一种多位相同步观测的纹影仪光学系统及流场观测方法

1.本发明涉及流场显示及测量技术领域，尤其涉及一种多位相同步观测的纹影仪光学系统及流场观测方法。


背景技术：

2.纹影技术是纹影系统进行流场显示和测量的最常采用的光学方法，纹影技术是一种非侵入式的流场研究方法，其测量原理是光在被测流场中的折射率变化梯度与流场由运动引起的密度变化成正比关系。由于这种技术对流场密度变化十分敏感并且不干扰流场，故在燃烧学、激波、风洞流场及水洞流场等领域的研究中被广泛采用。
3.然而，现有的反射式纹影系统每次观测得到的结果只是一个角度方向上的流场结构信息，并不能准确反应多个角度方向上流场结构信息；若要采用传统的反射式纹影系统观测多个角度方向上流场结构信息，则需要通过改变观测方向进行两次观测，但这两次观测结果所获得的流场信息又缺乏同步性，尤其是对于焊接过程中的电弧流场或震荡的火焰这一类非稳态流场而言，即便有两次观测结果，也只能反应一段时间内多个角度方向上的流场结构信息，无法对流场结构信息进行多位相同步观测。


技术实现要素：

4.本发明提供一种多位相同步观测的纹影仪光学系统及流场观测方法，用以解决现有技术中纹影仪光学系统无法同步多位相地对流场结构信息进行检测的问题。
5.第一方面，本发明提供一种多位相同步观测的纹影仪光学系统，包括：光入射装置、光出射装置及探测器组件；
6.所述光入射装置设于待测流场的一侧，所述光出射装置设于所述待测流场的另一侧；其中，所述光出射装置包括：聚焦反射镜、第一反射镜、分束镜、第一刀口及第二刀口，所述探测器组件包括第一探测器及第二探测器；
7.所述光入射装置发射出的光线经过所述待测流场后传播至所述聚焦反射镜，所述聚焦反射镜用于对所述光线进行汇聚，并将汇聚后的光线反射至所述第一反射镜，所述第一反射镜用于将所述汇聚后的光线反射至所述分束镜，所述分束镜用于对所述汇聚后的光线进行分光，且分为第一光束和第二光束；
8.所述第一探测器与所述第一刀口对应设置，所述第一光束经过所述第一刀口后能够在所述第一探测器成像；所述第二探测器与所述第二刀口对应设置，所述第二光束经过所述第二刀口后能够在所述第二探测器成像。
9.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，所述分束镜用于将所述汇聚后的光线分成光强比相同的所述第一光束和所述第二光束。
10.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，其特征在于，所述分束镜为中性分束镜，所述中性分束镜的透射光与反射光的光强比为50：50。
11.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，所述多位相同步观测的纹
影仪光学系统还包括第一驱动件及第二驱动件；
12.所述第一驱动件与所述第一刀口连接，在所述第一驱动件的作用下，所述第一刀口能够绕其轴线旋转；所述第二驱动件与所述第二刀口连接，在所述第二驱动件的作用下，所述第二刀口能够绕其轴线旋转。
13.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，所述光入射装置包括：光源、狭缝、第二反射镜及准直反射镜；
14.所述光源、所述狭缝及所述第二反射镜位于同一直线且依次排布；所述光源发射出的光线能够在经过所述狭缝后照射至所述准直反射镜，所述准直反射镜用于将滤光后的光线变换为平行光线。
15.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，所述第一探测器和所述第二探测器均为ccd图像传感器。
16.根据本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，所述多位相同步观测的纹影仪光学系统还包括图像处理器；
17.所述图像处理器与所述第一探测器和所述第二探测器电性连接，所述图像处理用于所述第一探测器得到的图像和所述第二探测器得到的图像进行合成处理。
