纹影光学系统及待测流场的二维密度分布测量方法与流程

1.本技术涉及气动光学技术领域，特别是涉及纹影光学系统及待测流场的二维密度分布测量方法。


背景技术：

2.纹影法是力学实验中一种常用的光学观测方法。其基本原理为：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的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来，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。纹影法包括黑、白纹影法，彩色纹影法和干涉纹影法，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。
3.纹影法首先由toepler于1864年提出，并应用在光学玻璃折射率的检测中。1952年，holde和norht在纹影仪系统上使用白光的分光棱镜，实现了彩色纹影成像，扩大了纹影技术的应用范围；1962年，bland和pelick用纹影法研究了水的压力和温度效应后指出，纹影法实用于水洞 的流场显示；1974年，merzkirch对可压缩流场中的纹影技术进行了分类，把涉及到在纹影仪系统上进行的干涉纹影法的研究 ，包括光栅干涉、棱镜干涉以及moire条纹干涉等。
4.现有的纹影法将点光源发出的光经凹面镜反射后，由垂直于流场密度梯度的刀口切去一半射入成像系统中，切去一半让测量系统无待测流体时恰好有一半的光射入相机内。而存在待测流体时，光线经流体折射，一部分光被刀口挡住，另有部分原被刀口挡住的光越过了刀口射入成像系统内，由此，成像系统捕捉到了流体显示出不同的明暗程度，也就是捕捉到不同气流密度的流体。同时由于现有的纹影仪使用的刀口均为一般的刀片刀口，会讲光线沿一直线分为两半，那么就只能捕捉到流体折射率沿垂直刀口方向的密度变化。现有的纹影仪仅能捕捉到单一方向的密度变化，无法同时测量两个方向的密度变化。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了纹影光学系统及待测流场的二维密度分布测量方法，能够解决现有技术无法同时测量待测流场两个方向的密度分布的技术问题。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种纹影光学系统，包括：光源、聚光系统，小孔滤波器、纹影主反射镜和成像系统，还包括刀口装置；所述刀口装置包括结构相同的第一刀片和第二刀片以及结构相同的前夹持板和后夹持板，所述第一刀片呈长方形，所述第一刀片上设置两向刀口；所述第一刀片和第二刀片相对设置并在一点处相接触，所述第一刀片和第二刀片的相同方向的刀口边缘位于一条直线上；通过中空的前夹持板和中空的后夹持板夹紧固定好位置的第一刀片和第二刀片。
7.进一步的，所述光源为冷光点光源。
8.进一步的，所述聚光系统为凸透镜。
9.进一步的，所述小孔滤波器为小孔光阑或针孔滤波器。
10.进一步的，所述纹影主反射镜为设有微调支架和角度调节支架的长焦凹面镜，所述微调支架用于调整入射点光源与出射光的焦点在同一空间纵向位置，所述角度调节支架用于调整出射汇聚光线与入射点光源的成像位置尽可能接近。
11.另一方面，本技术实施例提供了一种待测流场的二维密度分布测量方法，应用于本技术实施例的纹影光学系统，包括：获取点光源发射的白光经过所述纹影光学系统的光路在成像系统中所成的第一图像；将一块标准透镜放置在设定位置处，获取点光源发射的白光经过所述纹影光学系统的光路在成像系统中所成的第二图像；将待测流场放置在设定位置处，获取点光源发射的白光经过所述纹影光学系统的光路在成像系统中所成的第三图像；对所述第一图像、所述第二图像和所述第三图像按照预设算法进行处理，得到所述待测流场的二维密度分布。
12.进一步的，对所述第一图像、所述第二图像和所述第三图像按照预设算法进行处理，得到所述待测流场的二维密度分布，包括：基于第一图像和第二图像，构建标准透镜的光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，以及光强差值与竖直方向折射率梯度差的对应标度；基于第一图像和第三图像，以及标准透镜的标度，获取待测流场的水平方向折射率梯度分布和竖直方向折射率梯度分布；分别对待测流场的水平方向折射率梯度分布和竖直方向折射率梯度分布进行积分，得到待测流场的水平方向折射率分布和竖直方向折射率分布；根据待测流场的水平方向折射率分布和竖直方向折射率分布，得到待测流场水平方向密度分布和竖直方向密度分布。
