背景紋影技術(shù)初探＊

宋鶴鵬，陳曦，劉鵬，楊凱迪，張明元，朱海東

背景紋影技術(shù)初探＊

宋鶴鵬，陳曦，劉鵬，楊凱迪，張明元，朱海東

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

視場(chǎng)的范圍和觀測(cè)的清晰度是流動(dòng)顯示技術(shù)中兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的紋影技術(shù)在設(shè)備成本和定量測(cè)量方面不能滿足要求。介紹了背景紋影技術(shù)的基本原理，提出并搭建了一套適用于自然熱對(duì)流場(chǎng)的背景紋影成像系統(tǒng)，完善了實(shí)驗(yàn)方法。該系統(tǒng)具備媲美傳統(tǒng)紋影技術(shù)的清晰度，為后期對(duì)密度場(chǎng)的測(cè)量及重建奠定了基礎(chǔ)。

流動(dòng)顯示技術(shù)；背景紋影技術(shù)；紋影技術(shù)；自然熱對(duì)流場(chǎng)

1 引言

背景紋影技術(shù)（Background Oriented Schileren，BOS）是基于光線的偏折來(lái)確定流場(chǎng)折射率變化的一種非接觸的定量測(cè)量手段。相對(duì)于傳統(tǒng)的紋影技術(shù)，背景紋影技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)紋影技術(shù)通常只能應(yīng)用于流場(chǎng)密度的定性顯示，而B(niǎo)OS結(jié)合了粒子示蹤圖像處理技術(shù)（PIV）和紋影技術(shù)[1]，通過(guò)求取背景斑點(diǎn)的偏移量來(lái)獲得某一區(qū)域的光線偏折量。背景紋影技術(shù)不需要傳統(tǒng)紋影技術(shù)中精密、昂貴的光學(xué)儀器，在一臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)的配合下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的多角度測(cè)量。此外，通過(guò)高速相機(jī)的逐幀記錄，可對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行具備時(shí)間演化特征的測(cè)量[2]。因此，該技術(shù)對(duì)流場(chǎng)等隨機(jī)介質(zhì)的密度分布進(jìn)行密度測(cè)量和重建具有十分重要的意義。

背景紋影技術(shù)是由MEIER等人在傳統(tǒng)紋影技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)和理論積累發(fā)展而來(lái)的[3]。2000年，RAFFEL等人進(jìn)一步完善了背景紋影技術(shù)，并利用對(duì)懸停飛行中直升機(jī)葉尖渦輪密度場(chǎng)的可視化，驗(yàn)證了背景紋影技術(shù)的可行 性[4]。2004年，VENKATAKRISHNAN等人[5]使用BOS技術(shù)獲得了圓錐-圓柱模型上軸對(duì)稱超音速流的密度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了由BOS獲得的密度場(chǎng)與來(lái)自錐表的數(shù)據(jù)之間有極好的相關(guān)性。2009年，ATCHESON等人評(píng)估了光流算法在BOS中的性能，并指出結(jié)合光流算法和多尺度背景可以顯著提高BOS的性能。2010年，MIZUKAKI[6]嘗試采用高速背景紋影技術(shù)（HiBOS），結(jié)合高速攝像機(jī)、激波管開(kāi)口附近的流場(chǎng)可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)到可壓縮渦環(huán)和激波繞射，并測(cè)量了渦環(huán)和渦核的直徑。MASANORI等人[7]提出CGBOS系統(tǒng)，將彩色網(wǎng)格背景圖像引入BOS系統(tǒng)并獲得了超音速風(fēng)洞中模型的密度梯度圖像，研究了超音速密度場(chǎng)與噴流密度場(chǎng)的干涉。2019年，張正賀等人[8]采用投影式背景紋影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了火焰溫度場(chǎng)的可視化測(cè)量。

目前，背景紋影技術(shù)在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)量、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究較少，技術(shù)不夠成熟。本文基于背景紋影技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套適用于自然熱對(duì)流場(chǎng)的非接觸式溫度場(chǎng)測(cè)量裝置，利用蠟燭火焰上方的自然熱對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行圖像記錄，并研究影響背景紋影裝置靈敏度的因素。

