一种流场多截面纹影同步显示系统及方法与流程

1.本发明涉及高速和超高速流场的光学流动显示技术领域，具体地，涉及一种流场多截面纹影同步显示系统及方法。


背景技术：

2.纹影技术是一种常规光学测量方法，主要是用于测量透明介质引起光线偏折的流场情况，它反映的是整个光程折射率场变化的一阶导数，在高速风洞试验现场得到了广泛地使用，是一种较为直观和传统的流场诊断手段。纹影中采用源格栅代替狭缝且采用刀口栅代替刀口的纹影仪叫做聚焦纹影仪。与常规的纹影技术相比，聚焦纹影具有明显的优势，它可以对某个截面聚焦，仅观察该截面两侧一个锐聚焦区域内的密度梯度，可避免风洞附面层或其它流场扰动对成像的干扰，从而更准确地反映该聚焦截面处模型周围绕流流场的细节。但是目前的聚焦纹影技术也仅能对某个截面聚焦，不具备复杂三维流场显示能力。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服上述技术问题，提供一种流场多截面纹影同步显示系统及方法，用该系统和方法能同步显示流场中任意截面的纹影图像，并对复杂流场结构实现三维重建。
4.为实现上述发明目的，本发明提供了一种流场多截面纹影同步显示系统，所述系统包括沿光路传播方向依次分布的：光源、第一聚光镜、源格栅、成像透镜、刀口栅、第二聚光镜、光场相机和计算机；
5.所述光源用于发出光线；所述第一聚光镜用于对所述光源发出的光线进行汇聚，并将汇聚后的光线并射入所述源格栅中；光线从所述源格栅中射出后经过待测流场区域后射入所述成像透镜；所述成像透镜用于将所述源格栅成像到所述刀口栅上形成明暗相间的条纹，以及用于将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述第二聚光镜之间的位置；从所述成像透镜射出的光线射入所述刀口栅，所述第二聚光镜用于对从所述刀口栅射出的光线进行汇聚；所述光场相机用于采集所述第二聚光镜汇聚后光线的光场信息；所述计算机用于对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果，进而能够实现同步显示流场中任意截面的纹影图像，并对复杂流场结构实现三维重建。
6.优选的，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理的步骤包括：
7.步骤1：由光场相机的微透镜阵列和光电探测器阵列采集获得所述光场信息，基于所述光场信息，将光场投影积分到第一对焦面上获得纹影图像；
8.步骤2：基于光学系统的物像关系获得所述纹影图像在所述待测流场区域中的位置信息；
9.步骤3：重复执行步骤1-步骤2直至获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像；
10.步骤4：基于每个所述纹影图像对应的所述位置信息，将所有所述纹影图像进行叠加获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
11.优选的，所述纹影图像采用以下方式获得：
[0012][0013]
其中，i(s
′
,t
′
)为第一对焦面上坐标点(s
′
,t
′
)处的光强，s
′
、t
′
为第一对焦面上的坐标点，u、v为光场相机镜头主面上的坐标点，l为光场相机镜头主面与微透镜阵列所在平面之间的距离，l
′
为光场相机镜头主面与第二焦面之间的距离，且l
′
＝αl。du、dv为光场相机镜头主面出的积分面元。为通过坐标点(u,v)和坐标点标点的光线强度，α为对焦倍率。
[0014]
优选的，所述第一聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜。
[0015]
优选的，所述源格栅上分布有若干遮光条纹和若干透光狭缝，相邻2条遮光条纹之间分布有一条透光狭缝。
[0016]
优选的，所述成像镜头是经过优化设计的透镜组。
[0017]
优选的，所述刀口栅为所述源格栅的共轭成像反相屏，起到常规纹影中刀口的作用，通过调节所述刀口栅的位置调节系统的灵敏度和图像灰度。
[0018]
优选的，所述第二聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜或透镜组。
[0019]
优选的，所述光场相机包括相机镜头、微透镜阵列和光电探测器阵列，相机镜头的主面与探测器阵列满足物像共轭关系，且相机镜头的像方光圈数与微透镜阵列的光圈数相等。
[0020]
本发明还提供了一种基于所述的一种流场多截面纹影同步显示系统的流场多截面纹影同步显示方法，所述方法包括：
