一种流场多截面纹影同步显示系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种流场多截面纹影同步显示系统及方法，涉及光学流动显示技术领域，所述系统包括沿光路传播方向依次分布的：光源、第一聚光镜、源格栅、成像透镜、刀口栅、第二聚光镜、光场相机和计算机；本系统或本方法将聚焦纹影技术与光场成像技术相结合，可获取同一时刻流场中任意聚焦截面的纹影图像，并通过图像叠加实现三维重建。像叠加实现三维重建。像叠加实现三维重建。

【技术实现步骤摘要】
一种流场多截面纹影同步显示系统及方法


[0001]本专利技术涉及高速和超高速流场的光学流动显示
，具体地，涉及一种流场多截面纹影同步显示系统及方法。

技术介绍

[0002]纹影技术是一种常规光学测量方法，主要是用于测量透明介质引起光线偏折的流场情况，它反映的是整个光程折射率场变化的一阶导数，在高速风洞试验现场得到了广泛地使用，是一种较为直观和传统的流场诊断手段。纹影中采用源格栅代替狭缝且采用刀口栅代替刀口的纹影仪叫做聚焦纹影仪。与常规的纹影技术相比，聚焦纹影具有明显的优势，它可以对某个截面聚焦，仅观察该截面两侧一个锐聚焦区域内的密度梯度，可避免风洞附面层或其它流场扰动对成像的干扰，从而更准确地反映该聚焦截面处模型周围绕流流场的细节。但是目前的聚焦纹影技术也仅能对某个截面聚焦，不具备复杂三维流场显示能力。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服上述技术问题，提供一种流场多截面纹影同步显示系统及方法，用该系统和方法能同步显示流场中任意截面的纹影图像，并对复杂流场结构实现三维重建。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种流场多截面纹影同步显示系统，所述系统包括沿光路传播方向依次分布的：光源、第一聚光镜、源格栅、成像透镜、刀口栅、第二聚光镜、光场相机和计算机；
[0005]所述光源用于发出光线；所述第一聚光镜用于对所述光源发出的光线进行汇聚，并将汇聚后的光线并射入所述源格栅中；光线从所述源格栅中射出后经过待测流场区域后射入所述成像透镜；所述成像透镜用于将所述源格栅成像到所述刀口栅上形成明暗相间的条纹，以及用于将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述第二聚光镜之间的位置；从所述成像透镜射出的光线射入所述刀口栅，所述第二聚光镜用于对从所述刀口栅射出的光线进行汇聚；所述光场相机用于采集所述第二聚光镜汇聚后光线的光场信息；所述计算机用于对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果，进而能够实现同步显示流场中任意截面的纹影图像，并对复杂流场结构实现三维重建。
[0006]优选的，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理的步骤包括：
[0007]步骤1：由光场相机的微透镜阵列和光电探测器阵列采集获得所述光场信息，基于所述光场信息，将光场投影积分到第一对焦面上获得纹影图像；
[0008]步骤2：基于光学系统的物像关系获得所述纹影图像在所述待测流场区域中的位置信息；
[0009]步骤3：重复执行步骤1
‑
步骤2直至获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像；
[0010]步骤4：基于每个所述纹影图像对应的所述位置信息，将所有所述纹影图像进行叠加获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
[0011]优选的，所述纹影图像采用以下方式获得：
[0012][0013]其中，I(s
′
,t
′
)为第一对焦面上坐标点(s
′
,t
′
)处的光强，s
′
、t
′
为第一对焦面上的坐标点，u、v为光场相机镜头主面上的坐标点，l为光场相机镜头主面与微透镜阵列所在平面之间的距离，l
′
为光场相机镜头主面与第二焦面之间的距离，且l
′
＝αl。du、dv为光场相机镜头主面出的积分面元。为通过坐标点(u,v)和坐标点标点的光线强度，α为对焦倍率。
[0014]优选的，所述第一聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜。
[0015]优选的，所述源格栅上分布有若干遮光条纹和若干透光狭缝，相邻2条遮光条纹之间分布有一条透光狭缝。
[0016]优选的，所述成像镜头是经过优化设计的透镜组。
[0017]优选的，所述刀口栅为所述源格栅的共轭成像反相屏，起到常规纹影中刀口的作用，通过调节所述刀口栅的位置调节系统的灵敏度和图像灰度。
[0018]优选的，所述第二聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜或透镜组。
