基于光源拼接的大視場聚焦紋影技術初步研究

謝愛民, 部紹清, 羅錦陽

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著風洞試驗設備的發(fā)展，試驗模型及測試區(qū)域尺寸不斷增大，大視場流場顯示技術需求日益迫切。風洞中常使用的“Z”型結(jié)構(gòu)紋影系統(tǒng)(即常規(guī)紋影，光路圖如圖1所示)在測試視場Φ800mm以上時，不僅大尺寸球面反射鏡和窗口玻璃難以加工，而且價格非常昂貴。

基于菲涅耳透鏡的聚焦紋影系統(tǒng)[1-10](光路圖如圖2所示)，因大尺寸菲涅耳透鏡相對球面反射鏡更容易加工，此類聚焦紋影系統(tǒng)可用于大視場流場顯示。但目前國內(nèi)可加工的菲涅耳透鏡直徑不超過2.0m[11]，用于聚焦紋影時測試視場難以達到Φ1.5m。而國內(nèi)外相繼發(fā)展的BOS(Background Oriented Schlieren)技術結(jié)構(gòu)簡單[12-14]，可以實現(xiàn)大視場流場顯示，對圖像按照PIV(Particle Image Velocimetry)原理進行處理后可以獲得流場參數(shù)值。但BOS技術不能直接獲得流場結(jié)構(gòu)圖像，目前主要用于開展流場參數(shù)定量測量研究。

圖1 “Z”型結(jié)構(gòu)紋影系統(tǒng)光路布置圖

圖2 常規(guī)聚焦紋影系統(tǒng)光路圖

根據(jù)以上分析，目前適合風洞并滿足視場大于1.5m的流場顯示技術較少。為滿足大視場流場研究需要，主要采取重復試驗及流場圖像拼接技術，以獲得不同區(qū)域的流場顯示。

隨著高功率LED光源及其他光源技術的發(fā)展，已可實現(xiàn)高功率的光源拼接。本文提出在聚焦紋影基礎上使用光源拼接方式開展大視場聚焦紋影成像技術。其成像原理為：取消菲涅耳透鏡，利用單個LED光源或其他光源(如激光光源)拼接的大尺寸光源代替聚焦紋影系統(tǒng)中的光源和菲涅耳透鏡，通過使用一組小口徑透鏡就可以直接對測試區(qū)域進行紋影成像，并實現(xiàn)較大區(qū)域的流場顯示。本文建立了一套聚焦紋影成像原理裝置，開展了原理性驗證實驗，獲得了蠟燭火焰及熱吹風流場紋影圖像。

1 基于光源拼接的聚焦紋影成像技術

基于光源拼接的聚焦紋影成像技術是在常規(guī)聚焦紋影技術基礎上發(fā)展起來的。

1.1 常規(guī)聚焦紋影技術

聚焦紋影技術近年來發(fā)展較快，美國、日本以及國內(nèi)的中國空氣動力研究與發(fā)展中心等運用聚焦紋影技術在風洞試驗中開展了大量的研究工作[1-10]。在圖2中，光源通過菲涅耳透鏡照射到測試區(qū)域，聚焦透鏡對源格柵成像于刀口柵位置，同時對測試區(qū)域成像于圖像接收面位置。聚焦紋影系統(tǒng)的測試視場主要取決于菲涅耳透鏡及源格柵大小，由于從源格柵出來的光束以錐形方式穿過測試區(qū)域，因此測試區(qū)域越遠離源格柵時測試視場就越小。但如果測試區(qū)域距離源格柵太近，則測試區(qū)域的光束可能不均勻，而且刀口柵和圖像接收面位置會太近，刀口柵可能難以放置。目前市場上大尺寸(大于Φ1m)菲涅耳透鏡主要用于收集光束對目標加熱，其對成像質(zhì)量要求較低；靠近邊緣的相鄰圓心環(huán)的深淺及寬度相差可能很大，造成光束不均勻。圖3為Φ2m大尺寸菲涅耳透鏡存在的典型弊端，即不同圓心環(huán)的深淺不一致，聚焦紋影系統(tǒng)中使用類似菲涅耳透鏡時在成像面上會出現(xiàn)不期望的圓環(huán)。

圖3 帶有瑕疵的大尺寸菲涅耳透鏡

1.2 基于光源拼接的聚焦紋影成像技術原理

聚焦紋影系統(tǒng)中聚焦透鏡及刀口柵尺寸較小，同時圖像接收面處可以放置一種半透明物質(zhì)(如毛玻璃屏等)，這種小尺寸聚焦透鏡、刀口柵和大尺寸半透明物質(zhì)都很容易加工。因此，影響測試區(qū)域大小的主要因素為菲涅耳透鏡和源格柵的尺寸，在某些試驗中可能還包括測試窗口大小。大尺寸源格柵及窗口可以采用拼接方式，加工大尺寸菲涅耳透鏡則成為大視場聚焦紋影系統(tǒng)的難點。

