CN117928885A - 一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气动光学技术领域，具体涉及一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，包括以下步骤：S1、设置能够定量控制刀口平移量的装置；S2、通过平移装置定量控制刀口的平移量进而进行自动寻焦操作；S3、标定刀口的偏移量曲线；S4、引入待测流场，根据纹影图像灰度值找出对应的刀口偏移量数据，进而反演计算出待测流场的密度。本发明可以标定更加高效、准确的刀口偏移量曲线，进而可以更加高效、精准地测量出流场的密度。

Description

一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法

技术领域

本发明涉及气动光学技术领域，具体涉及一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法。

背景技术

在工程热物理和流体力学领域中，应用光学显示技术研究气流的速度场、浓度场、温度场是很重要的，其中使用普遍的是纹影系统。纹影系统包括沿直线方向依次设置的光源、第一纹影镜、第二纹影镜、刀口以及相机，第一纹影镜与第二纹影镜之间为测试段，光源发出的光线依次通过第一纹影镜、测试段以及第二纹影镜后在相机的镜头上成像。

纹影法是由光源发出的一束平行光线，并且用刀口切割纹影图像。由于光线在通过气流密度不均匀的测试段时会发生偏转，且光线通过密度不同的流场时发生的偏转程度不同，从流场出射的光线产生一定角度的偏折，经第二纹影镜的会聚作用之后在刀口位置生成不同的偏移量，导致光线被刀口所切割的程度不同，进而导致光线在镜头上的成像光强分布不同；流场密度的测量需要建立在流场密度与纹影图像灰度大小之间的对应关系曲线事先标定的基础上，而刀口的精确调整是获得该对应关系曲线的关键。实验对刀口的调试要求较高，一方面，刀口与纹影光路的焦面重合可确保灵敏度一致以及纹影图像亮度均匀；另一方面，可根据实验条件选择合适的刀口切割量。因此在标定刀口时需要将刀口精确定位在第二纹影镜的焦面处。

传统的刀口标定方法通常需要人工测量和调整，耗时耗力且存在人为误差。同时，由于刀具尺寸和形状的复杂性，标定过程中的准确性和一致性也难以保证。因此，亟需一种新的标定测量方法来实现自动标定刀口以及待测流场密度的测定，以提高测定工艺的可靠性和效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，以解决采用人工手动调试标定测量流场密度时的效率和可靠度较低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，包括以下步骤：

S1、设置标定测量装置：将光源、第一纹影镜、第二纹影镜以及相机依次沿直线方向设置，在第二纹影镜与相机之间设置平移装置，平移装置包括轴向平移台以及位于轴向平移台上方的切割平移台，轴向平移台可带动切割平移台沿光源的主光轴方向往复平移，在切割平移台上设置刀口，切割平移台可带动刀口升降，且轴向平移台以及切割平移台均由运动控制器进行控制；

S2、自动寻焦：轴向平移台定量调节刀口沿光源主光轴方向的位移，当相机获得的纹影图像亮度最均匀时对应刀口的坐标即为透镜的焦面位置，通过轴向平移台将刀口移动至第二纹影镜的焦面位置；

切割平移台带动刀口对光源像进行定量的切割遮挡，将纹影图像亮度最小和最大时刀口的坐标相减得到光源像的宽度；

S3、标定刀口的偏移量曲线：向第一纹影镜与第二纹影镜之间引入基准密度已知的标准流体样品，通过切割平移台控制刀口对光源像进行定量切割，得到纹影图像灰度值与刀口偏移量之间的对应关系曲线；

S4、测量待测流场密度：通过切割平移台将刀口移动至纹影图像亮度最大时的位置，向第一纹影镜与第二纹影镜之间引入待测流场，相机将此时的纹影图像传输至计算机，通过计算机得出纹影图像的灰度值，根据纹影图像的灰度值可在刀口的偏移量曲线上得出对应的刀口偏移量数据；

然后通过公式计算出待测流场在y轴方向上的密度，其中，y轴为垂直于主光轴的一根竖直坐标轴，/>为标准流体样品的基准密度，K表示Gladstone－Dale常数，L表示流场沿光路的厚度，/>表示第二纹影镜的焦距，/>是参考刀口位置，/>、/>均是光线的偏移量，且光线的偏移量与刀口的偏移量相同。

