結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)在瑞利散射成像去雜散光應(yīng)用中的研究

閆 博, 蘇 鐵, 陳 爽,*, 陳 力, 楊富榮, 涂曉波, 母金河

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000; 2. 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，激光片光成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，因其具有非接觸、可視化及低成本等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)迅速在流場(chǎng)顯示和流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量中嶄露頭角，并得到快速發(fā)展[1-4]。目前基于激光片光成像的技術(shù)主要有瑞利散射(Rayleigh Scattering, RS)成像[5]、激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)[6]、激光誘導(dǎo)磷光(Laser Induced Phosphorescence, LIP)[7]等。但在實(shí)際應(yīng)用中，這些技術(shù)都會(huì)受到雜散光干擾強(qiáng)、相機(jī)熱噪聲影響等因素的限制，影響了該類測(cè)量技術(shù)的光學(xué)成像質(zhì)量[8]。

目前，為消除雜散光干擾，通常采用啞光漆、熒光漆和分子濾波池對(duì)背景雜散光進(jìn)行有效抑制，進(jìn)而可提高激光片光成像的質(zhì)量[9]。但是，當(dāng)雜散光干擾嚴(yán)重時(shí)，這些方法并不能完全濾除掉雜散光信號(hào)，此時(shí)激光片光成像方法難以得到理想的光學(xué)成像結(jié)果。

結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)(Structured Laser Illumination Planar Imaging，SLIPI)是一種基于鎖相放大技術(shù)和空間光調(diào)制技術(shù)的綜合光學(xué)成像技術(shù)[10-12]，該技術(shù)源于生物測(cè)量技術(shù)，并被瑞典Lund大學(xué)首次應(yīng)用到噴霧流場(chǎng)以及燃燒場(chǎng)診斷中。同時(shí)，該技術(shù)可以將原始調(diào)制信號(hào)分為有效信號(hào)和雜散光(來自于激光片光焦平面外的干擾光)兩部分，在后期數(shù)據(jù)處理中，有效信號(hào)會(huì)保持不變，而雜散光會(huì)因?yàn)榭臻g頻率不同而被剔除掉。因?yàn)樵摷夹g(shù)具有消除雜散光干擾、提高光學(xué)成像質(zhì)量的作用，故已在LIF[13]、Mie散射成像[14]等技術(shù)中得到應(yīng)用。Kristensson等[14]指出多次散射造成的雜散光干擾問題將會(huì)較大影響到噴霧場(chǎng)Mie圖像拍攝，并利用SLIPI技術(shù)解決了多次散射干擾問題，成功獲取了噴霧場(chǎng)液滴尺寸分布的圖像。Aldén等[15]基于SLIPI技術(shù)開展了二維LIF燃燒場(chǎng)診斷實(shí)驗(yàn)研究，消除了壁面和顆粒物質(zhì)引起的雜散光干擾。Kristensson等[16]還將SLIPI方法初步應(yīng)用到瑞利散射測(cè)溫圖像獲取中去，得到了燃燒火焰瞬態(tài)溫度分布結(jié)果。

本文將結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)應(yīng)用到瑞利散射成像中來消除雜散光的影響，從而提高瑞利散射技術(shù)的光學(xué)成像質(zhì)量。

1 基本原理

當(dāng)一束激光入射到流場(chǎng)中時(shí)，會(huì)伴隨有瑞利散射光，其大小可表示為[17]：

S(T,χ)=DI0p/(R0TNA)×

(1)

式中，T為流場(chǎng)溫度，D為校準(zhǔn)常數(shù)，I0為探測(cè)點(diǎn)處的激光能量，p為壓強(qiáng)，NA為阿伏加德羅常數(shù)，R0為理想氣體常數(shù)，ω為激光的頻率，χk和Mk為燃燒場(chǎng)中第k種分子的摩爾組分和質(zhì)量， (?σ/?Ω)為瑞利散射截面，Rk為瑞利散射光譜線型。因此可以通過測(cè)量瑞利散射信號(hào)的強(qiáng)度來獲得流場(chǎng)的溫度、密度等信息。

為了提高瑞利散射光學(xué)成像的質(zhì)量，在激光片光后放置Ronchi光柵(用于產(chǎn)生正弦光強(qiáng)分布的激光片光)，再通過探測(cè)器收集顯示包含有瑞利散射信號(hào)和雜散光的正弦圖樣，其中顯示的二維圖樣(R代表行數(shù)，C代表列數(shù))中每一個(gè)點(diǎn)處的探測(cè)光強(qiáng)(SC(R)，包含瑞利散射光強(qiáng)度和雜散光等)可由下式表示[18]：

SC(R)=(Is(R)sin(2πfsigR+φC)+IC(R))×

=A(R)sin(2πfsigR+φC)+B(R)

