紋影技術(shù)綜述

蔡雨辰 嚴彥 龍金剛 王璟晨

摘要：紋影技術(shù)是一種無接觸式光學(xué)技術(shù)，可以將不可見的相位分布轉(zhuǎn)換為清晰的可見圖像。該文將簡紹多種紋影技術(shù)的發(fā)展歷程及各類紋影技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，然后將闡述彩色紋影技術(shù)、激光紋影技術(shù)和背景紋影技術(shù)的基本光學(xué)原理以及各類紋影法在不同領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，還總結(jié)了各種紋影技術(shù)在實際操作及其實驗?zāi)M等方面的具體應(yīng)用方法，展示了其在不同領(lǐng)域的極高的普適性，列舉了目前紋影技術(shù)的一系列優(yōu)點與不足之處，并指出了紋影法在實際運用中所需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：紋影技術(shù)?彩色紋影?背景紋影?激光紋影?紋影技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：TP391.41?????????文獻標志碼：A

An?Overview?of?the?Schlieren?Technique

CAI?Yuchen?YAN?Yan*??LONG?Jingang?WANG?Jingchen

（College?of?Mechanical?and?Electrical?Engineering，?Xi'an?Polytechnic?University，?Xi'an，?Shaanxi?Province，?710699?China）

Abstract：?Schlieren?technique?is?a?non-contact?optical?technique，?which?can?convert?invisible?phase?distributions?into?clear?visible?images.?This?paper?briefly?introduces?the?development?history?of?multiple?schlieren?techniques?and?the?development?status?of?various?schlieren?techniques?at?home?and?abroad，?then?expounds?the?basic?optical?principles?of?color?schlieren?technique，?laser?schlieren?technique?and?background?schlieren?technique，?as?well?as?the?research?and?application?of?various?schlieren?methods?in?different?fields，?also?summarizes?the?specific?application?methods?of?various?schlieren?techniques?in?the?practical?operation，?experimental?simulation?and?other?aspects，?shows?their?high?universality?in?different?fields，?lists?a?series?of?advantages?and?disadvantages?of?current?schlieren?technique，?and?points?out?the?problems?that?need?attention?in?the?practical?application?of?the?schlieren?method.

Key?Words：?Schlieren?technique;?Color?schlieren;?Background?schlieren;?Laser?schlieren;??The?application?of?schlieren?technique

流體運動是一種普遍的自然現(xiàn)象，它廣泛存在于我們生活的環(huán)境中，對于流體運動的觀測研究始終是一項重要課題。近年來，在光學(xué)技術(shù)、圖像識別處理技術(shù)、計算機技術(shù)的更新?lián)Q代與相關(guān)新理論的應(yīng)運而生的推動下，流體運動的流場觀測技術(shù)也取得了飛躍式的發(fā)展，而通過紋影法進行流場可視化觀測的技術(shù)是一項有著重要意義的技術(shù)。紋影技術(shù)，又稱紋影成像，是一種無接觸式光流顯示技術(shù)，可以直觀地顯示透明氣體介質(zhì)中的密度變化，因此常用于觀測流動現(xiàn)象，如風(fēng)洞、燃燒和對流。

紋影系統(tǒng)由多種紋影技術(shù)構(gòu)成，其主要構(gòu)成包括以下幾種紋影技術(shù)：黑白紋影技術(shù)、彩色紋影技術(shù)、激光紋影技術(shù)和背景紋影技術(shù)等。19世紀中期，福克里昂開發(fā)出一種可視化氣流的刀型檢測望遠鏡，但是他當時并沒有意識到自己創(chuàng)造了一種新的光學(xué)測試技術(shù)。托普勒是歷史上第一個正式確定紋影成像技術(shù)的人[1-2]，早在1884年他就在自己的研究報告中記錄下了一個搭建簡單紋影平臺進行紋影觀測的方法。到了20世紀早期，修斯特對紋影成像系統(tǒng)進行了廣泛研究，開發(fā)出大量新技術(shù)。

