CN114964713A - 一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，属于流体流动实验测试技术领域，涉及将直接纹影法拍摄的分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像。直接成像纹影系统中两个凹面镜可成直线或Z形布置，确保成像清晰；高速摄像机的拍摄频率不低于被拍摄流动的特征频率；空间定位系统用于设定被测大尺度流场的分区域坐标及成像拼接时的空间位置锚定；标定系统用于构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系。该方法突破了直接纹影法凹面镜直径对测试流场尺度的限制，利用小直径纹影系统，在完成分区域光路折射标定和测试的基础上，实现对大尺度流场的可视成像；适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。

Description

一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法
技术领域
本发明属于流体流动实验测试技术领域，针对大尺度流场流动显示，具体涉及利用直接纹影法进行分区测试，将分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像。
背景技术
流动显示是空气动力学、爆炸与冲击、燃烧与化学反应等很多研究领域中一种重要的测试技术之一，目前采用的流动显示方法主要为平行光纹影仪，也称直接纹影法，其对流动介质密度一阶导数变化敏感，通过对流场显示成像就可以获得测试区域的密度变化情况，为流体实验研究提供重要的基础保障。
随着科研实验的深入发展，要求流动显示的测试区域越来越大，而常规平行光纹影仪测试视场受制于凹面镜直径，大尺度流场测试凹面镜制造成本激增。最近几年发展了聚焦纹影技术(FocusSchlieren，FS)、背景导向纹影(Background-Oriented Schlieren，BOS)技术也都能够实现对流动进行显示，但是FS技术中需要使用菲涅耳透镜，因为边缘效应及菲涅耳透镜多焦点原因，获得的流动图像光斑均匀性不理想。BOS技术视场可以很大，但是BOS是非实时显示纹影技术，需要对获得的图像采用类似粒子图像测速即互相关运算后才能够对流动进行显示，图像分辨率较低、数据误差较大，在工程上难以进行实际运用。
专利“一种用于流动显示的直接纹影成像系统”(CN 108333790.A)由矩阵光源、柔光屏、源格栅、图像接收屏和图像接收系统构成，其原理本质依旧是要求光源光束覆盖被测区域，方能获得大视场流场显示。
发明内容
为了满足大尺度流场成像测试需要，本发明设计了一种基于直接纹影法拍摄的分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像的方法，突破了直接纹影法凹面镜直径对测试流场尺度的限制，利用小直径纹影系统，在完成分区域光路折射标定和测试的基础上，实现对大尺度流场的可视成像。
主要包括：直接成像纹影系统，两个凹面镜可成直线或Z形布置，确保成像清晰；高速摄像机，其拍摄频率不低于介质流动的特征频率；空间定位系统，用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，用于后续流场成像拼接时进行空间位置锚定；标定系统，用于构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系。本方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。
本发明技术方案为：纹影系统采用纹影光源中的光线穿过聚光透镜、狭缝后到达凹面反射镜M1，光线经凹面反射镜M1反射后穿过被测大尺度流场到达凹面反射镜M2后，凹面反射镜M2反射后经刀口由高速摄像机捕捉。
所述被测大尺度流场的长度L大于凹面反射镜M1的直径D；
采用上述纹影系统的实验方法，包括以下步骤：
a)划分测试区域
根据被测大尺度流场的长度L和凹面反射镜M1、M2的直径D确定测试分区数量N，N为整数；
Figure BDA0003666909770000021
根据分区数将被测大尺度流场划分为N个区域，单个区域最大特征长度应小于凹面镜直径10-20mm，相邻的两个区域之间设置重叠区域，重叠区域的大小一般为5～10mm；
b)设置流场及调整光路