為了實現(xiàn)較大視場的流場顯示，根據(jù)聚焦紋影成像原理，只要有足夠大的錐形光束通過測試區(qū)域，并能形成源格柵像則可實現(xiàn)大視場流場顯示。根據(jù)此原理，在大尺寸菲涅耳透鏡難以加工[11]的情況下提出取消菲涅耳透鏡，并用拼接的點陣光源代替，實現(xiàn)聚焦紋影成像。特別是LED光源技術的發(fā)展，單個光源的功率不斷增加且有不同規(guī)格的光源可選，利用點陣LED光源可完成較大尺寸、任意形狀的光源拼接，相應的流場測試視場可以很大。

圖4為基于光源拼接的聚焦紋影技術光路結(jié)構(gòu)圖，為了實現(xiàn)測試區(qū)域光束均勻，在光源和源格柵之間增加了柔光屏。

由于從光源發(fā)出的光束收集效率較低，為最大限度收集光束，故需要大口徑的聚焦透鏡。如果光源使用白光，消像差大口徑透鏡研制難度較大。如果使用LED光源，最好使用波長接近的紅光、綠光等，降低透鏡消色差要求。

圖4 基于光源拼接的聚焦紋影成像系統(tǒng)

Fig.4Focusingschlierenimagingsystembasedontiledlightsource

從源格柵位置發(fā)出的光束為散射光束，因此在聚焦透鏡位置還可放置多組其他聚焦透鏡，可以對測試區(qū)域不同位置或其他測試區(qū)域流場進行顯示。通過放置多組聚焦透鏡方式可顯示更大測試區(qū)域的流場，當其他聚焦透鏡聚焦在不同截面時，則同時實現(xiàn)對多個測試截面的流場顯示。

(1)

(2)

式中λ為光源波長，b為刀口柵亮條紋寬度。

2 系統(tǒng)光路仿真

測試區(qū)域的照明均勻性將影響紋影圖像背景的均勻性，光源的收集效率決定光源使用多大功率和使用多大口徑的成像透鏡才能滿足感光介質(zhì)的正常感光。最直接有效的方法是采用光學仿真軟件，如Zemax軟件模擬使用環(huán)境獲得這2個參數(shù)。

(a) 小視場的照明均勻性仿真

采用10×10陣列LED光源拼接為400mm×400mm光源，光源總功率為300W，單個光源以180°的立體角進行發(fā)散，流場顯示區(qū)域為300mm×300mm。在距離光源575mm的測試區(qū)域放置了400mm×400mm能量感知探測器。LED光源越靠近邊緣對測試區(qū)域的貢獻越低，因此，LED光源的布置不會是等間距均勻布置，靠近邊緣燈的間距要比中心燈的間距小。從圖5可以看出,320mm×320mm的區(qū)域照明均勻性較好。

圖5 測試區(qū)域均勻照明仿真效果圖

(b) 大視場的成像面上照明仿真

為滿足2m×1.2m區(qū)域的大視場流場顯示，源格柵與光源(布局和發(fā)光方式同小視場一樣)尺寸設計為4m×2m，成像屏尺寸為250mm×500mm，并在測試區(qū)域放置一個錐模型。

圖6是拼接光源為5000W時成像屏的照明仿真結(jié)果，成像屏只能收集到0.1W的光，光束收集效率只有50萬分之一。較好的高光效LED可以達到100流明/瓦以上，則成像屏上的照明只有1流明。使用拍屏方式(如圖4所示)時則成像屏的照度至少需達到4流明，因此，采用此方式的光源布置時光源功率會超過20 000W，這對于光源電路、散熱、裝配和維護等都是一種考驗。

圖6 成像面上均勻照明仿真效果圖

大視場成像時可取消成像屏或采用其他方式提高光源收集效率。由于此仿真中光源數(shù)量多，單次仿真耗時達到幾十小時，后期工作中將進一步開展并改進仿真手段。

其他參數(shù)的仿真結(jié)果對系統(tǒng)的設計也非常重要，特別是對于聚焦透鏡的仿真。在聚焦紋影光路中，不僅要求聚焦透鏡能夠把源格柵清晰成像在刀口柵位置，同時要求把測試區(qū)域成像在成像屏上。良好的聚焦透鏡不僅能夠提高成像分辨率，而且也能提高系統(tǒng)的靈敏度。

3 原理性裝置

為驗證系統(tǒng)設計效果，包括驗證成像清晰度、靈敏度及流場圖像背景的均勻性是否滿足要求，建立了一套視場Φ150mm的原理性裝置，為基于此方法的大視場流場技術開展奠定基礎。原理性裝置見圖7。

圖7 聚焦紋影系統(tǒng)實物圖

(a) 光源

光源采用100顆綠光LED光源拼接而成，每顆光源的最高功率為3W。圖8為拼接的LED光源，由穩(wěn)壓電源進行供電。因為光源在使用中會產(chǎn)生大量熱，光源背部放置了帶凹槽的鋁板散熱。

圖8 拼接的LED光源實物圖

(b) 柔光屏和源格柵

為提高測試區(qū)域照明的均勻性，在光源和源格柵之間增加柔光屏，柔光屏可以是硫酸紙或毛玻璃屏。為簡化柔光屏和源格柵的制作，此原理性裝置直接在柔光屏上打印一定間距的暗條紋。明暗條紋參數(shù)選擇需要綜合考慮靈敏度、聚焦深度、光束均勻性等參數(shù)[6]。圖9為光源照亮后的源格柵實物圖。