紋影技術(shù)利用的是流場中的氣體密度分布不均勻，而光在不均勻流場中的折射率不同的基本原理，將流場中不可見的氣流密度梯度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦妆粰z測到的相對光強的變化，只需記錄下光在氣體流場中發(fā)生明顯折射的區(qū)域轉(zhuǎn)變成的可觀察、可分辨的實際圖像，然后對圖像做出分析，便可得到氣體流場的詳細信息。如今紋影技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)廣泛地覆蓋了包括流體內(nèi)冷熱對流研究、流場氣流邊界層、風(fēng)洞水洞流場實驗以及高壓火花放電等諸多領(lǐng)域，前景極為可觀。

為了全面直觀掌握紋影技術(shù)的研究現(xiàn)狀，該文將從紋影技術(shù)的基本原理開始，論述紋影技術(shù)的發(fā)展歷程，并分析紋影技術(shù)應(yīng)用于燃燒、激波及內(nèi)波等的關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，綜述其研究現(xiàn)狀，進而探討總結(jié)紋影技術(shù)的研究前景。

1?紋影法原理

紋影法的成像原理是光線在通過密度不均勻介質(zhì)時因折射率改變而發(fā)生偏折，最終導(dǎo)致光線在像平面上光強無法均勻分布，從而產(chǎn)生的明暗相間的圖像。整個系統(tǒng)如圖1所示，來自于光源B的光線通過狹縫O后再由聚焦透鏡L1形成平行光束，紋影實驗對象E處于平行光束中，透鏡L2放置在實驗對象E后的適當位置，再在透鏡L2的焦點處放置刀刃K遮擋住焦點處光斑的一半，最后將一個光屏放置在刀刃K后的一個計算好的位置上，紋影圖像便可直接呈現(xiàn)在該光屏上。

如圖2所示，X大于0的區(qū)域是透光介質(zhì)，假設(shè)該介質(zhì)的折射率n沿著Y軸的方向隨密度連續(xù)變化，且?n/?y＜0，n也可由c/v定義，其中c為真空中的光速，v為當?shù)毓馑佟?/p>

設(shè)光線平行于X軸射入，其經(jīng)過波陣面時因介質(zhì)密度差異而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。任意取一段長度為△Y的波陣面微元，假設(shè)光經(jīng)過極短時間△t后整體偏轉(zhuǎn)一微小角度，設(shè)面元兩端y1，y2處介質(zhì)折射率為n1，n2，其差值為△n。光線實際偏折路徑為曲線是因為n連續(xù)變化，n為X1點處介質(zhì)折射率，X1點從微元中間取出。因為偏折角△α是一個微量，所以光線可以近似為直線處理[2]，則有

△Y和△α都是微量，偏折之后的波陣面近似為平面，記X1與偏折后的對應(yīng)點X2的水平距離為△x，則有

為簡化式（3），將n/n1·n2近似為1/n，該式簡化為

設(shè)L為不均勻介質(zhì)在X軸方向上的長度，對式（4）進行積分，得到光線通過整個介質(zhì)區(qū)域的總偏折角為

用一塊薄玻璃對測試區(qū)與空氣進行分隔，光線從不均勻介質(zhì)射入空氣后將會發(fā)生二次折射。空氣的折射率為1，光線的折射角為α，若L不大，則α0和α均為有限值，且近似滿足小角度條件，

由折射定律得

將式（5）帶入式（6），因為n不隨X的方向變化而變化，所以直接進行積分，則有

式（7）表達了出射角與介質(zhì)折射率梯度之間的對應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系條件為光線不存在于不均勻介質(zhì)。

2彩色紋影法

2.1彩色紋影法原理

彩色紋影系統(tǒng)的成像可用共線像的幾何理論加以解釋，矩形光源狹縫的成像共軛面在光刀處，由測試段的光平面發(fā)出的光通過光刀，成像在膠片上。用彩色濾光片替代光刀，中間色帶的寬度與狹縫的寬度相同，如果光線產(chǎn)生偏折，那么由于彩色濾光片的作用，我們最終得到的紋影圖像便是彩色紋影圖。

2.2?彩色紋影法類型及應(yīng)用

2.2.1?棱鏡-狹縫法

棱鏡-狹縫法由霍爾德等人提出，裝置如圖3、圖4所示，裝置采用白光作為光源，將一個固定偏向角的色散棱鏡放在光源和第一面透鏡之間，分光后的彩色光譜通過一寬水平狹縫在第一面透鏡的焦點處顯示。在紋影場中，通過光刀處的第二條狹縫的色彩由于介質(zhì)氣流密度梯度的存在而發(fā)生變化，將氣流膨脹處設(shè)定為一種顏色，氣流壓縮處設(shè)定為另一種顏色，從而得到彩色紋影圖像。

