光器11为可调节发散角的可见光激光器。
所述移动基座8包括底板81和多个支脚82，所述每个支脚包括一个支脚高度调整装置83；
所述支脚高度调整装置83沿着所述底板81的厚度方向穿过所述底板81，所述支脚82位于所述支脚高度调整装置83的下端部。
所述二维旋转升降台7包括多个支柱71，所述支柱71设置于所述移动基座8上；
所述多个支柱71的顶端设置有第一顶板72；所述第一顶板72之上设置有多个精密导轨73；
所述多个精密导轨73的顶端设置有第二顶板75，所述第二顶板75之上设置有俯仰角调整装置76、俯仰角锁紧装置77和方位角调整装置78；
所述俯仰角锁紧装置77的顶端设置有用于安装所述光学平板6的安装板79，所述光学平板6设置于所述安装板79之上。
一种多功能大气流场二维成像探测方法，采用激光阴影法测量大气光学湍流参数的 过程包括如下步骤：
步骤1：移动移动基座8并固定，调整旋转升降台7；打开计算机数据采集与处理 系统和激光器；
步骤2：激光器发出的圆形高斯光束经过大气湍流场后到达背景幕，经背景幕上的微晶棱镜反光膜反射后返回发射端，被摄像机1探测到并转换为数字图像信号；
步骤3：统计激光光斑的能量分布，获得光斑质心位置(xc,yc)；
光斑质心位置(xc,yc)计算过程如公式(1)所示。
M为像元数，i,j为小于M的整数；I为某一像元上的光强；
步骤4：计算质心像元上的光强I(xc,yc)的归一化起伏方差
并将该起伏方差作为闪烁指数输出；
步骤5：以质心为圆心，计算若干不同直径D的圆域内的光强均值的闪烁指数
采用多项式拟合法得出孔径平均因子A和理想点的闪烁指数
步骤6：根据湍流强度
点闪烁指数
路径距离L之间的函数关系式，计 算得出光学湍流强度
湍流强度
点闪烁指数
路径距离L之间的函数关系式如公式(2)。
其中
为光学湍流强度，用大气折射率结构常数表示；路径距离L是图1和图2 中光源与背景幕或者投影幕之间的间距。k＝2*pi/波长，是激光的波数。
步骤7：根据平均因子A、湍流内尺度l0和直径D间的函数关系式，计算得出湍流 内尺度l0。
一种多功能大气流场二维成像探测方法，采用激光阴影法测量大气透过率的过程包 括如下步骤：
步骤S1：移动移动基座(8)并固定，调整旋转升降台(7)；打开计算机数据采 集与处理系统和激光器；
步骤S2：利用积分球对CCD相机进行绝对辐射定标，得出定标系数η＝E/DN； 其中E为激光能量，DN为图像灰度值；
步骤S3：利用光功率计测出初始激光束的能量E1；
步骤S4：根据定标系数，计算出CCD摄像机在靶面上探测到的激光能量
步骤S5：将能量E2和能量E1相除，再除以光学系统本身的透过率To，即得到单程 传输的大气透过率Ta。
本发明的有益效果是：
本发明的一种包括摄像机、镜头、光学调整架、激光器、倾斜反射镜、光学平板、 二维旋转升降台、移动基座、计算机数据采集与处理系统、照明光源和背景幕。采用激 光器为照明光源，角反射阵列、微晶棱镜反光膜或自然目标背景为合作目标，综合激光 阴影、背景纹影技术原理，实现大气流场的二维成像探测和透明流体的流动显示和定量 化测量。该装置探测距离远近可调、探测视场大小可调，主要用于透明空气中的流动显 示、大气湍流和大气透过率参数的定量化测量以及大气层中激波波形的在线探测。
本发明装置如果仅用于大气流场的流动显示，CCD相机的采样频率需达到或超过24帧/秒，以实现视觉无停顿；如果用于自然大气湍流场的定量测量，CCD相机的采样 频率需达到1000帧/秒及以上，以获取湍流场完整的频率特性；如果用于超音速飞行器 的激波探测，应根据相机视场、目标飞行速度等参量间的几何关系以及背景亮度等，确 定合适的帧频。
在上述装置中，采用多线程并行运算和GPU运算相结合的方法，尽可能提高图像运算的速度，实现纹影图像采集和流场显示结果输出的准实时性。
在上述装置中，设计移动式光学旋转升降台，以方便设备的安装、瞄准和距离方位移动。该旋转升降台采用铝合金稳固型材支架，精细螺纹调节，下端设有稳定支撑脚掌， 上面设有光学平板安装平台。
本发明的一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，用于透明空气中的流 动显示、大气湍流和大气透过率参数的定量化测量以及大气层中激波波形的在线探测，具有硬件简单易实现、算法速度块、精度高、准实时、室内室外均可应用、视场大小和 探测距离不受限、功能多样、应用广泛等技术优点。
附图说明
图1是现有技术的阴影法成像原理示意图。
图2是现有技术的背景纹影法成像原理示意图。
图3是本发明的二维成像探测装置的示意图。
图4是本发明的二维旋转台和移动基座的主视图。