(2)

其中，fsig為空間調(diào)制頻率(由Ronchi光柵決定)，Is(R)為光柵調(diào)節(jié)振幅，IC(R)為光柵調(diào)節(jié)直流分量，IB(R)為雜散光強(qiáng)度分布，φC為初始相位，因此，調(diào)制振幅項(xiàng)A(R)和總干擾項(xiàng)B(R)可以表示為：

A(R)=DIs(R)p/(R0TNA)×

(3)

(4)

理論假定2個(gè)參考正弦函數(shù)，其相位相差π/2，分別為[18]：

SX(R)=sin(2πfsigR+φ1)

(5)

SY(R)=sin(2πfsigR+φ1+π/2)

(6)

其中φ1為計(jì)算設(shè)定相位。再將式(2)分別與式(5)和(6)相乘，得到：

cos(4πfsigR+φC+φ1)]+BC(R)sin(2πfsigR+φ1)

(7)

SY,C(R)=SC(R)·SY

BC(R)sin(2πfsigR+φ1+π/2)

(8)

在式(7)和(8)中添加1個(gè)低通濾波器(截止頻率fC=fsig)去掉與fsig相關(guān)的項(xiàng)，得出XC(R)=0.5A(R)cos(φC-φ1)和YC(R)=0.5A(R)sin(φC-φ1)，進(jìn)而可得到調(diào)制振幅強(qiáng)度A(R)為[18]：

(9)

其中調(diào)制振幅項(xiàng)A(R)與流場(chǎng)溫度T、流場(chǎng)壓強(qiáng)p、流場(chǎng)數(shù)密度N和激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)函數(shù)Rk相關(guān)，因此可以通過測(cè)量調(diào)制振幅項(xiàng)A(R)的強(qiáng)度分布來獲取流場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，如流場(chǎng)溫度、流場(chǎng)壓強(qiáng)和流場(chǎng)分子密度等。

2 理論模擬計(jì)算

為了具體說明SLIPI消除雜散光干擾的原理和效果，本文基于Matlab軟件模擬計(jì)算了SLIPI去雜散光的全過程。在計(jì)算中，假定橫坐標(biāo)R為1～512，A(R)=-0.001(R-256)2+80，如圖1(f)中黑色實(shí)線所示。光柵直流分量B1=80，雜散光分量B2為[-30,30]內(nèi)的隨機(jī)值，因此求出分量(B1+B2)的幅值是設(shè)定的調(diào)制振幅量(A)的1.5至6倍。光柵調(diào)節(jié)頻率fsig=0.1，光柵調(diào)制相位φC=0，參考正弦函數(shù)相位φ1=0。