2.2.2?濾光片-狹縫法

濾光片-狹縫法由科茨[3]等提出，裝置如圖3、圖5所示。在光源狹縫處用有一定距離間隔的不透明多色濾光片把作為系統(tǒng)光源的白光分成三色，然后在光刀位置K處，使用一面紋影鏡將三色濾光片上的圖像聚焦在一個狹縫上，等量的兩種顏色在狹縫中一齊通過，并最終在成像屏上實現(xiàn)互補。

科茨提出，為防止光的衍射效應(yīng)，光刀縫不應(yīng)該太小，狹縫的長度決定了光刀縫的尺寸，因此需要適當增加狹縫的長度，使光刀縫處于一個合理的范圍之內(nèi)，以避免因為衍射效應(yīng)使得圖像的清晰度受到影響。

2.2.3?三色濾光片法

三色濾光片法由霍爾德和諾斯提出，裝置如圖3、圖6所示，系統(tǒng)的光刀用三色濾光片來代替。在紋影場中，因氣流密度分布不均勻而發(fā)生偏折的光線通過由三色濾光片的顏色交界線構(gòu)成的雙光刀結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成三色紋影圖。

2.3彩色紋影法的發(fā)展與應(yīng)用

Kennedy和Netzer等人用彩色紋影技術(shù)研究聚丁二烯-丙烯酸、過氯酸銨夾層試件發(fā)現(xiàn)，在35～56大氣壓時，分列于粘結(jié)劑兩側(cè)的兩個火焰邊緣有淡綠色。他們認為這是藍色紋影光和黃色火焰光作用的結(jié)果。說明火焰邊緣處密度很低（即溫度很高），存在著擴散火焰。而在7～15大氣壓時，沒有這種現(xiàn)象，說明有著不同的燃燒機理。

馮天植[3]使用彩色紋影法在復(fù)雜流場中的實驗從理論上分析了由不同材料構(gòu)成涂復(fù)型吸收體可能實現(xiàn)的最薄厚度。這說明了通常所采用的涂復(fù)型吸收體之所以大部分采用磁損型吸收波材料進行制造的原因。

楊藝[4]等人利用紋影技術(shù)進行實驗獲得了瓦斯爆炸瞬間的紋影圖，通過對試驗結(jié)果的總結(jié)分析更進一步的研究了瓦斯爆炸的分形特征。

陳元迪[5]等人將新型高速攝影技術(shù)與紋影攝影技術(shù)相結(jié)合，對火花點火燃燒過程進行了觀察和分析，此過程發(fā)生在定容燃燒室內(nèi)，燃料為氫氣和空氣預(yù)混燃料。這一實驗揭示了預(yù)混氫氣燃料在定容燃燒室內(nèi)燃燒時火焰初期的湍流機理，以及火焰從層流狀態(tài)演變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)的完整過程。

德國DLC宇航推進中心[6]為了得到超聲速進氣道內(nèi)部的細節(jié)信息和激波與邊界層的相互作用效果，創(chuàng)新式地構(gòu)建起了一個彩色紋影系統(tǒng)，最終測得了進氣道部壓縮段的激波串結(jié)構(gòu)。

葉繼飛[7-8]等人將彩色紋影技術(shù)應(yīng)用在了激光微蝕固體靶材羽流特性測量和超聲速軸對稱流場的密度測量之中，取得了良好的實驗成果。

YOSHIAKI?M[9]等人利用彩色紋影技術(shù)進行研究并得到了較為清晰的膨脹自由射流的密度場圖像，之后將實驗所得結(jié)果與探針測量的數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)吻合度較高。

3激光紋影法

3.1激光紋影法簡介

激光紋影儀主要是利用光在流體中快速流動時入射光波的光折射來觀察不清晰可見的氣流，從而觀察和分析其現(xiàn)象。激光紋影成像技術(shù)建立了以光學(xué)激光技術(shù)為主要光源的紋影系統(tǒng)，同時獲取和在線監(jiān)測不同的紋影現(xiàn)象，獲得并保存相應(yīng)的紋影圖像，定性觀察和分析不同因素的影響，甚至可以對某些因素進行定量測量和分析，其結(jié)果將有助于進一步的理論分析。