[0021]
步骤a：根据待测流场区域的位置和大小信息安装所述流场多截面纹影同步显示系统；
[0022]
步骤b：开启所述光源、所述光场相机和所述计算机，并对所述流场多截面纹影同步显示系统进行测试，测试通过后执行步骤c；
[0023]
步骤c：所述光源发出的光经过所述第一聚光镜的汇聚后照亮所述源格栅，透过所述源格栅的光线照亮所述待测流场区域，所述成像透镜将所述源格栅成像到所述刀口栅的位置，所述成像透镜将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述光场相机之间，横向调节所述刀口栅对光线进行部分遮挡，透过所述刀口栅的光线被所述第二聚光镜汇聚后由所述光场相机采集；
[0024]
步骤d：所述光场相机将光场信息传输给所述计算机，在所述计算机中进行数字对焦，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
[0025]
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0026]
利用本系统或方法可以实现流场的非接触测量，不干扰被测流场。
[0027]
本系统或本方法仅观察聚焦截面处模型周围绕流流场的密度梯度，可避免风洞附
面层或其它流场扰动对成像的干扰。
[0028]
本系统或本方法将聚焦纹影技术与光场成像技术相结合，可获取同一时刻流场中任意聚焦截面的纹影图像，并通过图像叠加实现三维重建。
附图说明
[0029]
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，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
[0030]
图1是本发明中流场多截面纹影同步显示系统的组成示意图；
[0031]
图2是本发明中光场的四维参数化表征；
[0032]
图3是本发明中数字重聚焦原理图；
[0033]
图4是本发明中流场多截面纹影同步显示方法的流程示意图；
[0034]
其中，1-光源，2-第一聚光镜，3-源格栅，4-待测流场区域，5-成像透镜，6-刀口栅，7-第二聚光镜，8-光场相机，9-计算机。
具体实施方式
[0035]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0036]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0037]
实施例一
[0038]
本发明实施例一提供了一种流场多截面纹影同步显示系统，所述系统包括沿光路传播方向依次分布的：光源、第一聚光镜、源格栅、成像透镜、刀口栅、第二聚光镜、光场相机和计算机；
[0039]
所述光源用于发出光线；所述第一聚光镜用于对所述光源发出的光线进行汇聚，并将汇聚后的光线并射入所述源格栅中；光线从所述源格栅中射出后经过待测流场区域后射入所述成像透镜；所述成像透镜用于将所述源格栅成像到所述刀口栅上形成明暗相间的条纹，以及用于将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述第二聚光镜之间的位置；从所述成像透镜射出的光线射入所述刀口栅，所述第二聚光镜用于对从所述刀口栅射出的光线进行汇聚；所述光场相机用于采集所述第二聚光镜汇聚后光线的光场信息；所述计算机用于对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
[0040]
请参考图1，图1为流场多截面纹影同步显示系统的组成示意图，光源1(可以为高亮led，或其他类型的光源，本实施例不对具体的光源类型进行限定)发出的光线被第一聚光镜2会聚照明源格栅3。透过源格栅3的会聚光线照明待测流场区域4，进入成像透镜5。成像透镜5会将源格栅3成像到刀口栅6上，形成明暗相间的条纹。另外，成像透镜5还会将待测流场区域4成像到刀口栅6与第二聚光镜7之间的位置。横向调节刀口栅6可对光线进行部分遮挡，透过刀口栅6的光线被第二聚光镜7汇聚，最后由光场相机8采集。采集到的光场信息
由计算机9进行存储、处理和显示。在计算机9中进行数字对焦，即将采集到的光场信息重新投影到新的像平面上进行积分运算。原理如下所述：
[0041]
在几何光学中，光场就是光线强度在空间中的位置和方向分布，该分布函数可以用光线和两个平行平面的交点坐标进行表示。如图2所示，l(u,v,s,t)表示光场的一个采样，其中l为光线的强度，(u,v)和(s,t)分别为光线与两个平面的交点坐标。