进一步地，步骤S2中，在纹影图像的一字形领域中，设中间像素点坐标为，位于中间像素点左侧的像素点坐标为/>，位于中间像素点右侧的像素点坐标为，中间像素点与其左侧像素点的灰度值之差为D _left ，中间像素点与其右侧像素点的灰度值之差为D _right ；

设定阈值Ｔ ₀，当D _left 和D _right 的相减结果的绝对值大于T ₀ 时，记录下上述中间像素点坐标；

重复上述步骤对纹影图像每行像素点进行分析处理，得到n个中间像素点坐标，这些中间像素点构成了镜头有效区，通过公式计算得到纹影图像灰度值的样本标准差，进而确定纹影图像亮度最均匀时对应轴向平移台的坐标；其中，/>为纹影图像灰度值的样本标准差，/>为镜头有效区内第i个中间像素点坐标的灰度值；i=1，2…n；/>为镜头有效区内所有图像点的灰度平均值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本方案设计完善了纹影测量装置，并将纹影测量装置用于对空气密度场的测量，通过轴向平移台以及切割平移台对刀口的位移进行定量控制，实现了对刀口进行自动寻焦的过程，利用多反射透镜构成的标定阵列，准确地生成刀口标定线，消除了传统标定过程中的人工误差，提高了标定过程的准确性和效率，进而有利于提高测量待测流场密度的可靠性和效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

在附图中：

图1为本发明实施例1的标定测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例1的自动寻焦原理示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、光源；2、第一纹影镜；3、第二纹影镜；4、相机；5、轴向平移台；6、切割平移台；7、刀口；8、运动控制器；9、计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例1

一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，包括以下步骤：

S1、设置标定测量装置：将光源1、第一纹影镜2、第二纹影镜3以及相机4依次沿直线方向设置，在第二纹影镜3与相机4之间设置平移装置，平移装置包括轴向平移台5以及位于轴向平移台5上方的切割平移台6，轴向平移台5可带动切割平移台6沿光源1的主光轴方向往复平移，在切割平移台6上设置刀口7，切割平移台6可带动刀口7升降，且轴向平移台5以及切割平移台6均由运动控制器8进行控制；

S2、自动寻焦：轴向平移台5定量调节刀口7沿光源1主光轴方向的位移，当相机4获得的纹影图像亮度最均匀时对应刀口7的坐标即为透镜的焦面位置，通过轴向平移台5将刀口7移动至第二纹影镜3的焦面位置；

切割平移台6带动刀口7对光源像进行定量的切割遮挡，将纹影图像亮度最小和最大时刀口7的坐标相减得到光源像的宽度；

S3、标定刀口7的偏移量曲线：向第一纹影镜2与第二纹影镜3之间引入基准密度已知的标准流体样品，通过切割平移台6控制刀口7对光源像进行定量切割，得到纹影图像灰度值与刀口7偏移量之间的对应关系曲线；

S4、测量待测流场密度：通过切割平移台6将刀口7移动至纹影图像亮度最大时的位置，向第一纹影镜2与第二纹影镜3之间引入待测流场，相机4将此时的纹影图像传输至计算机9，通过计算机9计算得出纹影图像的灰度值，根据纹影图像的灰度值可在刀口7的偏移量曲线上得出对应的刀口7偏移量数据；

然后通过公式计算出待测流场在y轴方向上的密度/>，其中，y轴为垂直于主光轴的一根竖直坐标轴，/>为标准流体样品的基准密度，K表示Gladstone－Dale常数，L表示流场沿光路的厚度，/>表示第二纹影镜3的焦距，/>是参考刀口7位置（将未引入流场且纹影图像亮度最大时对应刀口7的坐标作为参考刀口7位置），/>、均是光线的偏移量，且光线的偏移量与刀口7的偏移量等效相同。光线的偏移量以及刀口7在标定过程中定量控制的切割偏移量是相对的，一个是光线相对刀口7偏移，另一个是刀口7相对光源像偏移，因此，光线的偏移量与刀口7的偏移量是等效的。将刀口7偏移量数据代入上述公式中，即可反演计算出待测流场的密度。