3.2激光紋影法的發(fā)展與應(yīng)用

胡洋[10-12]等人為了得到煤礦井下瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃流場波系演化過程，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部“看得到”的圖像，在已建成的中尺度爆炸激波管道上進一步搭建超高速激光紋影系統(tǒng)，并提出“M”型、“Z”型和直線型3種光路布置方式的瓦斯爆燃流場測試方案，替代了傳統(tǒng)的壓力火焰?zhèn)鞲衅鞯臏y試方法，為獲得瓦斯與空氣預(yù)混氣體爆燃過程中激波的演變過程和火焰微觀流場提供了新的思路。

沙勇[13]等人采用激光紋影技術(shù)對不同有機溶劑在不同傳質(zhì)過程中的RBM現(xiàn)象進行了在線監(jiān)測。在實驗中完整記錄下了傳質(zhì)過程中RBM現(xiàn)象的狀態(tài)，并將因不同影響因素介入而對結(jié)果造成的影響進行了定性的分析。

張惠明[14]等人采用紋影攝像技術(shù)研究直噴式柴油機燃燒室形狀對燃燒室內(nèi)噴霧場和燃燒碳粒場影響的研究結(jié)果。分析了四角形燃燒室和盆形燃燒室噴霧發(fā)展歷程和燃燒碳粒場發(fā)展歷程，找出了四角形燃燒室碳粒排放量較低的原因。

徐景德[15]等人為了分析礦車在礦井瓦斯爆炸傳播過程中的激勵效應(yīng)，在實驗中通過激光紋影觀測的測試方法，分別觀測并記錄了在兩種不同工況條件下礦車區(qū)域附近爆炸沖擊波畸變情況，將沖擊波的變化特征與沖擊波經(jīng)過礦車附近的過程進行了匹配。通過進一步分析證實了礦車對瓦斯爆炸的激勵效應(yīng)較為明顯，同時指出激勵效應(yīng)還會隨著礦車數(shù)量的增多而不斷加強。此研究結(jié)論的得出，使得瓦斯爆炸事故阻爆、隔爆等技術(shù)革新并且對事故調(diào)查總結(jié)起到了推進作用。

李劍[16]等人采用超高速激光紋影技術(shù)對Z箍縮等離子體磁重聯(lián)現(xiàn)象進行了測量，論證了使用其他研究Z箍縮磁重聯(lián)現(xiàn)象的方法——超高速激光紋影技術(shù)，這一方法的可行性。此研究結(jié)果表明了一個關(guān)于不穩(wěn)定性發(fā)展的主要特征：抑制短波模式，由長波模式作為主導(dǎo)。

4背景紋影法

4.1背景紋影法簡介

背景紋影法的成像原理是研究光線經(jīng)過待測場時發(fā)生偏折的折射率變化，實驗裝置如圖7所示。它包括背景圖像和攝像頭。當有待測場時存在，光會在待測場中偏轉(zhuǎn)。由于待測場擾動產(chǎn)生的扭曲，攝像機采集的背景圖案將發(fā)生畸變，背景圖像在攝像機成像表面上的光斑位置將發(fā)生變化。通過圖像處理可以得到光斑位移，其位移反映了光的偏轉(zhuǎn)角度。流場的密度場和溫度場等可由流場的折射率分布推出，流場的折射率分布為求解反問題得到的結(jié)果。

4.2背景紋影法的發(fā)展與應(yīng)用

DALZIEL?S?B[17]等人于2000年提出了背景紋影技術(shù)的原理。同年，MEIER?G[18]介紹了三種背景紋影技術(shù)，提出了可以將背景紋影技術(shù)用于流場的流動顯示和CT重建兩大領(lǐng)域。

RAFFEL?M[19]等人提出了測量流場時以隨機點圖像作為背景圖的方法，并且以此方法對懸停直升機的旋翼尾流進行了可視化實驗研究，得到了良好的結(jié)果。

RICHARD?H[20-21]等人在實驗驗證了背景紋影技術(shù)的實用性的基礎(chǔ)下，KLINGE?F[22]等人在超音速風(fēng)洞中應(yīng)用背景紋影技術(shù)，通過紋影法觀測研究了現(xiàn)代大型運輸機模型產(chǎn)生的翼尖渦流的定量流速和密度場，同時在真實風(fēng)洞環(huán)境中，將BOS技術(shù)進一步推廣應(yīng)用在了三維軸對稱流動場的測量中。