附图1-4中各部件的标记如下：1、CCD相机，2、镜头，3、照明光源，401、投 影幕，402背景幕，5、待测流体，6、光学平板，7、二维旋转台，8、移动基座，9、 数据采集与图像处理系统，10、光学调整架，11、激光器，12、反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更 易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图3-4，本发明的一种多功能大气流场二维成像探测装置，包括摄像机1、镜头2、光学调整架10、激光器11、倾斜反射镜12、光学平板6、二维旋转升降台7、移动 基座8、计算机数据采集与处理系统9、照明光源3和背景幕402；
所述二维旋转升降台7设置于所述移动基座8之上；所述光学平板6位于所述二维旋转升降台7的台面上；
所述光学调整架10、激光器11和倾斜反射镜12均位于所述光学平板6上，且所 述光学调整架10、激光器11和倾斜反射镜12依次设置；
所述摄像机1和镜头2均位于所述光学调整架10上。
本发明中，镜头2采用变焦镜头，摄像机为数字CCD摄像机。其中的照明光源3 可以是灯光或阳光。待测流体4为空气或者混合其他物质的空气。
所示摄像机1为数字CCD摄像机。
所述镜头2采用变焦镜头。
所述激光器11为可调节发散角的可见光激光器。
所述移动基座8包括底板81和多个支脚82，所述每个支脚包括一个支脚高度调整装置83；
所述支脚高度调整装置83沿着所述底板81的厚度方向穿过所述底板81，所述支脚82位于所述支脚高度调整装置83的下端部。
本发明的移动基座8下方设置有多个滚轮84，通过所述滚轮使得移动基座能够随时移动。当移动到特定位置时，通过所述支脚和支脚高度调整装置，将移动基座的位置 固定下来。所述支脚高度调整装置通过一根螺杆穿过所述底板并与底板之间通过螺纹副 连接；转动该螺杆时，可以使得支脚能够在竖直方向直线移动。当移动基座需要固定时， 通过支脚高度调整装置调整底板与地面之间的高度，从而可将滚轮抬高使得滚轮脱离地 面，通过四个支脚将移动基座固定在地面上。需要移动时，再次调整支脚高度调整装置， 使得滚轮与地面接触，同时使得支脚与地面脱离，即可实现移动基座的随意移动。
所述二维旋转升降台7包括多个支柱71，所述支柱71设置于所述移动基座8上；
所述多个支柱71的顶端设置有第一顶板72；所述第一顶板72之上设置有多个精密导轨73；
所述多个精密导轨73的顶端设置有第二顶板75，所述第二顶板75之上设置有俯仰角调整装置76、俯仰角锁紧装置77和方位角调整装置78；
所述俯仰角锁紧装置77的顶端设置有用于安装所述光学平板6的安装板79，所述光学平板6设置于所述安装板79之上。
本发明的二维旋转升降台7中，通过多个支柱将第一顶板固定于移动基座8之上。第一顶板上的多个精密导轨，能够调整第二顶板的高度，从而实现升降功能。
在第二顶板上的俯仰角调整装置，能够调整安装板和光学平板与地面之间的俯仰角；调整后再通过俯仰角锁紧装置进行锁紧。通过方位角调整装置，调整安装板和光学 平板的方位角。通过本发明的二维旋转升降台7，能够非常方便地调整光学平板和光学 平板上的光学调整架10、激光器11和倾斜反射镜12的高度、俯仰角和方位角，调整 方便简单，快速便捷。所述第二顶板与第一顶板之间还设有涡轮蜗杆机构74，用于驱 动精密导轨73上下滑动，从而通过精密导轨73的上下滑动，来实现第二顶板升降功能。
本发明的一种多功能大气流场二维成像探测方法，采用激光阴影法测量大气光学湍 流参数的过程包括如下步骤：
步骤1：移动移动基座8并固定，调整旋转升降台7；打开计算机数据采集与处理 系统和激光器；
步骤2：激光器发出的圆形高斯光束经过大气湍流场后到达背景幕，经背景幕上的微晶棱镜反光膜反射后返回发射端，被摄像机1探测到并转换为数字图像信号；
步骤3：统计激光光斑的能量分布，获得光斑质心位置(xc,yc)；
光斑质心位置(xc,yc)计算过程如公式(1)所示。
M为像元数，i,j为小于M的整数；I为某一像元上的光强；
步骤4：计算质心像元上的光强I(xc,yc)的归一化起伏方差
并将该起伏方差作为闪烁指数输出；
步骤5：以质心为圆心，计算若干不同直径D的圆域内的光强均值的闪烁指数
采用多项式拟合法得出孔径平均因子A和理想点的闪烁指数
步骤6：根据湍流强度
点闪烁指数
路径距离L之间的函数关系式，计 算得出光学湍流强度
湍流强度
点闪烁指数
路径距离L之间的函数关系式如公式(2)。
其中
为光学湍流强度，用大气折射率结构常数表示；路径距离L是图1和图2 中光源与背景幕或者投影幕之间的间距。k＝2*pi/波长，是激光的波数。
步骤7：根据平均因子A、湍流内尺度l0和直径D间的函数关系式，计算得出湍流 内尺度l0。
在弱起伏条件下，根据孔径平均因子A、内尺度l0和直径D间的函数关系式计算得出湍流内尺度l0。所述函数关系式如下如公式(3)
A＝[1+2.21(D/l0)7/6]-1 (3)。
本发明还公开了一种多功能大气流场二维成像探测方法，采用激光阴影法测量大气 透过率的过程包括如下步骤：
步骤S1：移动移动基座(8)并固定，调整旋转升降台(7)；打开计算机数据采 集与处理系统和激光器；
