一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]脈動(dòng)燃燒是當(dāng)代先進(jìn)的非常規(guī)燃燒技術(shù)，它是指在燃燒和聲脈動(dòng)相互激勵(lì)和反饋的條件下，溫度、壓力、氣流速度及熱釋放率等狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間周期性波動(dòng)的一種特殊的不穩(wěn)定燃燒過程。脈動(dòng)燃燒具有燃燒強(qiáng)度高、傳熱效率高、低NOx排放等常規(guī)穩(wěn)燃無可比擬的優(yōu)勢，對于節(jié)約能源、控制污染物排放、研宄高效動(dòng)力機(jī)械等具有重要意義，因而受到了美國、日本、中國和歐洲多國的高度重視。然而其燃燒機(jī)理、燃燒特性、應(yīng)用技術(shù)的研宄同樣受制于流場結(jié)構(gòu)、參量分布、燃燒過程的定量測量和精確描述。
[0003]近幾十年來，結(jié)合光學(xué)與激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)而產(chǎn)生的粒子圖像測速技術(shù)(PIV)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)、激光全息干涉技術(shù)(LIH)、激光一超聲技術(shù)(LUM)、相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)等新一代流場顯示與測量方法蓬勃發(fā)展，從而使復(fù)雜流動(dòng)的研宄取得突破性進(jìn)展，這其中具備非接觸測量、多參量分析、定量計(jì)算等特質(zhì)的光學(xué)計(jì)算層析(Computed Tomography (CT))技術(shù)已成為復(fù)雜流場測試領(lǐng)域的有力工具。
[0004]光學(xué)CT (干涉CT、光偏折CT等)利用激光光波作為信息敏感器，獲取光線通過被測流場多方向的投影數(shù)據(jù)反演二維乃至三維分布。相比于干涉CT，光偏折CT具有對光源要求不高、抗干擾能力強(qiáng)、光路簡單易調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。更為重要的是，對于高溫、高速、非穩(wěn)態(tài)相位流場，光偏折成像的低敏感性使它具備了寬廣的動(dòng)態(tài)測試范圍，成為其測量復(fù)雜流場的顯著優(yōu)勢。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)方案光偏折CT理論發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩方面:其一是復(fù)雜流場多方向投影數(shù)據(jù)的獲取，其二是由投影信息重建場分布?，F(xiàn)有光偏折CT通過投影采樣、投影信息提取、重建計(jì)算等流程可以實(shí)現(xiàn)燃燒流場二維乃至三維分布。
[0006]光偏折CT的成像采樣
[0007]燃燒流場多方向光偏折成像的獲取是實(shí)現(xiàn)流場三維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)和參量定量測量的首要條件?；诠饩€偏折原理測量的成像方法主要有紋影法和疊柵法。在最新的研宄中，基于背景導(dǎo)向紋影法(BOS)的光偏折CT流場測量不斷取得突破，Masanori等人分別使用色帶圖背景紋影(SPBOS) CT和彩色網(wǎng)格背景紋影(CGBOS)CT實(shí)現(xiàn)了超音速流場的定量密度測量，趙玉新和田立豐等人也分別使用BOS進(jìn)行了復(fù)雜氣動(dòng)流場測量。然而，Miranda等人通過分析和實(shí)驗(yàn)證明，在流場測量中條紋偏折法(FD)比BOS具有更高的測量精度，并且對應(yīng)更少的數(shù)學(xué)處理。因此對于復(fù)雜的非對稱湍流流場測量，疊柵層析是更可勝任的方法。
[0008]在疊柵投影采樣中，旋轉(zhuǎn)掃描法光路簡單、采樣范圍可控，并可實(shí)現(xiàn)全場視角采樣，我們之前已將其應(yīng)用于發(fā)熱元件生成的非對稱溫度場和風(fēng)洞中高速激波密度場測量。另一種分光路法能夠?qū)崿F(xiàn)多方向投影同時(shí)采集，可以對復(fù)雜的瞬態(tài)流場進(jìn)行記錄和測量。Floyd等人和高益慶教授的團(tuán)隊(duì)基于該思想分別開展了化學(xué)發(fā)光CT(CTC)和發(fā)射光譜層析(EST)流場測量。
