【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流场光学测量，尤其涉及一种多纹影效应协同测量系统。
技术介绍
1、纹影效应是指流场因密度梯度而造成的光线偏折现象，纹影方法作为一类非接触式的流场光学测量方法，广泛的应用于密度变化流动的可视化与定量测量中。经典的刀片式纹影技术将光线偏折转化为相机感光面上的明暗变化，其中光强分布表征了所测流场密度梯度在垂直于刀片方向上的梯度大小，刀片纹影法测量空间分辨率高，但进行定量测量时标定较复杂且对光强噪音明显，因此刀片式纹影常用于流场密度变化的定性可视化。
2、2000年左右背景纹影法出现并逐渐兴起，其将光线的偏折转化为背景板上图案的位移，可用于变密度流动可视化与定量测量，具有标定方便、视窗大小不限等显著优势。背景纹影法常利用piv技术中的互相关算法提取位移，通过比较有无待测流场时的参考与畸变图像，得到图像畸变的位移空间分布；进一步结合光学元件的位置等标定信息，可得到待测流场沿光程方向积分的二维折射率梯度分布。与刀片纹影技术相比，背景纹影需要对采集图像进行后处理才能实现流场密度变化的实时可视化，远不如刀片式纹影技术清楚明了。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种多纹影效应协同测量系统。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种多纹影效应协同测量系统，包括带有随机散点图案的凹面反射镜、点光源、刀口、相机和图像采集系统；点光源为光阑限制光源形成的点光源；点光源用于向凹面反射镜发射光线
4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
5、上述的凹面反射镜为抛物面镜或球面镜或椭圆面镜；凹面反射镜的外轮廓形状为圆形或多边形，凹面反射镜上的随机散点图案印在反射镀膜图层上，反射镀膜图层位于凹面反射镜表面，反射镀膜图层直接接触空气或外表面覆盖抗划伤涂层。
6、上述的凹面反射镜上的随机散点图案由大小接近的随机散点组成，具体包括如下要求：
7、(1)散点形状为圆形、三角形、正方形、矩形、菱形图案中的一种或几种混合，散点填充状态为空心、半空心或实心；
8、(2)随机散点在相机成像面上大小在64个像素以内。
9、上述的多纹影效应协同测量系统采用单镜离轴纹影光路。
10、上述的单镜离轴纹影光路的具体设置方式为：将凹面反射镜中心法向矢量、相机传感器中心法向矢量和点光源光心调整至同一平面，以距离凹面反射镜法线光轴2f处为参考点，在参考点附近布置相机与点光源，相机与点光源尽可能接近。
11、上述的多纹影效应协同测量系统采用单镜共轴纹影光路。
12、上述的多纹影效应协同测量系统采用单镜共轴纹影光路时，多纹影效应协同测量系统包括平面分光镜，凹面反射镜中心法向矢量、点光源光心、相机传感器中心法向矢量和平面分光镜中心调整至同一光心平面，平面分光镜正对凹面反射镜布置，其中心放置在距离凹面反射镜法线光轴2f处附近，以垂直光心平面且穿过平面分光镜中心为旋转轴，调至平面分光镜法向矢量与凹面反射镜法向矢量呈45°；点光源主光轴以45°入射角照射平面分光镜，点光源发射的光锥经平面分光镜反射后，光锥中心线与凹面反射镜中心法向矢量重合。
13、上述的平面分光镜的分光比为50：50。
14、上述的刀口放置在经凹面反射镜反射点光源形成的汇聚点处，用于切割部分光线，得到明暗变化的刀片纹影效果。
15、上述的相机包括凸透镜头和相机传感器，光线经凸透镜头后，照射在相机传感器上，相机传感器与图像采集系统连接，相机聚焦于凹面反射镜的随机散点图案上，凹面反射镜反射光线主光轴与相机传感器中心法向矢量重合。
16、通过图像采集系统拍摄有无待测流场时凹面反射镜随机散点图案，采用位移预估算法计算待测流场造成的背景图案畸变，进一步通过标定光学元件的相对位置和距离信息，计算光线偏折角并得到沿光程积分的二维折射率梯度定量分布。
17、本专利技术具有以下优点：
18、本专利技术的协同测量系统可以实现经典刀片纹影技术图像明暗变化的效果，同时获取背景纹影技术背景图案畸变的效果，结合了刀片纹影技术背景纹影技术，能对流场变化快速定性并方便定量计算。
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1.一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：包括带有随机散点图案的凹面反射镜、点光源、刀口、相机和图像采集系统；所述的点光源为光阑限制光源形成的点光源；所述的点光源用于向凹面反射镜发射光线，所述的刀口放置于距离凹面反射镜2f处附近，f为凹面反射镜焦距，刀口放置于凹面反射镜反射点光源形成的汇聚点处，切去部分汇聚点的光线，以形成明暗变化的刀片纹影效果，所述的相机置于刀口远离凹面反射镜的一侧，用于采集经刀口切割后的光线图像，所述的相机和图像采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述的凹面反射镜为抛物面镜或球面镜或椭圆面镜；凹面反射镜的外轮廓形状为圆形或多边形，凹面反射镜上的随机散点图案印在反射镀膜图层上，反射镀膜图层位于凹面反射镜表面，反射镀膜图层直接接触空气或外表面覆盖抗划伤涂层。