圖1 SLIPI處理方法全過程圖及其對(duì)應(yīng)的FFT結(jié)果圖

Fig.1 Simulation process of the SLIPI method and the relative FFT results

圖1(a)和(b)給出了有無光柵調(diào)制作用下的理論總光強(qiáng)值，分別記為SC(式(2))和SNG=A(R)+B1(R)+B2(R)。對(duì)比兩者的傅里葉變換譜可知，前者的頻譜中除直流分量外還有光柵調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的特征頻率fsig。根據(jù)特征頻率fsig假定2個(gè)參考正弦函數(shù)(式(5)和(6))，其圖像及其對(duì)應(yīng)的傅里葉變換譜如圖1(c)所示。將圖1(a)與(c)中的數(shù)值分別對(duì)應(yīng)相乘，其圖像和對(duì)應(yīng)的傅里葉變換譜如圖1(d)和(e)所示。由圖1(d) 的傅里葉變換譜可知，其特征頻率除直流分量和fsig外，還包含高頻量2fsig，其中直流分量的值主要對(duì)應(yīng)A。接下來對(duì)圖1(d)和(e)的圖形進(jìn)行低通濾波處理，最后由式(9)可直接得到A的值，如圖1(f)所示。由圖可知：處理后的數(shù)值與理論數(shù)值吻合較好，兩者的最大誤差值不超過6%，說明SLIPI方法具有消除雜散光干擾的作用。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)構(gòu)光照明測(cè)量裝置主要由激光光源、片光系統(tǒng)、Ronchi光柵、EMCCD相機(jī)組成，如圖2(a)所示。激光光源為大功率、窄線寬、連續(xù)激光器，波長(zhǎng)532 nm，線寬5 MHz，激光能量3 W。Ronchi光柵的周期為2 /mm。激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組后變成光斑直徑約為51 mm的光束，該光束再經(jīng)過Ronchi光柵和柱面鏡鏡組后成為正弦光強(qiáng)分布的激光片光。激光片光照射測(cè)試流場(chǎng)產(chǎn)生的瑞利散射光信號(hào)最后進(jìn)入EMCCD相機(jī)。本文設(shè)計(jì)了5種不同背景條件下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別記為CASE 0，CASE 1，CASE 2，CASE 3和CASE 4，前3種用于冷態(tài)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，后2種用于燃燒場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。CASE 0和CASE 3為最優(yōu)條件(雜散光干擾最小)，CASE 1是將金屬障礙物M放置于流場(chǎng)側(cè)后方來增加雜散光干擾，CASE 2是將柱形物體N放置于流場(chǎng)正后方來增加雜散光干擾，CASE 4是將金屬屏幕F放置于流場(chǎng)側(cè)后方來增加雜散光干擾，玻璃片G(CASE 1、CASE 2和CASE 4)放置于激光片光傳輸末端來進(jìn)一步增加雜散光干擾，5種條件下的流場(chǎng)參數(shù)及其EMCCD采集參數(shù)如表1所示。測(cè)試對(duì)象為McKenna平面火焰爐，該燃具是一套廣泛用于研究氣體燃料層流穩(wěn)定燃燒特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是目前國(guó)際公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)條件最接近層流穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)，如圖2(b)所示?；鹧鏍tB的主體由燃具爐面、燒結(jié)多孔銅環(huán)、氣體通道及其內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)組成。其中燃具爐面主要由不銹鋼或者紫銅制成，燃具殼體內(nèi)部嵌有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用于保持燃具爐面溫度恒定，爐面下方安裝有燒結(jié)多孔銅環(huán)用于整流。預(yù)混燃?xì)?包含有預(yù)混合氧化劑和燃料)通入到殼體底部并均勻分布于爐面上進(jìn)行燃燒，惰性氣體的通入使得爐面上的火焰不受外界影響而穩(wěn)定燃燒。McKenna平面火焰爐與光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的尺寸如圖2(c)所示，爐面尺寸為60 mm，測(cè)量區(qū)域片激光的厚度約0.5 mm，寬度約51 mm，激光下邊緣距爐面約15 mm。

(a)

(b)

(c)

圖2 (a)基于結(jié)構(gòu)光照明的瑞利散射成像測(cè)量裝置；(b) McKenna火焰爐結(jié)構(gòu)示意圖；(c)McKenna火焰爐及其上方實(shí)驗(yàn)布局尺寸圖

Fig.2 (a) Schematic of Rayleigh scattering optical arrangement for SLIPI measurement; (b) the structure of McKenna burner; (c) the size of McKenna burner and the experimental layout

表1 基于結(jié)構(gòu)光照明的瑞利散射成像測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Table 1 Experimental parameters of Rayleigh scattering measurement based on the SLIPI technique

背景分類流場(chǎng)參數(shù)相機(jī)曝光時(shí)間相機(jī)增益圖像正弦調(diào)制周期冷態(tài)流場(chǎng)CASE0CASE1CASE2Air:10L/min0.05s0.05s0.05s3030300.084950.084950.08495甲烷/空氣預(yù)混火焰CASE3CASE4CH4:0.7L/min;Air:7L/min;N2:5L/min.0.10s0.10s30300.084950.08495

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SLIPI方法去雜散光的作用，按照?qǐng)D2(a)所示的光路，首先開展了冷態(tài)條件下空氣散射流動(dòng)顯示對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。在未使用Ronchi光柵調(diào)制前，得到空氣對(duì)入射片激光的瑞利散射圖像，如圖3(a)，(b)和(c)所示。對(duì)比圖3(a)和(b)、(c)可知：瑞利散射圖像中除了可以觀察到空氣瑞利散射信號(hào)外，還能夠觀察到大量的雜散光，其強(qiáng)度很高，很容易將瑞利散射信號(hào)掩蓋，極大影響了探測(cè)到的瑞利散射圖像的信噪比。將Ronchi光柵布置于片光系統(tǒng)前，即可獲得光柵調(diào)制作用下的瑞利散射圖像，如圖3(d)，(e)和(f)所示。同第2節(jié)處理方法，首先對(duì)圖3(d)圖樣進(jìn)行傅里葉變化，可得出光柵調(diào)制頻率fsig=0.084 95/pixel。其次對(duì)圖3(d)，(e)和(f)進(jìn)行SLIPI去雜散光處理，分別得到圖3(g)，(h)和(i)，可以看出3種不同測(cè)試環(huán)境中得到的SLIPI處理圖樣、數(shù)值大小基本一致，這說明SLIPI去雜散光方法的準(zhǔn)確性；從圖中還可以看出，由金屬障礙物、柱形物體引入的雜散光幾乎全部被濾除掉，進(jìn)一步說明了該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雜散光干擾的有效抑制。