2 BOS的原理及實(shí)驗(yàn)

2.1 BOS系統(tǒng)的裝置組成

BOS系統(tǒng)組成如圖1所示，同一般背景紋影技術(shù)裝置類(lèi)似，BOS系統(tǒng)主要包括背景顯示裝置、圖像采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件。

圖1 BOS系統(tǒng)組成

本研究中，自然流場(chǎng)的對(duì)象為蠟燭燭焰上方的自然熱對(duì)流場(chǎng)。以下分別介紹各部分設(shè)備。

2.1.1 背景顯示裝置

本實(shí)驗(yàn)采用LCD顯示屏作為背景。LCD型號(hào)為L(zhǎng)GD046f，分辨率為1 920×1 080，屏幕尺寸為340 mm× 190 mm，最大亮度300 cd/m2，最大對(duì)比度1 000∶1。背景圖像分為點(diǎn)狀和網(wǎng)狀，點(diǎn)狀背景上下左右分別為間隔8像素點(diǎn)，大小為4像素點(diǎn)的點(diǎn)陣；網(wǎng)狀背景為間隔8像素，寬度為1像素，相互垂直的直線。

背景紋影系統(tǒng)多采用印有特定圖像的卡紙，由于BOS系統(tǒng)多處于比較暗的工作環(huán)境，且相機(jī)曝光時(shí)多采用極高的快門(mén)速度，為保證曝光成功往往需要額外光源進(jìn)行照明，采用LCD屏幕即可解決這一問(wèn)題。

2.1.2 圖像采集設(shè)備

采用索尼A6000微單相機(jī)，其感光元件為APS-C畫(huà)幅CMOS，圖像最大分辨率6 000×4 000，快門(mén)速度1/4 000～30 s，ISO感光度為100～51 200。鏡頭為索尼E16-50 OSS，光圈為F3.5～F5.6，焦距為16～50 mm。

2.1.3 設(shè)備支座

為保證BOS系統(tǒng)中各設(shè)備處于同一直線，采用尺寸為 2 400 mm的滑軌，滑軌具有長(zhǎng)度刻度，方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相機(jī)、蠟燭、屏幕相對(duì)位置的調(diào)節(jié)及記錄。滑軌上方裝有3個(gè)具有可變阻尼的滑塊，各滑塊皆具有3/8通用接口。相機(jī)固定于可調(diào)高度、角度的云臺(tái)，通過(guò)3/8接口固定于滑塊上。顯示屏幕、蠟燭分別固定于滑塊上。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

影響B(tài)OS系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素有很多，例如所測(cè)流場(chǎng)的特性、背景的圖案及亮度、相機(jī)的參數(shù)設(shè)置、相機(jī)和所測(cè)流場(chǎng)的距離、背景圖像與所測(cè)流場(chǎng)的距離等。

將液晶顯示器放置在臺(tái)座上，將顯示器亮度、對(duì)比度調(diào)節(jié)至最高，色溫調(diào)為偏冷，使用水平儀保證屏幕豎直。使用VGA端口連接電腦與顯示屏，顯示提前繪制的圖案，并將筆記本電腦顯示模式設(shè)置為“僅第二屏幕”。本次實(shí)驗(yàn)選用蠟燭上方的自然熱對(duì)流場(chǎng)，將蠟燭固定在滑塊上，保證燭焰處于顯示屏中軸線下側(cè)。固定相機(jī)，通過(guò)云臺(tái)上水平儀保證相機(jī)與顯示屏平行，通過(guò)相機(jī)預(yù)覽畫(huà)面確定相機(jī)位置，保證相機(jī)光軸對(duì)準(zhǔn)顯示屏中心。設(shè)置相機(jī)參數(shù)，使用手動(dòng)對(duì)焦保證相機(jī)準(zhǔn)確對(duì)焦在液晶顯示屏上；使用快門(mén)線或無(wú)線遙控器控制快門(mén)，避免按下快門(mén)時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)。點(diǎn)燃蠟燭，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室照明光源、窗戶等，保持拍攝環(huán)境較暗且無(wú)風(fēng)，待蠟燭燃燒穩(wěn)定后開(kāi)始拍攝。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同背景下的畸變圖像如圖2所示。