步骤S2：利用积分球对CCD相机进行绝对辐射定标，得出定标系数η＝E/DN； 其中E为激光能量，DN为图像灰度值；
步骤S3：利用光功率计测出初始激光束的能量E1；
步骤S4：根据定标系数，计算出CCD摄像机在靶面上探测到的激光能量
步骤S5：将能量E2和能量E1相除，再除以光学系统本身的透过率To，即得到单程 传输的大气透过率Ta。
本发明的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，通过切换照明方式、背景 幕、背景图案及图像数据处理算法，实现透明大气的流动显示和大气湍流、透过率参数的定量化测量。所述方法包括激光阴影法、人工背景纹影法和自然背景纹影法以及光流 算法和大气湍流、透过率测量方法。所述装置包括激光光源、补光灯、数字CCD、变 焦镜头、必要的光学精密机械调节机构以及计算机图像数据处理软件系统等。该装置可 以用于实验室内数厘米至野外数十公里空间尺度上的大气流场流动显示及空间激波探 测。
本发明中，通过切换光源和背景实现不同的动能。(1)当采用激光照明时，选择 微晶棱镜反光膜为背景幕，激光经过流场照射在反光膜上形成流动的阴影。同时CCD 前端加一窄带滤光片，以消除自然光的影响，此为激光阴影法，其测试区域为激光至反 光膜之间的被照射区域。(2)当采用灯光照明时，打印或选择具有细纹理的画面背景 幕，理想的画面是均匀分布的高斯白噪声纹理，此为背景纹影法，其测试区域是相机至 背景幕之间相机视场内的区域。(3)当阳光充足时，选择具有细纹理的自然物为背景 幕，其测试区域是相机至物体之间相机视场内的区域。
当激光光斑的尺寸及漂移量小于目标靶面，且CCD的视场足够大可以实现激光光斑图像全接收时，能够获得路径上的大气透过率。采用激光阴影法测量大气透过率的过 程包括如下步骤：①利用积分球对CCD进行绝对辐射定标，得出定标系数；②利用光 功率计测出初始激光束的能量；③根据定标系数算出CCD靶面上探测到的激光能量； ④两者相除，考虑双程传输因素，去除光学系统本身固定的衰减，即可得到单程传输的 大气透过率。
本发明的多功能大气流场二维成像探测装置，采用背景纹影法进行大气湍流场的流 动显示和空间激波的探测，其核心算法为光流算法，包括基于区域匹配的光流算法、基于频率的光流算法和基于变分的光流算法等。光流算法通过计算被湍流或激波影响的两幅图像的灰度值在二维图像上的位移来估算流场中的折射率梯度或密度梯度，进而显示流场的动态变化和发现流场中的波。一切有亮度、不均匀、有纹理的图像和自然物体如 打印画面、地面建筑、草地植被、沙漠戈壁、高山峻岭、城市灯光、天空斑点或斑纹状 云和夜空繁星等都可作为目标背景物。采用自然目标作为背景时，可实现大视场、大区 域范围的空间激波探测和目标搜索。
利用本发明的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，能够实现以下几种具 体的测量过程。
实施例1：探测热源如电烙铁加热空气所形成的流动。
依据本发明技术方案所述的多功能大气流场二维成像探测装置，探测热源如电烙铁 加热空气所形成的流动。其具体实施步骤为：①用A4纸或其它漫反射纸张打印一张具有高斯白噪声纹理的背景图案，张贴于平整的物体上；②将CCD成像系统置于2米之 外，使镜头垂直指向纸张表面，调节镜头焦距并对焦完成；③将电烙铁置于镜头与纸张 中间正下方，并通电；④开启图像采集与处理软件，运行光流算法，从显示器上观察热 气的流动。
实施例2：探测火花放电产生的激波及其扩散过程。
依据本发明技术方案所述的多功能大气流场二维成像探测装置，探测火花放电产生 的激波及其扩散过程。其具体实施步骤为：①用A4纸或其它漫反射纸张打印一张具有高斯白噪声纹理的背景图案，张贴于平整的物体上；②将CCD成像系统置于2米之外， 使镜头垂直指向纸张表面，调节镜头焦距并对焦完成；③将高压放电模块置于镜头与纸 张正中间并通电；④开启图像采集与处理软件，运行光流算法，从显示器上观察高压放 电激发激波及其传播现象。
实施例3：探测1km路径上的大气湍流。
依据本发明技术方案所述的多功能大气流场二维成像探测装置，探测1km路径上的大气湍流。其具体实施步骤为：①将1平米的微晶棱镜反光膜张贴在1km外的墙面 上或硬质背板上垂直放置于1km远处；②开启激光器，调节激光发射功率、发散角和 照射角度，使之垂直照亮整个靶面；③调节CCD成像镜头，使反光靶面所成的像位于 CCD靶面的中心位置；④开启图像采集与处理软件，显示激光光斑动态变化，运行激 光光斑处理算法，获得激光闪烁指数、光斑质心、湍流强度和内尺度参数等。
实施例4：探测数km至数十km路径上的大气流场。
依据本发明技术方案所述的多功能大气流场二维成像探测装置，探测数km至数十km路径上的大气流场。其具体实施步骤为：①选择阳光充足的天气，将CCD成像镜 头指向远处的山脉；②调节镜头焦距并对焦完成；③开启图像采集与处理软件，运行光 流算法，显示输出观察视场内的大气湍流运动；④遥控航模飞行器在成像装置与山脉之 间穿梭飞行，观察飞行器引起的空间激波及尾流。