13.进一步的，基于第一图像和第二图像，构建标准透镜的光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，以及光强差值与竖直方向折射率梯度差的对应标度；包括：获取第一图像每个像素的光强值、水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度；获取第二图像每个像素的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度；将第二图像每个像素的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度分别与第一图像相同位置的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度做差，得到第二图像每个像素的光强值差，水平方向折射率梯度差和垂直方向折射率梯度差；基于第二图像每个像素的光强值差，水平方向折射率梯度差和垂直方向折射率梯度差，构建标准透镜的光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，以及光强差值与竖直方向折射率梯度差的对应标度。
14.进一步的，基于第一图像和第三图像，以及标准透镜的标度，获取待测流场的水平方向折射率梯度分布和竖直方向折射率梯度分布，包括：获取第三图像每个像素的光强值；将第三图像每个像素的光强值与第一图像相同位置的光强值做差，得到第三图像每个像素的光强值差；基于第三图像每个像素的光强值差以及标准透镜的标度，得到第三图像每个像素
的水平方向折射率梯度差与竖直方向折射率梯度差；将第三图像每个像素的水平方向折射率梯度差与第一图像的相同像素的水平方向折射率梯度相加，得到待测流场的水平方向折射率梯度的分布；将第三图像每个像素的竖直方向折射率梯度差与第一图像的相同像素的竖直方向折射率梯度相加，得到待测流场的竖直方向折射率梯度的分布。
15.进一步的，所述第三图像包括两个不相邻的亮区和两个不相邻的暗区；基于第三图像每个像素的光强值差以及标准透镜的标度，得到第三图像每个像素的水平方向折射率梯度差与竖直方向折射率梯度差，包括：根据第三图像的两个亮区的每个像素的光强值差，以及光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的水平方向折射率梯度差；根据第三图像的两个亮区的每个像素的光强值差，以及光强值差与竖直方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的竖直方向折射率梯度差；根据第三图像的两个暗区的每个像素的光强值差，以及光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个暗区的水平方向折射率梯度差；根据第三图像的两个暗区的每个像素的光强值差，以及光强值差与竖直方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的竖直方向折射率梯度差。
16.本技术能够同时测量待测流场两个方向的密度分布。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本技术实施例提供的纹影光学系统的整体结构示意图；图2是本技术实施例提供的组装后的刀口装置示意图；图3是本技术实施例提供的组装前的刀口装置示意图；图4是本技术实施例提供的待测流场的二维密度分布测量方法的流程图；图5是采用本技术实施例系统测量蜡烛火焰结果示意图。
19.图6是采用普通纹影测量蜡烛火焰结果示意图；图标：101-光源，102-聚光系统，103-小孔滤波器，104-待测流场，105-纹影主反射镜，106-刀口装置，1061-刀口底座，1062-前夹持板，1063-后夹持板，1064-第一刀片，1065-第二刀片，1067-成像系统。
具体实施方式
20.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
22.首先对本技术实施例的设计思想进行简单介绍。
23.现有的纹影法将点光源发出的光经凹面镜反射后，由垂直于流场密度梯度的刀口切去一半射入成像系统中，切去一半让测量系统无待测流体时恰好有一半的光射入相机内。而存在待测流体时，光线经流体折射，一部分光被刀口挡住，另有部分原被刀口挡住的光越过了刀口射入成像系统内，由此，成像系统捕捉到了流体显示出不同的明暗程度，也就是捕捉到不同气流密度的流体。同时由于现有的纹影仪使用的刀口均为一般的刀片刀口，会讲光线沿一直线分为两半，那么就只能捕捉到流体折射率沿垂直刀口方向的密度变化。现有的纹影仪仅能捕捉到单一方向的密度变化，无法同时测量两个方向的密度变化。