18.第二方面，本发明还提供一种基于第一方面任一项所述的多位相同步观测的纹影仪光学系统的流场观测方法，包括：
19.光入射装置发射出入射光，所述入射光自待测流场的一端穿设；
20.所述聚焦反射镜对穿设处的光线进行汇聚，并反射至第一反射镜上；
21.所述第一反射镜将所述光线反射至分束镜；
22.所述分束镜对所述光线进行分光，分成第一光束和第二光束；
23.转动第一刀口，对所述第一光线进行调整，使所述第一光束在第一探测器上成像；转动第二刀口，对所述第二光束进行调整，使所述第二光束在第二探测器上成像。
24.根据本发明提供的流场观测方法，在纹影图像一半明亮一半黑暗的情况下，将所述第一刀口和所述第二刀口调整到相差180
°
的状态，所述第一光线和所述第二光线在所述第一探测器中和所述第二探测器中呈现相差180
°
的两个纹影图像；
25.将所述第一探测器中和所述第二探测器接入图像处理器，所述图像处理器对两个所述纹影图像进行处理，得到一个完整清晰的纹影图像。
26.根据本发明提供的流场观测方法，在需要测量所述待测流场的速度的情况下，将所述第一刀口和所述第二刀口调整至相互垂直状态，所述第一光线和所述第二光线在所述第一探测器中和所述第二探测器中呈现所述待测流场在二维方向上的纹影图像；
27.将所述第一探测器中和所述第二探测器接入图像处理器，所述图像处理器对两个所述纹影图像进行处理，得到所述待测流场在二维方向上的速度矢量。
28.本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，包括：光入射装置、光出射装置及探测器组件，其中，光出射装置包括：聚焦反射镜、第一反射镜、分束镜、第一刀口及第二刀口，通过设置分束镜将经过待测流场出射的光线进行分光，即分为相同的两束光，两束光分别经由第一刀口和第二刀口成像于对应的第一探测器和第二探测器，以实现对被测流场的多位相同步观测。因此，本发明提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，相较于现有技术，不需要对待测流场进行两次不同角度的观测，同时也避免了在两次观测之间由于时间
间隔等因素产生的观测误差，实现了被测流场的多位相同步观测，其观测结构更为准确。
29.本发明提供的基于多位相同步观测的纹影仪光学系统的流场观测方法，由于其采用了多位相同步观测的纹影仪光学系统进行实施，因此其具有上述多位相同步观测的纹影仪光学系统的全部有益效果，而且，还能够根据不用场景检测流场的纹影信息和流场的速度矢量。
30.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
32.图1是本发明实施例提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统的成像图；
34.附图标记：
35.1：光入射装置；11：光源；12：狭缝；13：第二反射镜；14：准直反射镜；2：光出射装置；21：聚焦反射镜；22：第一反射镜；23：分束；24：第一刀口；25：第二刀口；3：探测器组件；31：第一探测器；32：第二探测器；4：待测流场。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
37.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
40.此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
42.下面结合图1描述本发明实施例提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统及流场观测方法。
43.第一方面，本发明实施例中的多位相同步观测的纹影仪光学系统，包括：光入射装置1、光出射装置2及探测器组件3。