本发明的方法包括激光阴影法、人工背景纹影法、自然背景纹影法以及大气湍流和 透过率测量方法，所述装置包括激光源、可变焦CCD成像系统、光学精密机械调节机 构、移动式旋转升降台和计算机图像数据处理软件等。通过切换光源和背景幕的类型， 以实现不同的探测功能。采用激光光源和微晶棱镜反光膜相配合，构建激光阴影测量装 置。
本发明的方法，通过激光全光斑成像实现大气湍流和透过率参数的定量测量，采用 人工背景或自然背景与互相关算法或光流算法相配合，构建背景纹影成像探测装置。采用人工或自然背景纹影成像探测装置实现透明大气流场的流动显示和空间激波信号探测。其用于流场探测的空间尺度可以从数厘米至数十公里。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不 背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由 所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围 内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权 利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应 当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术 人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，如图3，包括摄像机(1)、镜头(2)、光学调整架(10)、激光器(11)、倾斜反射镜(12)、光学平板(6)、二维旋转升降台(7)、移动基座(8)、计算机数据采集与处理系统(9)、照明光源(3)和背景幕(402)；
所述二维旋转升降台(7)设置于所述移动基座(8)之上；所述光学平板(6)位于所述二维旋转升降台(7)的台面上；
所述光学调整架(10)、激光器(11)和倾斜反射镜(12)均位于所述光学平板(6)上，且所述光学调整架(10)、激光器(11)和倾斜反射镜(12)依次设置；
所述摄像机(1)和镜头(2)均位于所述光学调整架(10)上。
2.根据权利要求1所述的多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，所述摄像机(1)为数字CCD摄像机。
3.根据权利要求1所述的多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，所述镜头(2)采用变焦镜头。
4.根据权利要求1所述的多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，所述激光器(11)为可调节发散角的可见光激光器。
5.根据权利要求1所述的多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，所述移动基座(8)包括底板(81)和多个支脚(82)，所述每个支脚包括一个支脚高度调整装置(83)；
所述支脚高度调整装置(83)沿着所述底板(81)的厚度方向穿过所述底板(81)，所述支脚(82)位于所述支脚高度调整装置(83)的下端部。
6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的多功能大气流场二维成像探测装置，其特征在于，所述二维旋转升降台(7)包括多个支柱(71)，所述支柱(71)设置于所述移动基座(8)上；
所述多个支柱(71)的顶端设置有第一顶板(72)；所述第一顶板(72)之上设置有多个精密导轨(73)；
所述多个精密导轨(73)的顶端设置有第二顶板(75)，所述第二顶板(75)之上设置有俯仰角调整装置(76)、俯仰角锁紧装置(77)和方位角调整装置(78)；
所述俯仰角锁紧装置(77)的顶端设置有用于安装所述光学平板(6)的安装板(79)，所述光学平板(6)设置于所述安装板(79)之上。
7.一种多功能大气流场二维成像探测方法，其特征在于，采用激光阴影法测量大气光学湍流参数的过程包括如下步骤：
步骤1：移动移动基座(8)并固定，调整旋转升降台(7)；打开计算机数据采集与处理系统和激光器；
步骤2：激光器发出的圆形高斯光束经过大气湍流场后到达背景幕，经背景幕上的微晶棱镜反光膜反射后返回发射端，被摄像机(1)探测到并转换为数字图像信号；
步骤3：统计激光光斑的能量分布，获得光斑质心位置(xc,yc)；
步骤4：计算质心像元上的光强I(xc,yc)的归一化起伏方差
并将该起伏方差作为闪烁指数输出；
步骤5：以质心为圆心，计算若干不同直径D的圆域内的光强均值的闪烁指数
采用多项式拟合法得出孔径平均因子A和理想点的闪烁指数
步骤6：根据湍流强度