圖9 照亮的源格柵

(c) 聚焦透鏡

聚焦透鏡用于對測試區(qū)域及源格柵成像，口徑越大越利于光束的收集，對光源的功率要求就越低，但由多組鏡片組成的消像差大口徑透鏡制造難度很大。因此，光源采用綠色LED光源，有利于消像差大口徑透鏡的設計。在原理性裝置中，聚焦透鏡口徑設計為30mm，由4組鏡片組成，實現(xiàn)了目標的高分辨率成像。

(d) 刀口柵

源格柵按照比例縮小后復制在膠片上制成刀口柵。為了實現(xiàn)刀口柵準確放置在源格柵像位置并滿足靈敏度調(diào)節(jié)要求，刀口柵的調(diào)整支架必須具備上下、左右、前后及俯仰調(diào)節(jié)功能。圖10為刀口柵實物圖。

圖10 刀口柵實物圖

(e) 成像屏

成像屏采用硫酸紙，為了保證平整性，硫酸紙鑲在2塊玻璃之間。

(f) 圖像記錄系統(tǒng)

圖像記錄系統(tǒng)的幀頻、分辨率等參數(shù)設置需要綜合考慮測試目標、光源參數(shù)等因素。原理性驗證中，該系統(tǒng)使用帶有錄像功能的單反數(shù)字相機。

4 驗證實驗

為驗證系統(tǒng)的成像靈敏度、圖像光斑均勻性、聚焦深度等，對點燃蠟燭和電吹風流場進行了顯示。圖11(a)～(d)分別是刀口柵未切取光源像、切取1/3、切取1/2、切取3/4左右時獲得的流場圖像，聚焦區(qū)域位于蠟燭火焰。圖12為熱吹風流場圖像。

為了檢測裝置的聚焦效果，在相距50mm的位置分別放置了2支點燃蠟燭，如圖13所示。位于聚焦平面的蠟燭火焰流場清晰，位于非聚焦平面的蠟燭火焰流場已經(jīng)均勻化。此聚焦紋影成像方式同使用菲涅耳透鏡的聚焦紋影成像一樣，具有明顯的聚焦特性。

從圖11～13可以看出，整個測試區(qū)域圖像背景光斑均勻，蠟燭火焰及熱吹風紋影圖像中的氣流擾動特征明顯。

圖11 不同程度切取光源像時的流場圖像

Fig.11Flowimagesoflightsourceimagewithdifferentdegreesofcutting

圖12 電吹風產(chǎn)生的熱風流場圖像

圖13 位于不同截面的蠟燭火焰流場

5 展 望

基于光源拼接的聚焦紋影成像系統(tǒng)采用了柔光屏和成像接收屏，而因為從源格柵出來的光束發(fā)散角度較大，故聚焦透鏡收集的光束較少。根據(jù)圖5可知測試區(qū)域探測器總功率只有7.8W，光源的利用率只有2.6%，而更大視場時收集效率更低。為提高光源的收集效率，可以取消圖4中的成像屏，在聚焦透鏡后方像面附近增加場鏡，實現(xiàn)測試區(qū)域流場圖像直接成像在圖像感光介質(zhì)上，如圖14所示的光路結(jié)構(gòu)。此外，因為成像屏(無論是毛玻璃還是硫酸紙等)本身是粗糙的，這種粗糙顆粒狀不均勻的表面會成為流場圖像背景，降低了成像分辨率，而使用圖14所示的場鏡也有助于提高成像分辨率。

圖14 采用場鏡的聚焦紋影成像光路結(jié)構(gòu)

另外，直接把LED光源作為源格柵，并在前端放置可以聚光的聚光鏡，以此降低光束的發(fā)散角，并大幅提高光束收集效率。但測試區(qū)域光束的均勻性、成像靈敏度等參數(shù)是否滿足要求還需要進一步驗證。

因為場鏡口徑較大，使用玻璃加工的透鏡組不僅成本較高，而且部分大尺寸原材料可能無法得到，故在只需要獲得流場局部區(qū)域信息時可以減小場鏡尺寸。對于一些成像分辨率要求較低的測試中，場鏡可嘗試使用菲涅耳透鏡。

6 結(jié) 論

(1) 原理性實驗驗證表明，基于光源拼接的聚焦紋影成像系統(tǒng)可以清晰獲得流場圖像，其聚焦深度和靈敏度等方面同使用菲涅耳透鏡的聚焦紋影系統(tǒng)一樣；

(2) 基于光源拼接的聚焦紋影成像系統(tǒng)中,盡管光源功率損失較大，但隨著高功率LED光源、激光光源的發(fā)展，成像面上的光束功率仍可滿足使用要求。利用此技術可以開展更大尺寸的光源拼接，為大視場流場顯示提供一種可行的新途徑；

(3) 通過進一步研究取消成像屏、增加聚光鏡的成像方式，有望于大幅提高成像分辨率和降低光源功率。