44.光入射装置1设于待测流场4的一侧，光出射装置2设于待测流场4的另一侧；其中，光出射装置2包括：聚焦反射镜21、第一反射镜22、分束镜23、第一刀口24及第二刀口25，探测器组件3包括第一探测器31及第二探测器32。
45.光入射装置1发射出的光线经过待测流场4后传播至聚焦反射镜21，聚焦反射镜21用于对光线进行汇聚，并将汇聚后的光线反射至第一反射镜22，第一反射镜22用于将汇聚后的光线反射至分束镜23，分束镜23用于对汇聚后的光线进行分光，且分为第一光束和第二光束。
46.第一探测器31与第一刀口24对应设置，第一光束经过第一刀口24后能够在第一探测器31成像；第二探测器32与第二刀口25对应设置，第二光束经过第二刀口25后能够在第二探测器32成像。
47.具体地，如图1所示，待测流场4位于光入射装置1和光出射装置2之间，光入射装置1的作用是向待测流场4提供入射光，入射光经过待测流场4后由光出射装置2射出，并在探测器组件3上进行成像。
48.如图1所示，光出射装置2由聚焦反射镜21、第一反射镜22、分束镜23、第一刀口24及第二刀口25组成，其中，聚焦反射镜21能够对经过待测流场4射出的光进行聚焦。
49.分束镜23能够对聚焦后的光进行分光，例如，分为两个相同的第一光束和第二光束，第一光束经过第一刀口24在第一探测器31上进行成像，第二光束经过第二刀口25在第二探测器32上进行成像。
50.在本技术的一些实施例中，第一刀口24和第二刀口25的设置可以为如图1所示的相互垂直状态，也可以呈其他夹角角度设置，能够实现对不同角度的光束进行成像即可。
51.当需要对两个不同角度的纹影图像进行同步观测时，可以将两个刀口调整到所需要的任意角度，而后光线经过所述的光路，就可以在所述探测器中呈现不同角度的两个纹影图像。
52.例如，将第一刀口24设置为水平状态，即0
°
，第二刀口25设置为竖直状态，即90
°
，如此便同时对竖直和水平两个方向进行观测，得到两个方向的纹影图像。
53.当需要对两个纹影图像进行合成时，可以将两个刀口调整到相差180
°
的状态，而后两束光线就可以在探测器中呈现相差180
°
的两个纹影图像。
54.例如，将第一刀口24和第二刀口25分别调整到0
°
和180
°
，就可以观测到两个纹影图像的合成图像。
55.在本发明实施例中，待测流场4为温度场、浓度场或速度场。
56.本发明实施例提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，光入射装置1、光出射装置2及探测器组件3，其中，光出射装置2包括：聚焦反射镜21、第一反射镜22、分束镜23、第一刀口24及第二刀口25，通过设置分束镜23将经过待测流场4出射的光线进行分光，即分为相同的两束光，两束光分别经由第一刀口24和第二刀口25成像于对应的第一探测器31和第二探测器32，以实现对被测流场的多位相同步观测。
57.因此，本发明实施例提供的多位相同步观测的纹影仪光学系统，相较于现有技术，不需要对待测流场4进行两次不同角度的观测，同时也避免了在两次观测之间由于时间间隔等因素产生的观测误差，实现了被测流场的多位相同步观测，其观测结构更为准确
58.在可选的实施例中，分束镜23用于将汇聚后的光线分成光强比相同的第一光束和第二光束。
59.进一步地，分束镜23为中性分束镜23，中性分束镜23的透射光与反射光的光强比为50：50。
60.具体地，分束镜23可以为立方体非偏振分束镜23，分束镜23的作用是将聚焦反射镜21汇聚后的光线分成光强比相等的两束光，分束镜23采用透射和反射光强比为50：50的中性分束镜23，把一束光分成光谱成分相同的两束光，其在一定的波长区域内，对各波长具有相同的透射率和反射率。
61.在可选的实施例中，多位相同步观测的纹影仪光学系统还包括第一驱动件及第二驱动件。
62.第一驱动件与第一刀口24连接，在第一驱动件的作用下，第一刀口24能够绕其轴线旋转；第二驱动件与第二刀口25连接，在第二驱动件的作用下，第二刀口25能够绕其轴线旋转。