点闪烁指数
路径距离L之间的函数关系式，计算得出光学湍流强度
步骤7：根据平均因子A、湍流内尺度l0和直径D间的函数关系式，计算得出湍流内尺度l0。
8.一种多功能大气流场二维成像探测方法，其特征在于，采用激光阴影法测量大气透过率的过程包括如下步骤：
步骤S1：移动移动基座(8)并固定，调整旋转升降台(7)；打开计算机数据采集与处理系统和激光器；
步骤S2：利用积分球对CCD相机进行绝对辐射定标，得出定标系数η＝E/DN；其中E为激光能量，DN为图像灰度值；
步骤S3：利用光功率计测出初始激光束的能量E1；
步骤S4：根据定标系数，计算出CCD摄像机在靶面上探测到的激光能量
步骤S5：将能量E2和能量E1相除，再除以光学系统本身的透过率To，即得到单程传输的大气透过率Ta。
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112525905A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-19 | 西安建筑科技大学 | 基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统 |
| CN113570639A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-10-29 | 北京理工大学 | 一种基于条纹修正相关的运动目标纹影检测系统 |
| CN114119747A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 四川大学 | 一种基于pmd波前检测的三维流场流动显示方法 |
| CN116610899A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-18 | 北京华信科创科技有限公司 | 基于测风雷达数据的湍流影响区域预测优化方法和系统 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101109702A (zh) * | 2007-07-28 | 2008-01-23 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法 |
| CN101339602A (zh) * | 2008-07-15 | 2009-01-07 | 中国科学技术大学 | 一种基于光流法的视频火灾烟雾图像识别方法 |
| US20090310118A1 (en) * | 2005-07-21 | 2009-12-17 | Airbus Deutschland Gmbh | Method And Lidar System For Measuring Air Turbulences On Board Aircraft And For Airports And Wind Farms |
| CN102607798A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-25 | 中国人民解放军63655部队 | 一种测量大气湍流内尺度的装置及测量方法 |
| CN102636270A (zh) * | 2012-04-09 | 2012-08-15 | 中国人民解放军63655部队 | 一种大气相干长度的光学测量仪器及方法 |
| CN202915952U (zh) * | 2012-10-31 | 2013-05-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 光学检测用四维调整台 |
| CN104807611A (zh) * | 2015-05-04 | 2015-07-29 | 中国科学技术大学 | 基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法 |
| CN104991574A (zh) * | 2015-07-03 | 2015-10-21 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 一种整体电动升降稳定旋转转台装置 |
| US20170168161A1 (en) * | 2013-10-08 | 2017-06-15 | Soreq Nuclear Reseaerch Center | Atmospheric turbulence data optical system |
| CN108917943A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-11-30 | 岭南师范学院 | 一种基于投影式背景纹影技术的火焰温度场测量装置及方法 |