[0009]對于脈動(dòng)燃燒等具有固定頻率的振蕩燃燒過程，現(xiàn)有光偏折CT 二維乃至三維的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測量，無法實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)燃燒湍流結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)顯示和參量分布周期變化的定量描述，光偏折CT的關(guān)鍵方法亟待發(fā)展。
[0010](I)光偏折CT的成像采樣
[0011]該方案采用固定被測流場旋轉(zhuǎn)光路系統(tǒng)(或固定光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)被測流場)的方法獲取不同視角的投影條紋，但此方法的缺陷是無法真正實(shí)現(xiàn)對同一流場過程的同時(shí)采樣，因此只適用于過程近似穩(wěn)定且可重復(fù)的流場測量。分光路法的能夠?qū)崿F(xiàn)多方向投影同時(shí)采集，但將該原理應(yīng)用于光偏折CT時(shí)，不僅需要多臺(tái)CCD攝像裝置并增加相應(yīng)的成像元件，而且很難保證光路嚴(yán)格復(fù)制，從而增大測量誤差。因此，現(xiàn)有的光偏折CT投影獲取方法無法滿足諸如脈動(dòng)燃燒等非穩(wěn)態(tài)復(fù)雜流場的采樣要求，直接影響了光偏折CT在復(fù)雜流場測量領(lǐng)域的實(shí)用化。另一方面，脈動(dòng)燃燒具有周期性的湍流結(jié)構(gòu)和參量分布變化，這一重要的燃燒過程特性也對光偏折CT的投影采樣提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)，所述方法克服了現(xiàn)有分光路系統(tǒng)需要多組成像元件和多臺(tái)CCD攝像裝置、難于保證光路嚴(yán)格復(fù)制等缺陷，在CCD單幅圖像上完成即時(shí)6方向投影有序陣列可視化，實(shí)現(xiàn)多視角、同時(shí)、同光路條件采樣，對全周期非穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)燃燒流場進(jìn)行顯示和動(dòng)態(tài)采樣。
[0013]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0014]一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)，包括反射鏡、空間濾波器、激光源、透鏡、光束分束器、光柵、毛玻璃屏、高速攝像系統(tǒng)和光束，所述反射鏡、空間濾波器、激光源、透鏡、光束分束器、光柵、毛玻璃屏、高速攝像系統(tǒng)均在一個(gè)空間平面上，所述空間濾波器設(shè)置在所述激光源和布置在最上端的透鏡之間，所述光束分束器包含多個(gè)分光光楔，所述光束分束器設(shè)置在空間濾波器和最上端的透鏡的下方，所述光束分束器設(shè)有位置調(diào)整旋鈕，所述反射鏡設(shè)有一個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光柵設(shè)置在激光源的下方，在光柵的下方設(shè)有所述毛玻璃屏，在毛玻璃屏的下方設(shè)有高速攝像系統(tǒng)。
[0015]氦氖激光源發(fā)出激光，經(jīng)過空間濾波器擴(kuò)束、濾波，經(jīng)過透鏡后，成為直徑3?5cm的平行光束。調(diào)整六個(gè)光束分束器，分光光楔為半透半反鏡，調(diào)整三個(gè)平面反射鏡，將平行光束分成角度為10°、30°、55° UOO0、136°和152°的六條光束通過被測流場，并發(fā)生微小偏折，再由10個(gè)平面反射鏡將六條光束調(diào)整成為3 (列)X2 (行)的同軸光束，通過2片尺寸為178X 178mm平行放置的Ronchi光柵，在光柵后的毛玻璃屏上，將形成3 (列)X 2(行)的莫爾條紋陣列，使用分辨率為1024X768的CCD攝像機(jī)(C)，可以采集到動(dòng)態(tài)的光偏折投影(莫爾條紋)陣列圖像。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0017]本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有分光路系統(tǒng)需要多組成像元件和多臺(tái)CCD攝像裝置、難于保證光路嚴(yán)格復(fù)制等缺陷，通過投影陣列偏折儀，在CCD單幅圖像上完成即時(shí)6方向投影有序陣列可視化，實(shí)現(xiàn)多視角、同時(shí)、同光路條件采樣，對全周期非穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)燃燒流場進(jìn)行顯不和動(dòng)態(tài)米樣。