24.为解决上述技术问题，本技术实施例提出一种纹影光学系统，通过改进刀口设计，使得纹影仪能够同时测量二维方向上的密度分布，本技术实施例的刀口包括两个刀片，两个刀片在一点处接触，组合为四象限中相对两象限处为刀面的刀口，可同时实现二维方向的切光。
25.在现有的纹影系统中，使用的刀口一般仅为一普通刀口，实现一个方向光线的遮挡，仅能捕捉单个方向的密度分布。本发明中的纹影刀口为双刀口，能够实现两维垂直方向上的光线遮挡，可实现二维密度分布的捕捉。现有的纹影系统的整体结构能够实现二维密度分布测量的功能，无需改变。
26.本技术的纹影光学系统不影响现有纹影系统的基本结构，仅需改变刀口这一部件，就能够拓宽现有纹影系统的功能，能够实现二维方向的密度测量。
27.在介绍了本技术实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本技术实施例提供的技术方案进行说明。
28.如图1所示，本技术实施例提供了一种可测量二维密度分布的纹影系统，包括光源101、聚光系统102、小孔滤波器103、纹影主反射镜105、刀口装置106和成像系统107，其中，光源101为点光源，通过白光光纤光源、光纤与光纤夹持器组成，为系统提供测量光；聚光系统102为圆形凸透镜，与光源101和小孔滤波器103同轴心线；小孔滤波器103选用小孔光阑或针孔滤波器，用于滤去除点光源外的杂光，提高纹影系统的成像效果。可通过调整调整把改变孔径大小；纹影主反射镜105为设有微调支架和角度调节支架的长焦圆形凹面镜，优选的，圆形凹面镜直径为40cm，焦距为3m；微调支架调整用于保证入射点光源与出射光的焦点基本在同一空间纵向位置，角度调节支架用于将出射汇聚光线与入射点光源的成像位置尽可能接近，减小测量误差。
29.如图2和图3所示，所述刀口装置106包括结构相同的第一刀片1064和第二刀片1065以及结构相同的前夹持板1062和后夹持板1063，所述第一刀片1064呈长方形，所述第一刀片1064上设置两向刀口；所述第一刀片1064和第二刀片1065相对设置并在一点处相接触，所述第一刀片1064和第二刀片1065的相同方向的刀口边缘位于一条直线上；通过中空的前夹持板1062和中空的后夹持板1063夹紧固定好位置的第一刀片和第二刀片，然后固定
在刀口底座1061上。
30.成像系统107采用可手动对焦的长焦镜头高速相机，高速相机经手动对焦后对焦在待测流体上，相机帧数在10000帧以上，可实现百微秒级以上时间尺度测量。
31.本实施例中，纹影光学系统的工作过程为：将待测流长104放置在预设的位置处，经点光源发射的白光经聚光系统汇聚后聚在二倍焦距处，使用小孔滤波器滤去周围的杂光，之后光线射向纹影主反射镜，经反射再次汇聚为一点，刀口在光束的最小位置处将光点沿两方向切去一半，最终图像被成像系统捕捉。
32.如图4所示，基于上述实施例的系统，本技术实施例还提供了一种待测流场的二维密度分布测量方法，包括：步骤201：获取点光源发射的白光经过所述纹影光学系统的光路在成像系统中所成的第一图像；步骤202：将一块标准透镜放置在设定位置处，获取点光源发射的白光经过光路在成像系统所成的第二图像；步骤203：将待测流场放置在设定位置处，获取点光源发射的白光经过光路在成像系统所成的第三图像；步骤204：对第一图像、第二图像和第三图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的二维密度分布。
33.一般的，在原有的单方向纹影系统中，光的折射可由下面的公式表示：其中，y表示流体折射率变化梯度的方向，x表示光线前进的纵向方向，n表示折射率。
34.在本实施例中，由于独特的刀口使得还可以捕捉到与方向x垂直的z方向的折射率变化：对上述两个式子分别积分一次，可得y和z方向上角射线的偏转分量为：对于沿光轴方向l范围内，上式可表示为：其中是周围环境的折射率。与引起了成像面上明暗变化的产生。
35.具体来讲，建立在水平和竖直方向上已知折射率的标准透镜测量图像光强差值与折射率梯度差的对应标度，通过这一标度，分别重构亮区（图5中左上与右下部分）和暗区