本方案中，设计完善了纹影测量装置，参照图1，并将纹影测量装置用于对空气密度场的测量，通过轴向平移台5以及切割平移台6对刀口7的位移进行定量控制，实现了对刀口7进行自动寻焦的过程，利用多反射透镜构成的标定阵列，准确地生成刀口7标定线，消除了传统标定过程中的人工误差，提高了标定过程的准确性和效率，进而有利于提高测量待测流场密度的可靠性和效率。其中，轴向平移台5以及切割平移台6均采用步进电机或者伺服电机作为其驱动机构，然后通过运动控制器8尽量控制刀口7的平移量，有利于实现刀口7位置的精准确定，进而方便将刀口7精准定位在第二纹影镜3的焦平面处。

作为一种优选的实施方式，步骤S2中，在纹影图像的一字形领域中，设中间像素点坐标为，位于中间像素点左侧的像素点坐标为/>，位于中间像素点右侧的像素点坐标为/>，中间像素点/>与其左侧像素点/>的灰度值之差为D _left ，中间像素点/>与其右侧像素点/>的灰度值之差为D _right ；

设定阈值Ｔ ₀，当D _left 和D _right 的相减结果的绝对值大于阈值T ₀ 时，记录下上述中间像素点坐标；

重复上述步骤对纹影图像每行像素点进行分析处理，得到n个中间像素点坐标，这些中间像素点就构成了镜头有效区，通过公式计算得到纹影图像灰度值的样本标准差，进而确定纹影图像亮度最均匀时对应轴向平移台5的坐标；其中，/>为纹影图像灰度值的样本标准差，/>为镜头有效区内第i个中间像素点坐标的灰度值；i=1，2…n；/>为镜头有效区内所有图像点的灰度平均值。

步骤S2中的自动寻焦原理为：参照图2，其中，a为刀口位于焦点前方时的示意图，b为刀口位于焦点后方时的示意图；光经过不均匀介质后会发生偏折现象，纹影系统中刀口7部件的作用就是在第二纹影镜3焦点位置进行光学空间滤波。当光线远离刀口7方向偏折时，纹影图像会变亮，当光线向着刀口7方向偏折时，刀口7会阻挡光线的传播，纹影图像整体会变暗，因此，纹影图像中的明暗程度与光线的偏折大小是对应的。而若刀口7处于焦点的前方或者后方时，会呈现“焦前”、“焦后”景象，所获得的纹影图像的灰度有明显的一侧比另外一侧大，整体上看感觉像是被乌云遮挡的明月，并且刀口7部件的光学空间滤波作用不佳，无法起到刀口7部件在这个点上应用的作用。因此，调节刀口7到焦点位置是得到成像质量较好的纹影图像的重要环节。在刀口7的移动过程中，纹影图像会产生“焦前”和“焦后”图像特征，刀口7若位于焦点前，由于刀口7为不透光物体，它将光线的下半部分的光遮挡住，而让上半部分的光透过去，故在成像屏上呈现上暗下亮的图像，如果成像器件使用相机4，相机4本身成倒像，故刀口7在焦点前，捕获的图像会呈现上亮下暗的情况；反之，刀口7在焦点后时，相机4捕获的图像会呈现上暗下亮。焦点前、焦点上及焦点后所呈现的图片有明显的差异，即在镜头有效区域内图像由下暗上亮，逐渐变得均匀，最后图像特点为下亮上暗，其方差值变化由大到小，然后再变大。一字形领域中，存在3个相邻的像素点，分别是、/>和/>。根据纹影寻焦图像特征，镜头有效区域的轮廓由每行相近像素点的之间的灰度值产生陡变的点组成，为了表示这种相近像素点之间灰度变化关系，分别定义像素点/>与其两边紧靠的像素点的灰度值的差为D _left 和D _right ，即。设置阈值Ｔ ₀，当D _left 和D _right 的相减结果的绝对值大于T ₀ 时，记录下这个中间像素点坐标，按照这个方法依次对每行像素点分析，当完成所有行的像素点分析后，将所有中间像素点坐标保留下来，这些中间像素点坐标就构成了镜头有效区，为后续标准差计算提供了指定范围；第二部分为图像标准差计算，当刀口7越接近第二个纹影镜的焦点位置时，图像有效区域的灰度值越均匀，差异越小，因为任何图像的高频信息更为人眼所捕获，而图像的细节部分通常由高频分量来影响，可以说高频分量决定了图与图之间的相异之处，如图像找茬游戏中，也是通过查找两幅图像的不同高频信息来指出相异之处。人眼很难分辨哪一张图片灰度更加均匀，而图像标准差能反映图像灰度的均匀程度，可以将这种细小的差距数字化的体现出来，所以用图像灰度值的标准差作为焦点判别的依据，记录刀口7每次切割光源像时对应纹影图像的灰度值样本标准差以及对应的刀口7坐标，通过比较可以找出纹影图像的样本标准差最小时对应刀口7的坐标，这个坐标就位于第二纹影镜3的焦平面上。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、设置标定测量装置：将光源、第一纹影镜、第二纹影镜以及相机依次沿直线方向设置，在第二纹影镜与相机之间设置平移装置，平移装置包括轴向平移台以及位于轴向平移台上方的切割平移台，轴向平移台可带动切割平移台沿光源的主光轴方向往复平移，在切割平移台上设置刀口，切割平移台可带动刀口升降，且轴向平移台以及切割平移台均由运动控制器进行控制；