被测大尺度流场放置在凹面反射镜M1和凹面反射镜M2的中间位置上，其与凹面镜M1、M2的距离为凹面镜的焦距；
打开纹影光源，调节凹面反射镜M1、M2角度，使光路垂直穿过被测大尺度流场区域，调节刀口确保高速摄像机清晰成像；
c)分区域标定
利用长焦透镜进行分区域标定：将长焦透镜11放置在区域视场中，提取穿过标定透镜直径的全场光强数据；将其中的斜率区域数据带入公式(2)中，构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光强与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系，标定结果作为流场密度梯度定量计算的基础；
Figure BDA0003666909770000031
其中，ρ为介质密度；n∞为空气的折射系数，约等于1；Y为沿光路方向的流场宽度；к为Gladstone-Dale常数，空气为2.23×10-4m3/kg；n为介质折射系数函数；f为标定透镜焦距；r0为透镜中心位置与背景的光强差，r为标定透镜上任一点与中心位置的光强差；
按以上步骤完成不同区域的标定；
e)纹影测试及数据拼接
分区域标定完成后，利用纹影仪进行分区域流场测试，获得基础纹影图像，将分区流场图像进行二值化处理后，按照分区标定结果，利用公式(2)计算得出基于二值化图像的分区内流体介质密度梯度图；进一步按照空间定位进行拼接，即可获得全流场区域的纹影图像和密度梯度图像；
拼接方法为：分别对不同区域的纹影图像进行去除背景噪音处理，将彩色纹影图像转变为灰度图；然后按照坐标锚定空间位置，将不同区域的灰度图拼接为一个整体灰度图；根据灰度强度的标定数据，将灰度图像按标定数据进行对应查值，即可转变为密度梯度的定量表达。
所述空间定位采用在可视范围内加入空间定位标尺或是选用标记物进行定位，用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，拼接时进行空间位置锚定。
所述高速摄像机的拍摄频率不低于介质流动的特征频率，即具有足够的时间分辨率。
该方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。
直接成像纹影系统，主要包括一个光源、聚焦透镜、狭缝、两个凹面反射镜M1和M2以及刀口、高速摄像机。
建立直接纹影系统，也称为平行光纹影仪，指包括光源、第一与第二反射凹面镜、切割刀口(cut-offedge)和成像平面在内的成套系统，也可以选择数码相机作为成像及存储单元，此时纹影图像将呈现在相机芯片上。两个凹面镜可成直线或Z形布置，流场可放置在凹面镜中间位置上，与凹面镜的距离为凹面镜的焦距，确保清晰成像。
使用高速摄像机，用于拍摄并存储流程纹影成像。高速摄像机的拍摄频率不低于介质流动的特征频率，即具有足够的时间分辨率。空间定位系统用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，用于后续流场成像拼接时进行空间位置锚定；标定系统用于构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系。
根据直接纹影系统的凹面镜直径确定分区测试范围，区域最大特征长度应小于凹面镜直径10-20mm。在可视范围内加入空间定位标尺，或是选用标记物进行定位，各分区之间留有一定的重叠度，以重叠区域作为锚定基准进行对接。空间定位精度越高，后续的视场拼接精度越高。
采用长焦透镜进行分区域视场标定，构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系，作为密度定量计算的基础；不同区域的标定结果应尽可能保持一致。
标定完成后，利用纹影仪进行分区域流场测试，将分区流场图像进行二值化处理后，按照分区标定结果，将二值化图像计算得出分区内流体介质密度梯度图，并进一步按照空间标尺进行拼接，即可获得全流场区域的纹影图像和密度梯度图像。
该方法对被测大尺度流场的适用条件是：周期性或是准周期性流动。测试精度就是分区域测试时长焦透镜的标定精度，等于二值化后亮度梯度，即亮度变化量/像素数量。
本发明的有益效果为：
1.本发明突破了直接纹影法凹面镜直径对测试流场尺度的限制，利用小直径纹影系统，在完成分区域光路折射标定和测试的基础上，在不需要光源光束完全覆盖被测区域的情况下，也能够实现大尺度流场的可视成像。本发明降低了对大流场测试对纹影系统凹面镜直径的要求，解决了大尺度流场测试凹面镜制造成本激增的关键问题。