（图5中右上和左下部分）的折射率梯度，即对于亮区，先关注水平方向，通过之前构建的标准透镜的水平光强差值与水平方向折射率梯度差的标度，构建亮区水平折射率梯度分布，再重复此过程三次（亮区竖直方向、暗区水平方向、暗区竖直方向），即可得到整个视场内的折射率梯度分布，进一步获取折射率分布时，分别在两个方向上积分即可。
36.对于一般气体，折射率与密度之间有简单的线性关系：其中g是gladstone-dale系数，那么即可通过纹影图像结果得到流场的密度变化分布。
37.具体地，该步骤包括：步骤301：基于第一图像和第二图像，构建标准透镜的光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，以及光强差值与竖直方向折射率梯度差的对应标度；本实施例中，该步骤包括：步骤3011：获取第一图像每个像素的光强值、水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度；步骤3012：获取第二图像每个像素的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度；步骤3013：将第二图像每个像素的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度分别与第一图像相同位置的光强值，水平方向折射率梯度和垂直方向折射率梯度做差，得到第二图像每个像素的光强值差，水平方向折射率梯度差和垂直方向折射率梯度差；步骤3014：基于第二图像每个像素的光强值差，水平方向折射率梯度差和垂直方向折射率梯度差，构建标准透镜的光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，以及光强差值与竖直方向折射率梯度差的对应标度。
38.步骤302：基于第一图像和第三图像，以及标准透镜的标度，获取待测流场的水平方向折射率梯度分布和竖直方向折射率梯度分布；本实施例中，该步骤包括：步骤3021：获取第三图像每个像素的光强值；将第三图像每个像素的光强值与第一图像相同位置的光强值做差，得到第三图像每个像素的光强值差；步骤3022：基于第三图像每个像素的光强值差以及标准透镜的标度，得到第三图像每个像素的水平方向折射率梯度差与竖直方向折射率梯度差；首先，根据第三图像的两个亮区的每个像素的光强值差，以及光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的水平方向折射率梯度差；其次，根据第三图像的两个亮区的每个像素的光强值差，以及光强值差与竖直方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的竖直方向折射率梯度差；再次，根据第三图像的两个暗区的每个像素的光强值差，以及光强值差与水平方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个暗区的水平方向折射率梯度差；最后，根据第三图像的两个暗区的每个像素的光强值差，以及光强值差与竖直方向折射率梯度差的对应标度，得到第三图像的两个亮区的竖直方向折射率梯度差；步骤3023：将第三图像每个像素的水平方向折射率梯度差与第一图像的相同像素的水平方向折射率梯度相加，得到待测流场的水平方向折射率梯度的分布；
步骤3024：将第三图像每个像素的竖直方向折射率梯度差与第一图像的相同像素的竖直方向折射率梯度相加，得到待测流场的竖直方向折射率梯度的分布。
39.步骤303：分别对待测流场的水平方向折射率梯度分布和竖直方向折射率梯度分布进行积分，得到待测流场的水平方向折射率分布和竖直方向折射率分布；步骤304：根据待测流场的水平方向折射率分布和竖直方向折射率分布，得到待测流场水平方向密度分布和竖直方向密度分布。
40.步骤305：根据待测流场的水平方向折射率分布和竖直方向折射率分布，得到待测流场水平方向密度分布和竖直方向密度分布。
41.通过本技术实施例的纹影光学系统，分别使用常规刀口与本技术的双方向刀口测量了稳态蜡烛火焰，使用常规刀口的拍摄结果如图6所示，使用本技术实施例的双方向刀口的拍摄结果如图5所示。
42.通过对比可以发现，图6的常规刀口的纹影测量图像仅存在左右一半明亮一半灰暗，也就是检测到水平方向的折射率；而图5中，左上与右下均为暗区，左下与右上为亮区，不仅捕捉到水平方向上的折射率变化，还捕捉到竖直方向上的折射率变化，由此实现了待测流场二维密度分布的测量。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。