[发明专利]一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法

说明书

本发明公开了一种多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，包括摄像机、镜头、光学调整架、激光器、倾斜反射镜、光学平板、二维旋转升降台、移动基座、计算机数据采集与处理系统、照明光源和背景幕。采用激光器为照明光源，角反射阵列、微晶棱镜反光膜或自然目标背景为合作目标，综合激光阴影、背景纹影技术原理，实现大气流场的二维成像探测和透明流体的流动显示和定量化测量。本发明的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法，硬件简单易实现、算法速度快、精度高、准实时、室内室外均可应用、视场大小和探测距离不受限、功能多样、应用广泛等优点。

技术领域

本发明涉及大气光学和流体探测技术领域，特别是涉及一种用于大气流场流动显示 和定量化测量的多功能大气流场二维成像探测装置及探测方法。

背景技术

大气是一种透明的流体，在地球上广泛存在并且与人类的生存及生产活动密切相关。大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水气和 污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度。大气湍流运动规 律是物理学、气象学、天文学以及工农业生产所普遍关心却尚未完好解决的科学难题， 仍然需要发展先进测量手段加以解决。

针对大气流场流动特性的测量，人们研发了一系列测量设备，如气象领域的风杯、超声风速计、微波/激光多普勒测风雷达和示踪粒子测速技术PIV系统等。阴影与纹影技 术属于古老的透明流体观测技术，可以追溯到17世纪。时至今日，并未因为其历史悠久 而停止发展，相反地，各种新理论和新技术的出现，在不断地拓展阴影与纹影系统的指 标性能和应用领域。

阴影法是将一束光透过流动试验区投射到屏幕上，若试验区内流体未扰动，密度均 匀，则屏幕上亮度均匀；若流体受到扰动，则由于密度变化引起光线偏折，投射到屏幕后偏离原来的位置，将出现暗纹。纹影法又称纹影技术，是用纹影仪系统进行流场显示 和测量的最常用的光学方法。纹影法是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的 气流密度进行测量，广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及 风洞或水洞流场。纹影和阴影技术在原理上比较相似，都是利用非均匀空气介质的光折 射原理来观察其中不均匀的运动，如显示其中的密度涨落和激波等，还可以对某些物理 量如流速、流向及折射率变化等进行定量化的测量。发展该技术对于流场测量及相关学 科领域的科学研究和工程设计均有很大帮助。

随着激光的出现，诞生了激光阴影技术。随着高性能计算机的发展和普及，出现了依赖数字图像处理软件技术的背景纹影技术。因此，阴影和纹影技术逐步从实验室的原 理研究走向风洞测量和工业生产检测，进一步被应用于高超音速飞行器的激波探测和飞 行诊断，呈现出日益广泛的应用前景。阴影与纹影技术的测量原理依靠透明介质中非均 匀的折射率分布，就空气而言，在近似条件下，其折射率n与密度ρ之间有简单的线性 关系，即n-1＝Gρ，其中G为Gladstone-Dale常数。根据非均匀介质中的光传播理论，可 以证明由于光的折射所导致的光线弯曲偏转角ε，在横截面x,y平面内与折射率梯度成 正比，即：

对于阴影成像(如图1所示)技术，如果照明区域内空气无流动，光线将均匀地照亮屏幕。如果空气内部存在流动就必然导致折射率涨落，有些光线就会被偏折ε角度或 偏移Δa的距离而离开原来位置，进而叠加到其它位置上产生明暗不一的阴影。如果空 气流场各处对光线的偏折角一致，那么一个区域被移走的光线会被另一个区域移来的光 线填补，最终会看不到阴影。因此，影法依赖于空气流场中折射率分布的二阶导数即 或对于背景纹影成像技术(如图2所示)，则是利用背景图像的纹 理经过流场后发生的位置变化来感知流场的流动，其位移直接正比于折射率的一阶导数 即或

现有的阴影和纹影系统大多用于实验室内或风洞内数厘米至数米范围内的流场或 激波的成像探测。受传统方法和技术条件的限制，无法实现自由大气中数百米至数百公里尺度上大气湍流场的探测，更不具备大气光学湍流、透过率和空间激波波形的定量化 综合测量功能。

发明内容