| CN109187357A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-11 | 南京大学 | 一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法 |
| CN110246115A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-09-17 | 西安理工大学 | 一种远场激光光斑图像的检测方法 |
| CN111308849A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-06-19 | 长春理工大学 | 一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法 |
-
2020
- 2020-08-28 CN CN202010882720.0A patent/CN112504976A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090310118A1 (en) * | 2005-07-21 | 2009-12-17 | Airbus Deutschland Gmbh | Method And Lidar System For Measuring Air Turbulences On Board Aircraft And For Airports And Wind Farms |
| CN101109702A (zh) * | 2007-07-28 | 2008-01-23 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法 |
| CN101339602A (zh) * | 2008-07-15 | 2009-01-07 | 中国科学技术大学 | 一种基于光流法的视频火灾烟雾图像识别方法 |
| CN102607798A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-25 | 中国人民解放军63655部队 | 一种测量大气湍流内尺度的装置及测量方法 |
| CN102636270A (zh) * | 2012-04-09 | 2012-08-15 | 中国人民解放军63655部队 | 一种大气相干长度的光学测量仪器及方法 |
| CN202915952U (zh) * | 2012-10-31 | 2013-05-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 光学检测用四维调整台 |
| US20170168161A1 (en) * | 2013-10-08 | 2017-06-15 | Soreq Nuclear Reseaerch Center | Atmospheric turbulence data optical system |
| CN104807611A (zh) * | 2015-05-04 | 2015-07-29 | 中国科学技术大学 | 基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法 |
| CN104991574A (zh) * | 2015-07-03 | 2015-10-21 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 一种整体电动升降稳定旋转转台装置 |
| CN108917943A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-11-30 | 岭南师范学院 | 一种基于投影式背景纹影技术的火焰温度场测量装置及方法 |
| CN109187357A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-11 | 南京大学 | 一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法 |
| CN110246115A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-09-17 | 西安理工大学 | 一种远场激光光斑图像的检测方法 |
| CN111308849A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-06-19 | 长春理工大学 | 一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法 |
Non-Patent Citations (10)
| Title |
|---|