S2、自动寻焦：轴向平移台定量调节刀口沿光源主光轴方向的位移，当相机获得的纹影图像亮度最均匀时对应刀口的坐标即为透镜的焦面位置，通过轴向平移台将刀口移动至第二纹影镜的焦面位置；

切割平移台带动刀口对光源像进行定量的切割遮挡，将纹影图像亮度最小和最大时刀口的坐标相减得到光源像的宽度；

S3、标定刀口的偏移量曲线：向第一纹影镜与第二纹影镜之间引入基准密度已知的标准流体样品，通过切割平移台控制刀口对光源像进行定量切割，得到纹影图像灰度值与刀口偏移量之间的对应关系曲线；

S4、测量待测流场密度：通过切割平移台将刀口移动至纹影图像亮度最大时的位置，向第一纹影镜与第二纹影镜之间引入待测流场，相机将此时的纹影图像传输至计算机，通过计算机得出纹影图像的灰度值，根据纹影图像的灰度值可在刀口的偏移量曲线上得出对应的刀口偏移量数据；

然后通过公式计算出待测流场在y轴方向上的密度，其中，y轴为垂直于主光轴的一根竖直坐标轴，/>为标准流体样品的基准密度，K表示Gladstone－Dale常数，L表示流场沿光路的厚度，/>表示第二纹影镜的焦距，/>是参考刀口位置，/>、/>均是光线的偏移量，且光线的偏移量与刀口的偏移量相同。

2.根据权利要求1所述的一种多反射透镜纹影自动标定测量待测流场密度的方法，其特征在于：步骤S2中，在纹影图像的一字形领域中，设中间像素点坐标为，位于中间像素点左侧的像素点坐标为/>，位于中间像素点右侧的像素点坐标为/>，中间像素点与其左侧像素点的灰度值之差为D _left ，中间像素点与其右侧像素点的灰度值之差为D _right ；

设定阈值Ｔ ₀，当D _left 和D _right 的相减结果的绝对值大于T ₀ 时，记录下上述中间像素点坐标；

重复上述步骤对纹影图像每行像素点进行分析处理，得到n个中间像素点坐标，这些中间像素点构成了镜头有效区，通过公式计算得到纹影图像灰度值的样本标准差，进而确定纹影图像亮度最均匀时对应轴向平移台的坐标；其中，/>为纹影图像灰度值的样本标准差，/>为镜头有效区内第i个中间像素点坐标的灰度值；i=1，2…n；/>为镜头有效区内所有图像点的灰度平均值。