63.具体地，为了实现第一刀口24和第二刀口25的自由旋转，即根据需要改变刀口的角度，从而改变成像的角度，得到对应的成像图像，在刀口上连接有驱动件，通过驱动件来驱动第一刀口24和第二刀口25的转动。
64.在可选的实施例中，光入射装置1包括：光源11、狭缝12、第二反射镜13及准直反射镜14。
65.光源11、狭缝12及第二反射镜13位于同一直线且依次排布；光源11发射出的光线能够在经过狭缝12后照射至准直反射镜14，准直反射镜14用于将滤光后的光线变换为平行光线。
66.其中，光源11为led光或激光，采用的光源11光谱范围宽，光照均匀。
67.进一步地，狭缝12用于将光源11发射出的光线匀分成四个窄带光斑并对其进行滤光。
68.在可选的实施例中，第一探测器31和第二探测器32均为ccd图像传感器，图像传感器ccd(charge coupled device)为感光元件。
69.在可选的实施例中，多位相同步观测的纹影仪光学系统还包括图像处理器。
70.图像处理器与第一探测器31和第二探测器32电性连接，图像处理用于第一探测器31得到的图像和第二探测器32得到的图像进行合成处理。
71.在本发明的一些实施例中，在使用纹影仪观测电弧或火焰燃烧时，纹影图像会出现一半明亮一半黑暗的情况，将两个刀口分别调整到0
°
和180
°
的状态，光源11发射的入射
光经过狭缝12、第一反射镜22和准直反射镜14后进入流场，光线自流场出射后，经过聚焦反射镜21聚焦，再经第二反射镜13、分束镜23分为两束光，两束光分别经过两个刀口在探测器成像，即可以在探测器中呈现0
°
和180
°
的两个纹影图像，最后将两台探测器接入计算机，经图像处理器处理后，即可得到两个纹影图像的实时合成观测，如图2所示，得到一个完整的火焰燃烧时的气体流场纹影图像，本发明的这一观测技术能够有利于对火焰燃烧时的气体流场进行温度，流速以及密度的定量测量。
72.此外，在使用纹影测速法测量流场中的速度时，由于流场平均速度范围有2到3个数量级，其范围很大，对其进行全面测量时，需要几个不同时间差值的纹影测速仪才能进行完整的测量，但是，现有的纹影测量装置中只有一个探测器，无法进行同步检测。使用本发明实施例中的多位相同步观测的纹影仪光学系统进行测量时，仅需要将两个刀口调整到相同的状态，而后光线经过如上所述的路径，光线经分束镜23分为两束光，分别经过两个刀口在探测器上成像，两个探测器分别为两种不同时间差值的纹影测速仪，可以解决纹影测速法应用时速度范围大，无法同时测速的问题。
73.第二方面，本发明实施例还提供一种基于第一方面的多位相同步观测的纹影仪光学系统的流场观测方法，包括：
74.步骤1：光入射装置发射出入射光，入射光自待测流场的一端穿设。
75.步骤2：聚焦反射镜对穿设处的光线进行汇聚，并反射至第一反射镜上。
76.步骤3：第一反射镜将光线反射至分束镜。
77.步骤4：分束镜对光线进行分光，分成第一光束和第二光束。
78.步骤5：转动第一刀口，对第一光线进行调整，使第一光束在第一探测器上成像；转动第二刀口，对第二光束进行调整，使第二光束在第二探测器上成像。
79.在可选的实施例中，在纹影图像一半明亮一半黑暗的情况下，将第一刀口和第二刀口调整到相差180
°
的状态，第一光线和第二光线在第一探测器中和第二探测器中呈现相差180
°
的两个纹影图像。
80.将第一探测器中和第二探测器接入图像处理器，图像处理器对两个纹影图像进行处理，得到一个完整清晰的纹影图像。
81.在可选的实施例中，在需要测量待测流场的速度的情况下，将第一刀口和第二刀口调整至相互垂直状态，第一刀口和第二刀口分别可以沿x轴和y轴设置，第一光线和第二光线在第一探测器中和第二探测器中呈现待测流场在二维方向(x轴方向和y轴方向)上的纹影图像。
82.将第一探测器中和第二探测器接入图像处理器，图像处理器对两个纹影图像进行处理，得到待测流场在二维方向上的速度矢量。
83.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。