圖2 不同背景下的畸變圖像

使用背景紋影技術(shù)，可拍攝到燭焰自然熱對(duì)流場(chǎng)在不同背景圖案下產(chǎn)生的畸變圖像。針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所搭建的BOS系統(tǒng)，通過(guò)分別改變自然流場(chǎng)到相機(jī)距離、自然流場(chǎng)到背景圖案距離、相機(jī)的參數(shù)以及背景圖案，最終確定各設(shè)備距離的最佳值：相機(jī)與燭焰距離300 mm，燭焰與背景圖案距離1 800 mm。相機(jī)最佳成像效果參數(shù)：焦距為50 mm，光圈為F5.6，ISO為2 500。

圖2為通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得到的圖像，從左至右依次為4像素點(diǎn)狀背景下畸變圖像、9像素點(diǎn)狀背景畸變圖像、1像素寬豎線背景畸變圖像、1像素寬橫線背景畸變圖像。對(duì)比可知，使用點(diǎn)狀圖案比使用線狀圖案作背景成像效果更佳，使用9像素點(diǎn)背景比使用4像素點(diǎn)背景成像效果更佳，使用1像素寬橫向線狀背景比使用1像素寬豎向線狀背景成像效果 更佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于BOS技術(shù)構(gòu)建出一套觀測(cè)自然熱對(duì)流場(chǎng)的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)蠟燭火焰上方自然熱對(duì)流場(chǎng)的畸變流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)出一套可行的實(shí)驗(yàn)方法，獲得較高清晰度的畸變圖像，為后期進(jìn)一步定量計(jì)算打好基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)的流場(chǎng)顯示和測(cè)量技術(shù)多停留在傳統(tǒng)紋影法和常規(guī)陰影法，隨著B(niǎo)OS技術(shù)的深入發(fā)展，將會(huì)大大降低空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域中非接觸測(cè)量的科研成本。因此，BOS技術(shù)具備很大的研究?jī)r(jià)值。

［1］DALAIEL S B，HUGHERS G O，SUTHERLAND B R.Synthetic schlieren［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［2］田立豐，易仕和，趙玉新，等.基于BOS的氣動(dòng)光學(xué)波前測(cè)量技術(shù)研究及其應(yīng)用［J］.科學(xué)通報(bào)，2011，56（19）：1515-1521.

［3］MEIER G E A.New optical tools for fluid mechanics［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［4］RAFFEL M，TUNG C，RICHARD H，et al.Background oriented stereoscopic schlieren （BOSS）for full-scale helicopter vortex characterization［C］//International Symposium on Flow Visualization，Heriot-Watt University，Edinburgh，UK，2000.

［5］VENKATAKRISHNAN L，MEIER G E A.Density measurements using the background oriented schlieren technique［J］.Experiments in Fluids，2004，37（2）：237-247.

［6］MIZUKAKI T.Visualization of compressible vortex rings using the background-oriented schlieren method［J］.Shock Waves，2010，20（6）：531-537.

［7］MASANORI O，F(xiàn)RIEDRICH L，RYUSUKE N，et al.Improvement in spatial resolution of background- oriented schlieren technique by introducing a telecentric optical system and its application to supersonic flow［J］.Experiments in Fluids，2015，56（3）：5.

［8］張正賀，黃貞，陳汝婷，等.基于投影式背景紋影技術(shù)的火焰溫度場(chǎng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（5）：243-250.

宋鶴鵬（1998—），男，河北滄州人，學(xué)生。

朱海東（1979—），男，博士，講師，碩士研究生導(dǎo)師。

廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：2017GXNSFAA198122）；2019年度廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201910595153）

2095－6835（2020）10－0121－02

V211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.053

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