圖3 3種不同測(cè)試環(huán)境下的原始瑞利散射圖像((a)，(b)，(c))、光柵調(diào)制瑞利散射圖像((d)，(e)，(f))和SLIPI方法處理后的圖像((g)，(h)，(i))

Fig.3 (a), (b) and (c): conventional (raw data) Rayleigh scattering images without grating modulation in three different measurement cases; (d), (e) and (f): Rayleigh scattering images with grating modulation; (g), (h) and (i): images of modulated amplitude value,A, calculated by SLIPI method

此外，本文將基于結(jié)構(gòu)光照明的瑞利散射成像測(cè)量方法應(yīng)用到燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量中去，測(cè)量對(duì)象為McKenna平面火焰爐產(chǎn)生的預(yù)混層流火焰。為此，設(shè)計(jì)了2種不同背景條件下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(CASE 3和CASE 4)，2種條件下的流場(chǎng)參數(shù)及EMCCD采集參數(shù)一致，如表1所示。

在未使用Ronchi光柵調(diào)制前，得到燃燒流場(chǎng)對(duì)入射片激光的散射圖像，如圖4(a)和(b)所示。對(duì)比2圖可知：背景雜散光的存在已經(jīng)嚴(yán)重影響了燃燒場(chǎng)的瑞利散射圖像，掩蓋了火焰的形貌圖像。將Ronchi光柵布置在片光系統(tǒng)前，即可獲得光柵調(diào)制作用下的瑞利散射圖像，如圖4(c)和(d)所示，同樣可得到光柵調(diào)制頻率fsig=0.084 95/pixel。再對(duì)圖4(c)和(d)進(jìn)行去雜散光處理，分別得到圖4(e)和(f)，可以看出由金屬屏幕引入的雜散光幾乎全部被濾除掉，這說明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雜散光干擾的有效抑制，同時(shí)2種不同測(cè)試環(huán)境中得到的SLIPI處理圖樣、數(shù)值大小基本一致，這進(jìn)一步說明了SLIPI去雜散光方法的準(zhǔn)確性。

圖4 2種不同測(cè)試環(huán)境下的原始瑞利散射圖像((a)，(b))、光柵調(diào)制瑞利散射圖像((c)，(d))、SLIPI方法處理后的圖像((e)，(f))和SLIPI方法處理后的溫度場(chǎng)分布結(jié)果((g)，(h))

Fig.4 (a) and (b): conventional (raw data) Rayleigh scattering images without grating modulation in two different measurement cases; (c) and (d): Rayleigh scattering images with grating modulation; (e) and (f): images of modulated amplitude value,A, calculated by SLIPI method; (g) and (h): combustion temperature distribution images by the SLIPI method

對(duì)比冷態(tài)和燃燒狀態(tài)下的瑞利散射圖像(SLIPI去雜散光處理后)，可得到2種背景光條件下的溫度場(chǎng)分布結(jié)果，如圖4(g)和(h)，可知2種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下得到的溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。此外，最優(yōu)狀態(tài)CASE 3條件下獲得的溫度測(cè)量不確定度約在15%以內(nèi)(由圖4(g)獲得)，而強(qiáng)雜散光干擾CASE 4條件下獲得的溫度測(cè)量不確定度約在23%以內(nèi)(由圖4(h)獲得)。同時(shí)，對(duì)比圖4(g)和(h)可以看出，后者中間圖像(對(duì)應(yīng)燃燒區(qū)域，火焰溫度較高，瑞利散射信號(hào)較弱)中具有較多孤立噪點(diǎn)，這是因?yàn)镃ASE 4條件下的雜散光強(qiáng)度/瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度的比值較大，導(dǎo)致在相同濾波器的前提下，無法去除掉全部雜散光，從而增大了燃燒場(chǎng)溫度的測(cè)量不確定度、降低了火焰溫度的測(cè)量精度。

5 結(jié) 論

在利用結(jié)構(gòu)光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)激光片光正弦調(diào)制的基礎(chǔ)上，建立了一套可用于流場(chǎng)瑞利散射成像的結(jié)構(gòu)光照明測(cè)量裝置；通過理論計(jì)算，驗(yàn)證了SLIPI方法具有消除雜散光干擾的作用；通過開展McKenna火焰爐冷態(tài)和燃燒狀態(tài)下的氣體瑞利散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)，展示了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光照明測(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體流場(chǎng)瑞利散射信號(hào)二維圖像的準(zhǔn)確顯示及消除雜散光的能力。如果能增大激光器能量、提高Ronchi光柵耐熱閾值，可將這種SLIPI處理方法應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒場(chǎng)瑞利散射溫度場(chǎng)測(cè)量、激光誘導(dǎo)熒光圖像測(cè)量及激光誘導(dǎo)磷光圖像測(cè)量中去。