VENKATAKRISHNAN?L[23]等人在2004年用CT技術(shù)與背景紋影技術(shù)進行實驗并對實驗進行總結(jié)分析，得到了軸對稱超音速流場的密度場，此密度場位于圓錐模型上。2004年至2007年是高速發(fā)展的四年，這段時間中背景紋影技術(shù)由于其高時空分辨率的優(yōu)勢，主要應(yīng)用于定量測量與流動顯示氣體密度場，并得到深入的應(yīng)用研究在風(fēng)洞流場測量、燃燒診斷等領(lǐng)域中。

蔡少娌[24-25]等人使用紋影技術(shù)觀察并利用圖像處理研究了不同空氣流量和節(jié)氣門開度時混合器內(nèi)天然氣-空氣的混合過程和天然氣噴流和汽油噴霧在定容裝置內(nèi)的發(fā)展過程及其分布特性。

徐勝利[26]等人采用紋影技術(shù)進行觀察發(fā)動機進氣道中天然氣/空氣的流動的試驗，并通過實驗結(jié)果研究分析天然氣/空氣在發(fā)動機進氣道中的混合特性，以及噴射壓力、流量和噴嘴布置等因素對混合效果的影響。

武江鵬[27]等人通過高速激光背景紋影成像技術(shù)，對彈藥戰(zhàn)斗部靜爆和動爆沖擊波波陣面擴散過程進行高速成像，得到波陣面瞬時擴散速度和RankineHugonoit關(guān)系。對成像結(jié)果進行研究，最終得到試驗樣彈靜動爆沖擊波超壓關(guān)聯(lián)值，與動爆實測結(jié)果符合程度較好，相對誤差小于20%，說明關(guān)聯(lián)模型在彈藥動爆超壓威力場測試方面有較好的實用性的結(jié)論。

耿江海[28]等人通過搭建的背景紋影實體測量系統(tǒng)觀測間隙正極性放電發(fā)展過程，分析了放電通道溫度的時空變化規(guī)律，結(jié)果表明間隙中部橫截面溫度分布在1?200?K左右，溫度場呈軸對稱分布且離通道中心越近溫度梯度越大，整個通道溫度自棒極而下逐漸降低。

5結(jié)論

作為一種非接觸式的密度變化流場可視化研究方法，紋影技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了近一個世紀的發(fā)展與革新。因為該技術(shù)對被觀測流場的無干擾性、低成本、易于搭建實驗平臺的經(jīng)濟性以及簡單快捷的可操作性等諸多優(yōu)點以及極為廣泛的應(yīng)用范圍，所以該文對紋影技術(shù)的基本原理進行了介紹，并總結(jié)了紋影技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

中國已經(jīng)將彩色紋影技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)洞試驗、激波風(fēng)洞實驗和彈道靶實驗等領(lǐng)域，通過結(jié)合其他技術(shù)，可以準確獲得各種流場的密度定量值。目前彩色紋影技術(shù)在時間、空間利用率上存在的問題也將會隨著高速相機技術(shù)以及光學(xué)分析識別技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸得以解決。在未來，彩色紋影技術(shù)將會成為一項在高超聲速流場診斷領(lǐng)域具有較廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

早在20世紀末，背景紋影技術(shù)就已經(jīng)被歐美等國應(yīng)用在了包括風(fēng)洞流場測量在內(nèi)的諸多民用、軍用領(lǐng)域，但與此同時國內(nèi)卻很少能看到有關(guān)背景紋影技術(shù)的相關(guān)報道。國外對背景紋影技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從二維拓展到三維，并且能夠與其他方法結(jié)合對數(shù)據(jù)進行處理，將實驗誤差進一步縮小，從而使背景紋影技術(shù)在空氣動力學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮更顯著的作用。

隨著激光的發(fā)展，激光紋影技術(shù)也隨之發(fā)展，因為激光的功率和強度較強，所得的實驗圖像更清晰，所以，激光紋影技術(shù)在測量范圍較大，綜合需求較高的實驗中被使用的更多。

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