| BRADLEY ATCHESON ET AL.: "An evaluation of optical flow algorithms for background oriented schlieren imaging", 《EXPERIMENTS IN FLUIDS》, vol. 46, pages 467 - 476, XP019711187 * |
| GARY S SETTLES ET AL.: "A review of recent developments in schlieren and shadowgraph techniques", 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》, vol. 28, 15 February 2017 (2017-02-15), pages 1 - 26 * |
| GARY S SETTLES ET AL.: "A review of recent developments in schlieren and shadowgraph techniques", 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》, vol. 28, no. 04, pages 1 - 26 * |
| H RICHARD ET AL.: "Principle and applications of the background oriented schlieren (BOS) method", 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》, vol. 12, pages 1576 - 1585, XP001208969, DOI: 10.1088/0957-0233/12/9/325 * |
| 宋鹤鹏等: "背景纹影技术初探", 《科技与创新》, no. 10, pages 121 - 123 * |
| 梅海平等: "折返路径光学湍流激光成像探测技术研究", 《大气与环境光学学报》 * |
| 梅海平等: "折返路径光学湍流激光成像探测技术研究", 《大气与环境光学学报》, vol. 13, no. 06, 30 November 2018 (2018-11-30), pages 417 - 424 * |
| 王钰茹等: "湍流大气中折返路径激光成像探测实验", 《中国激光》 * |
| 王钰茹等: "湍流大气中折返路径激光成像探测实验", 《中国激光》, vol. 45, no. 04, 30 November 2017 (2017-11-30), pages 1 - 7 * |
| 畅里华等: "纹影技术用于爆轰与冲击波物理实验研究", 《激光与光电子学进展》, vol. 43, no. 12, pages 58 - 61 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112525905A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-19 | 西安建筑科技大学 | 基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统 |
| CN112525905B (zh) * | 2020-11-23 | 2022-09-30 | 西安建筑科技大学 | 基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统 |
| CN113570639A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-10-29 | 北京理工大学 | 一种基于条纹修正相关的运动目标纹影检测系统 |
| CN113570639B (zh) * | 2021-09-24 | 2022-01-25 | 北京理工大学 | 一种基于条纹修正相关的运动目标纹影检测系统 |
| CN114119747A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 四川大学 | 一种基于pmd波前检测的三维流场流动显示方法 |
| CN116610899A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-18 | 北京华信科创科技有限公司 | 基于测风雷达数据的湍流影响区域预测优化方法和系统 |
| CN116610899B (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-17 | 北京华信科创科技有限公司 | 基于测风雷达数据的湍流影响区域预测优化方法和系统 |
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