2.本发明提出了一种基于分区域流场纹影图像的完整拼接算法，(1)通过对原始纹影图像进行算法处理，能够获得流场密度梯度分布的定量阐述，提高了流场信息表达的丰富性和可评价性；(2)拼接算法是大尺度流场纹影分区测试方法实现的关键和基础，支撑了大尺度流场全场纹影图像的获取，使大尺度流场全场密度梯度的定量表达得以实现，实验效率和实验精度显著提升。
3.该方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。
附图说明
图1是大尺度流场可视成像的纹影实验流程图。
图2是直线纹影系统布置图。
图3是长焦透镜标定方法简图。
图4是流场密度梯度计算流程图。
图5是纹影图像拼接方法的流程图。
图中：1、纹影光源，2、聚光透镜，3、狭缝，4、凹面反射镜M1，5、被测大尺度流场，6a、光路重叠区域，6b、光路重叠区域，7、凹面反射镜M2，8、刀口，9、高速摄像机，10、空间标尺。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1示出了大尺度流场可视成像的纹影实验流程图，纹影系统采用纹影光源1中的光线穿过聚光透镜2、狭缝3后到达凹面反射镜M14，光线经凹面反射镜M14反射后穿过被测大尺度流场5到达凹面反射镜M27后，凹面反射镜M27反射后经刀口8由高速摄像机9捕捉；述被测大尺度流场5的长度L大于凹面反射镜M1的直径D。
具体实验方法包括如下步骤：
步骤1.按照图2(b)中的方法布置纹影仪，要求分区测试时，单个区域最大特征长度应小于凹面镜直径10-20mm，然后根据测试流场5的范围L和凹面反射镜M1及M2的直径D确定测试分区数量N。
Figure BDA0003666909770000061
测试目标：拼接气波制冷机压力振荡管内波系运动，纹影仪凹面镜口径D200mm，管道全长L 450mm。将管道划分为三个150mm×100mm的测试区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，单区域测试长度150mm，选取5mm宽度的重叠区域。每个区域分别测试后再拼接为整体流场图像。
步骤2.被测大尺度流场5可放置在凹面反射镜M1和M2的中间位置上，与凹面镜M1和M2的距离为凹面镜的焦距。
步骤3.打开纹影光源1，调节凹面反射镜M1和M2角度，使光路垂直穿过被测大尺度流场区域，调节刀口8，确保高速摄像机9上清晰成像。
步骤4.在可视范围内加入空间定位标尺10，或是选用标记物进行定位，各分区之间留有一定的光路重叠区域6a和6b，以便更准确地进行图像和数据拼接。重叠区域的大小范围一般为5～10mm。
步骤5.使用高速摄像机，用于拍摄并存储流程纹影成像。高速摄像机的拍摄频率不低于介质流动的特征频率，即具有足够的时间分辨率。
步骤6.首先利用长焦透镜11进行分区域标定过程，步骤如图4所示，包括：
将长焦透镜11放置在区域视场中，高速摄像中获得如图3(a)所示的图像；提取穿过标定透镜11直径的全场光强(Intensity)数据，如图3(b)所示，关注重点在图3(b)中的斜率区域。将标定获得的图3(b)斜率部分数据带入公式(2)，即可构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光强与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系，标定结果作为流场密度梯度定量计算的基础。
Figure BDA0003666909770000071
其中，ρ为介质密度，单位kg/m3；n∞为空气的折射系数，约等于1；Y为沿光路方向的流场宽度，单位mm；к为Gladstone-Dale常数，空气为2.23×10-4m3/kg；n为介质折射系数函数；f为标定透镜焦距，单位mm；r0为透镜中心位置与背景的光强差，r为标定透镜上任一点与中心位置的光强差，如图3所示。
步骤7.实验开始前，要按照步骤6顺次完成分区域I、II、III的标定工作，不同区域的标定结果，即图3(b)的背景光强、斜率区域的上下限光强和变化斜率都应尽可能保持一致。
步骤8.分区域标定完成后，利用纹影仪进行分区域流场测试，获得基础纹影图像，将分区流场图像进行二值化处理后，按照分区标定结果，利用公式(2)计算得出基于二值化图像的分区内流体介质密度梯度图；进一步按照空间标尺进行拼接，即可获得全流场区域的纹影图像和密度梯度图像。