[0042]
为了便于进一步说明数字对焦的原理，将光场简化为二维情形，如图3所示，设l(u,s)为采集到的光场，u和s分别表示光场相机镜头主面和微透镜阵列所在平面，两个平面之间的距离为l。选择新的对焦平面s’，与u之间的距离为l’，令l’＝αl，α为对焦倍率。s’面上所成的像等于us’之间光场的积分，即：
[0043][0044]
其中，i(s
′
)为新对焦面上坐标点s
′
处的光强，l
′
(u,s
′
)为通过点u和点s
′
的光线强度，du为光场相机镜头主面处的积分面元。
[0045]
对于同一条光线，有：
[0046]
l(u,s)＝l
′
(u,s
′
)
ꢀꢀ
(2)
[0047]
同时根据光线与各平面的交点坐标可得：
[0048][0049]
变换后为：
[0050][0051]
将其先后代入等式(2)和等式(1)，得到：
[0052][0053]
此及为光场投影到新对焦面上的二维成像公式。同理光场投影到新对焦面上的四维成像公式可表示为：
[0054][0055]
在获得新对焦面上的纹影图像之后，可以根据光学系统的物像关系(牛顿公式或高斯公式)确定该截面的纹影图像在流场中的具体位置。通过这样的多次计算，获得同一时刻不同截面的纹影图像之后，可以采用图像叠加的方法实现纹影图像的三维重建。
[0056]
其中，在本发明实施例中，所述第一聚光镜为直径300mm以上的菲涅尔透镜或光学透镜，便于在流场中获得较大的视场范围。
[0057]
优选的，所述源格栅上分布有若干遮光条纹和若干透光狭缝，相邻2条遮光条纹之间分布有一条透光狭缝。遮光条纹宽度和透光狭缝宽度需要根据整个测量光路的尺寸进行综合考虑，它们的取值会对聚焦纹影系统的分辨率和锐聚焦深度产生影响。
[0058]
其中，在本发明实施例中，所述成像镜头是经过专业光学设计软件优化设计的定焦透镜组，其口径需要与观察的视场范围相匹配，且全视场范围内的点列图尺寸小于10微米，最大视场的成像畸变小于0.5％，该成像镜头能够对源格栅和流场进行高质量成像。
[0059]
其中，在本发明实施例中，所述刀口栅为所述源格栅的共轭成像反相屏，起到常规
纹影中刀口的作用，通过调节所述刀口栅的位置调节系统的灵敏度和图像灰度。
[0060]
其中，在本发明实施例中，所述第二聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜或透镜组。其作用一是将通过刀口栅的光线进行汇聚，提高纹影图像的亮度；二是调节放大倍率，将成像镜头所成的一次像按合适的放大倍率成像在光场相机的探测器上。第二聚光镜应与成像镜头具有相同的像差和畸变要求。
[0061]
其中，在本发明实施例中，所述光场相机包括相机镜头、微透镜阵列和光电探测器阵列。相机镜头相当于传统相机的物镜，在它的像面处布置微透镜阵列，探测器则放置在微透镜阵列的焦距处。为了最大程度利用探测器的像元，相邻微透镜的子图像应在边界处相切，因此相机镜头的像方f数与微透镜阵列的f数相等。
[0062]
实施例二
[0063]
请参考图4，图4为流场多截面纹影同步显示方法的流程示意图，本发明实施例二提供了一种基于所述的一种流场多截面纹影同步显示系统的流场多截面纹影同步显示方法，所述方法包括：
[0064]
步骤a：根据待测流场区域的位置和大小信息安装所述流场多截面纹影同步显示系统；
[0065]
步骤b：开启所述光源、所述光场相机和所述计算机，并对所述流场多截面纹影同步显示系统进行测试，测试通过后执行步骤c；
[0066]
步骤c：所述光源发出的光经过所述第一聚光镜的汇聚后照亮所述源格栅，透过所述源格栅的光线照亮所述待测流场区域，所述成像透镜将所述源格栅成像到所述刀口栅的位置，所述成像透镜将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述光场相机之间，横向调节所述刀口栅对光线进行部分遮挡，透过所述刀口栅的光线被所述第二聚光镜汇聚后由所述光场相机采集；
[0067]
步骤d：所述光场相机将光场信息传输给所述计算机，在所述计算机中进行数字对焦，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
[0068]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0069]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。