[发明专利]彩虹纹影测量成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及彩虹纹影测量成像领域，尤其涉及一种基于压缩感知的彩虹纹影测量成像系统及方法。

背景技术

自Topler首先采用纹影测量技术定量测量流场以来，纹影逐渐成为风洞试验中常规测量仪器。使用纹影测量流体，与阴影测量技术相比，具有灵敏度高，图像分辨率较强。不足之处在于难以消除光路误差，图像对比度较差，定量测量气流难度较大。然而，彩色纹影成像系统和分析方法正针对纹影不足发展起来的一种测量技术。1952年，英国Holder，D.W.和North，R.J.首先发明了彩色纹影测量方法，与纹影测量技术相比，灵敏度高，图像对比度较高；在纹影场中固体呈现黑色，气体流动呈现彩色，边界条件可简化后测量与分析；彩色纹影更易于图像记录。经过较长时间发展，Holder和North提出的基于棱镜与狭缝和三色滤波片彩色纹影测量方法；Cords提出基于滤波片与狭缝的彩色纹影测量方法；Kaspar提出的多色滤波片彩色纹影测量方法。由上世纪，美国NASA、欧洲ESA和日本JAXA在Lewis落塔、日本微重力落井、自由落体等短时微重力环境中采用彩虹纹影法测量了火焰结构。我国近年来也开展了彩虹纹影法测量火焰结构的研究工作，中国科学院力学所和波兰科学家合作开展了相关研究，在风洞试验中常采用干涉法获得流场密度。干涉法是一种严格的定量测量技术，由流场干涉图可严格计算流场的折射率分布，进而由格拉斯通-戴尔常数公式可推算出流场密度及其它流体力学和气动力学参量。在激波风洞和弹道靶试验方面，马赫干涉、全息干涉和彩虹纹影干涉等技术得到应用，这些方法中都利用了彩虹纹影光路，并把该光路作为物光束的光路。通过这些方法获得了试验干涉照片，并获得了流场的密度定量值。

彩虹纹影成像技术在燃烧领域也有广泛的应用价值。燃烧是燃料与氧化剂发生强烈化学反应的现象，其过程涉及化学反应、流动、传热传质等复杂的相互作用。微重力燃烧实验中的诊断技术，要求实现对燃烧过程的温度、流场、气体成份和浓度、固体颗粒成份和浓度等进行定性或定量测量，并通过数据处理，对燃烧现象进行分析。在对彩虹纹影法所得结果进行数据处理时，由光场分布图像计算出彩虹纹影图的照度或对比度，获得激光偏转角度，由此计算出流场的折射率分布，再计算出流场密度变化或密度值，左后计算出流场的温度分布。

彩虹纹影成像技术是利用气流对光波的扰动，将气流变化转换成图像。随着风洞气流研究的发展，特别是高速激波研究，使彩虹纹影成像技术得到广泛的应用。在反隐身飞机成像应用中，将红外彩虹纹影成像与被动光学测距技术相结合，可以实现对隐身飞机的成像和定位，其原理主要利用隐身飞机飞行过程中，产生气流的剧烈扰动，形成范围巨大、保持时间较长的涡流，通过测量隐身飞机扰动的气流轨迹，间接测量隐身飞机。

压缩感知是由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等研究人员于2004年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率；B.Logan最早提出基于L1范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将L1范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，压缩感知基于信号的可压缩性，通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。广泛应用于信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气科学、地球科学、物理天文学、高精密光学测量等学科领域。

压缩感知理论是将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息。其最广泛的应用是单像素照相机技术，它能使用一个点探测器而不是面阵探测器便可完成所有的探测任务，倘若这项技术应用在光学彩虹纹影测量领域，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且采用数字微镜器件DMD，这是一个被动光学元件，不会给信号带来任何噪声，探测器方面也不再需要前置放大器，此外系统还能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于将压缩感知理论应用于流体彩虹纹影测量领域，从而提供一种基于压缩感知的彩虹纹影测量成像系统及方法。