3.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述的凹面反射镜上的随机散点图案由大小接近的随机散点组成，具体包括如下要求：
4.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：多纹影效应协同测量系统采用单镜
5.根据权利要求4所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：单镜离轴纹影光路的具体设置方式为：将凹面反射镜中心法向矢量、相机传感器中心法向矢量和点光源光心调整至同一平面，以距离凹面反射镜法线光轴2f处为参考点，在参考点附近布置相机与点光源，相机与点光源尽可能接近。
6.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：多纹影效应协同测量系统采用单镜共轴纹影光路。
7.根据权利要求6所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：多纹影效应协同测量系统采用单镜共轴纹影光路时，多纹影效应协同测量系统包括平面分光镜，凹面反射镜中心法向矢量、点光源光心、相机传感器中心法向矢量和平面分光镜中心调整至同一光心平面，平面分光镜正对凹面反射镜布置，其中心放置在距离凹面反射镜法线光轴2f处附近，以垂直光心平面且穿过平面分光镜中心为旋转轴，调至平面分光镜法向矢量与凹面反射镜中心法向矢量呈45°；所述的点光源主光轴以45°入射角照射平面分光镜，点光源发射的光锥经平面分光镜反射后，光锥中心线与凹面反射镜中心法向矢量重合。
8.根据权利要求7所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述的平面分光镜的分光比为50：50。
9.根据权利要求5或7所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述刀口放置在经凹面反射镜反射点光源形成的汇聚点处，用于切割部分光线，得到明暗变化的刀片纹影效果。所述的相机包括凸透镜头和相机传感器，光线经凸透镜头后，照射在相机传感器上，所述的相机传感器与图像采集系统连接，所述相机聚焦于凹面反射镜的随机散点图案上，所述的凹面反射镜反射光线主光轴与相机传感器中心法向矢量重合。
10.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：通过图像采集系统拍摄有无待测流场时凹面反射镜随机散点图案，采用位移预估算法计算待测流场造成的背景图案畸变，进一步通过标定光学元件的相对位置和距离信息，计算光线偏折角并得到沿光程积分的二维折射率梯度定量分布。
...【技术特征摘要】
1.一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：包括带有随机散点图案的凹面反射镜、点光源、刀口、相机和图像采集系统；所述的点光源为光阑限制光源形成的点光源；所述的点光源用于向凹面反射镜发射光线，所述的刀口放置于距离凹面反射镜2f处附近，f为凹面反射镜焦距，刀口放置于凹面反射镜反射点光源形成的汇聚点处，切去部分汇聚点的光线，以形成明暗变化的刀片纹影效果，所述的相机置于刀口远离凹面反射镜的一侧，用于采集经刀口切割后的光线图像，所述的相机和图像采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述的凹面反射镜为抛物面镜或球面镜或椭圆面镜；凹面反射镜的外轮廓形状为圆形或多边形，凹面反射镜上的随机散点图案印在反射镀膜图层上，反射镀膜图层位于凹面反射镜表面，反射镀膜图层直接接触空气或外表面覆盖抗划伤涂层。
3.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：所述的凹面反射镜上的随机散点图案由大小接近的随机散点组成，具体包括如下要求：
4.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：多纹影效应协同测量系统采用单镜离轴纹影光路。
5.根据权利要求4所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：单镜离轴纹影光路的具体设置方式为：将凹面反射镜中心法向矢量、相机传感器中心法向矢量和点光源光心调整至同一平面，以距离凹面反射镜法线光轴2f处为参考点，在参考点附近布置相机与点光源，相机与点光源尽可能接近。
6.根据权利要求1所述的一种多纹影效应协同测量系统，其特征是：多纹影效应协...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊渊，高沐恩，王将升，潘翀，王晋军，
申请(专利权)人：天目山实验室，
类型：发明
国别省市：
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