[0019]优选的，所述光场相机包括相机镜头、微透镜阵列和光电探测器阵列，相机镜头的主面与探测器阵列满足物像共轭关系，且相机镜头的像方光圈数与微透镜阵列的光圈数相等。
[0020]本专利技术还提供了一种基于所述的一种流场多截面纹影同步显示系统的流场多截面纹影同步显示方法，所述方法包括：
[0021]步骤a：根据待测流场区域的位置和大小信息安装所述流场多截面纹影同步显示系统；
[0022]步骤b：开启所述光源、所述光场相机和所述计算机，并对所述流场多截面纹影同步显示系统进行测试，测试通过后执行步骤c；
[0023]步骤c：所述光源发出的光经过所述第一聚光镜的汇聚后照亮所述源格栅，透过所述源格栅的光线照亮所述待测流场区域，所述成像透镜将所述源格栅成像到所述刀口栅的位置，所述成像透镜将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述光场相机之间，横向调节所述刀口栅对光线进行部分遮挡，透过所述刀口栅的光线被所述第二聚光镜汇聚后由所述光场相机采集；
[0024]步骤d：所述光场相机将光场信息传输给所述计算机，在所述计算机中进行数字对焦，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。
[0025]本专利技术提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0026]利用本系统或方法可以实现流场的非接触测量，不干扰被测流场。
[0027]本系统或本方法仅观察聚焦截面处模型周围绕流流场的密度梯度，可避免风洞附
面层或其它流场扰动对成像的干扰。
[0028]本系统或本方法将聚焦纹影技术与光场成像技术相结合，可获取同一时刻流场中任意聚焦截面的纹影图像，并通过图像叠加实现三维重建。
附图说明
[0029]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本专利技术的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定；
[0030]图1是本专利技术中流场多截面纹影同步显示系统的组成示意图；
[0031]图2是本专利技术中光场的四维参数化表征；
[0032]图3是本专利技术中数字重聚焦原理图；
[0033]图4是本专利技术中流场多截面纹影同步显示方法的流程示意图；
[0034]其中，1
‑
光源，2
‑
第一聚光镜，3
‑
源格栅，4
‑
待测流场区域，5
‑
成像透镜，6
‑
刀口栅，7
‑
第二聚光镜，8
‑
光场相机，9
‑
计算机。
具体实施方式
[0035]为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流场多截面纹影同步显示系统，其特征在于，所述系统包括沿光路传播方向依次分布的：光源、第一聚光镜、源格栅、成像透镜、刀口栅、第二聚光镜、光场相机和计算机；所述光源用于发出光线；所述第一聚光镜用于对所述光源发出的光线进行汇聚，并将汇聚后的光线并射入所述源格栅中；光线从所述源格栅中射出后经过待测流场区域后射入所述成像透镜；所述成像透镜用于将所述源格栅成像到所述刀口栅上形成明暗相间的条纹，以及用于将所述待测流场区域成像到所述刀口栅与所述第二聚光镜之间的位置；从所述成像透镜射出的光线射入所述刀口栅，所述第二聚光镜用于对从所述刀口栅射出的光线进行汇聚；所述光场相机用于采集所述第二聚光镜汇聚后光线的光场信息；所述计算机用于对所述光场相机采集的光场信息进行处理，获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像以及获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。2.根据权利要求1所述的一种流场多截面纹影同步显示系统，其特征在于，所述计算机对所述光场相机采集的光场信息进行处理的步骤包括：步骤1：由光场相机采集获得所述光场信息，基于所述光场信息，将光场投影积分到第一对焦面上获得纹影图像；步骤2：基于光学系统的物像关系获得所述纹影图像在所述待测流场区域中的位置信息；步骤3：重复执行步骤1
‑
步骤2直至获得所述待测流场区域在同一时刻不同截面的纹影图像；步骤4：基于每个所述纹影图像对应的所述位置信息，将所有所述纹影图像进行叠加获得所述待测流场区域三维纹影图像的重建结果。3.根据权利要求2所述的一种流场多截面纹影同步显示系统，其特征在于，所述纹影图像采用以下方式获得：其中，I(s
′
,t
′
)为第一对焦面上坐标点(s
′
,t
′
)处的光强，s
′
、t
′
为第一对焦面上的坐标点，u、v为光场相机镜头主面上的坐标点，l为光场相机镜头主面与微透镜阵列所在平面之间的距离，l
′
为光场相机镜头主面与第一对焦面之间的距离，且l
...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷可为，姚向红，袁强，吴运刚，李宏勋，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：