【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0019]圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)空間布置示意圖；
[0020]圖中:1、反射鏡；2、空間濾波器；3、激光源；4、透鏡；5、分光光楔；6、光柵；7、被測流場；8、毛玻璃屏；9、高速攝像系統(tǒng)；10、光束。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參見圖1所示，本實(shí)用新型包括反射鏡1、空間濾波器2、激光源3、透鏡4、光束分束器、光柵6、毛玻璃屏8、高速攝像系統(tǒng)9和光束10，所述反射鏡1、空間濾波器2、激光源3、透鏡4、光束分束器、光柵6、毛玻璃屏8、高速攝像系統(tǒng)9均在一個(gè)空間平面上，光束分束器包括五個(gè)分光光楔5，然后依據(jù)下列步驟采集光偏折投影信息:I)針對被測流場7的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定最佳的采樣角度，使用光束分束器將擴(kuò)束準(zhǔn)直的由激光源3發(fā)出的激光束經(jīng)過空間濾波器2后，進(jìn)行二次分束，產(chǎn)生多條投射光束10，改變各光束10方向，形成精確可控的多視角探測光束，經(jīng)過被測流場7 ;設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，波長為632.Snm的氦氖激光源3發(fā)出激光，經(jīng)過空間濾波器2擴(kuò)束、濾波，經(jīng)過透鏡4后，成為直徑3?5cm的平行光束。調(diào)整六個(gè)分光光楔5，分光光楔5為半透半反鏡，調(diào)整三個(gè)平面反射鏡1，將平行光束分成角度為10°、30°、55° UOO0、136°和152°的六條光束通過被測流場7，并發(fā)生微小偏折，再由10個(gè)平面反射鏡I將六條光束調(diào)整成為3 (列)X2 (行)的同軸光束，通過2片尺寸為178 X 178mm平行放置的Ronchi光柵6，在光柵后的毛玻璃屏8上，將形成3(列)X2(行)的莫爾條紋陣列，使用分辨率為1024X768的CCD攝像機(jī)(C)，可以采集到動(dòng)態(tài)的光偏折投影(莫爾條紋)陣列圖像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)，其特征是:包括反射鏡、空間濾波器、激光源、透鏡、光束分束器、光柵、毛玻璃屏、高速攝像系統(tǒng)和光束，所述反射鏡、空間濾波器、激光源、透鏡、光束分束器、光柵、毛玻璃屏、高速攝像系統(tǒng)在一個(gè)空間平面上，所述空間濾波器設(shè)置在所述激光源和布置在最上端的透鏡之間，所述光束分束器包含多個(gè)分光光楔，所述光束分束器設(shè)置在空間濾波器和最上端的透鏡的下方，所述光束分束器設(shè)有位置調(diào)整旋鈕，所述反射鏡設(shè)有一個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光柵設(shè)置在激光源的下方，在光柵的下方設(shè)有所述毛玻璃屏，在毛玻璃屏的下方設(shè)有高速攝像系統(tǒng)。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種多視角投影有序陣列偏折成像系統(tǒng)，包括反射鏡、空間濾波器、激光源、透鏡、光束分束器、光柵、毛玻璃屏、高速攝像系統(tǒng)和光束，所述空間濾波器設(shè)置在所述激光源和布置在最上端的透鏡之間，所述光束分束器設(shè)置在空間濾波器和最上端的透鏡的下方，所述光束分束器包含多個(gè)分光光楔，所述光束分束器設(shè)有位置調(diào)整旋鈕，所述反射鏡設(shè)有一個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光柵設(shè)置在激光源的下方，在光柵的下方設(shè)有所述毛玻璃屏，在毛玻璃屏的下方設(shè)有高速攝像系統(tǒng)。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有分光路系統(tǒng)需要多組成像元件和多臺(tái)CCD攝像裝置、難于保證光路嚴(yán)格復(fù)制等缺陷，通過投影陣列偏折儀，在CCD單幅圖像上完成即時(shí)6方向投影有序陣列可視化，實(shí)現(xiàn)多視角、同時(shí)、同光路條件采樣，對全周期脈動(dòng)燃燒流場進(jìn)行顯示和動(dòng)態(tài)采樣。
【IPC分類】G01M9-06
【公開號(hào)】CN204269339
【申請?zhí)枴緾N201420825386
【發(fā)明人】張斌, 吳趙航, 趙敏敏, 梁堯
【申請人】青島科技大學(xué)
【公開日】2015年4月15日
【申請日】2014年12月23日