拼接方法分为五步，见图5。首先分别获得三个位置的基础纹影图像，如图5(a)所示，分别对其进行去除背景噪音处理，将彩色纹影图像转变为灰度图，如图5(b)所示。然后按照坐标锚定空间位置，将三个位置的灰度图拼接为一个整体灰度图，如图5(c)所示。根据灰度强度的标定数据，如图5(d)所示即图3(b)，将灰度图像按标定数据进行对应查值，即可转变为密度梯度的定量表达，如图5(e)所示。
工程实施案例：
测试目标：气波制冷机压力振荡管内波系运动，纹影仪凹面镜口径200mm，管道全长450mm，将管道划分为三个测试区域，单区域测试长度150mm，选取5mm宽度的重叠区域。
拼接单元能够实现空间精准锚定定位，定位精度取决于高速摄像机的空间分辨率。实施案例中，长焦标定透镜直径为25.4mm，在标定数字图像中对应174个像素，因此测试的空间分辨率为25.4/174＝0.146mm/pixel。

Claims (4)

1.一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：纹影系统采用纹影光源(1)中的光线穿过聚光透镜(2)、狭缝(3)后到达凹面反射镜M1(4)，光线经凹面反射镜M1(4)反射后穿过被测大尺度流场(5)到达凹面反射镜M2(7)后，凹面反射镜M2(7)反射后经刀口(8)由高速摄像机(9)捕捉并存储；所述被测大尺度流场(5)的长度L大于凹面反射镜M1的直径D；
采用上述纹影系统的实验方法，包括以下步骤：
a)划分测试区域
根据被测大尺度流场的长度L和凹面反射镜M1、M2的直径D确定测试分区数量N，N为整数；
Figure FDA0003666909760000011
根据分区数将被测大尺度流场划分为N个区域，单个区域最大特征长度应小于凹面镜直径10-20mm，相邻的两个区域之间设置重叠区域，重叠区域的大小一般为5～10mm；
b)设置流场及调整光路
被测大尺度流场放置在凹面反射镜M1、M2的中间位置上，其与凹面镜M1、M2的距离为凹面镜的焦距；
打开纹影光源，调节凹面反射镜M1、M2角度，使光路垂直穿过被测大尺度流场区域，调节刀口确保高速摄像机清晰成像；
c)分区域标定
利用长焦透镜进行分区域标定：将长焦透镜放置在区域视场中，提取穿过标定透镜直径的全场光强数据；将其中的斜率区域数据带入公式(2)中，构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光强与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系，标定结果作为流场密度梯度定量计算的基础；
Figure FDA0003666909760000021
其中，ρ为介质密度；n∞为空气的折射系数，约等于1；Y为沿光路方向的流场宽度；к为Gladstone-Dale常数，空气为2.23×10-4m3/kg；n为介质折射系数函数；f为标定透镜焦距；r0为透镜中心位置与背景的光强差，r为标定透镜上任一点与中心位置的光强差；
按以上步骤完成不同区域的标定；
e)纹影测试及数据拼接
分区域标定完成后，利用纹影仪进行分区域流场测试，获得基础纹影图像，将分区流场图像进行二值化处理后，按照分区标定结果，利用公式(2)计算得出基于二值化图像的分区内流体介质密度梯度图；进一步按照空间定位进行拼接，即可获得全流场区域的纹影图像和密度梯度图像；
拼接方法为：分别对不同区域的纹影图像进行去除背景噪音处理，将彩色纹影图像转变为灰度图；然后按照坐标锚定空间位置，将不同区域的灰度图拼接为一个整体灰度图；根据灰度强度的标定数据，将灰度图像按标定数据进行对应查值，即可转变为密度梯度的定量表达。
2.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：所述空间定位采用在可视范围内加入空间定位标尺或是选用标记物进行定位，用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，拼接时进行空间位置锚定。
3.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：所述高速摄像机的拍摄频率不低于介质流动的特征频率，即具有足够的时间分辨率。
4.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：该方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。
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