谢爱民, 部绍清, 罗锦阳

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000)

0 引 言

随着风洞试验设备的发展，试验模型及测试区域尺寸不断增大，大视场流场显示技术需求日益迫切。风洞中常使用的“Z”型结构纹影系统(即常规纹影，光路图如图1所示)在测试视场Φ800mm以上时，不仅大尺寸球面反射镜和窗口玻璃难以加工，而且价格非常昂贵。

基于菲涅耳透镜的聚焦纹影系统[1-10](光路图如图2所示)，因大尺寸菲涅耳透镜相对球面反射镜更容易加工，此类聚焦纹影系统可用于大视场流场显示。但目前国内可加工的菲涅耳透镜直径不超过2.0m[11]，用于聚焦纹影时测试视场难以达到Φ1.5m。而国内外相继发展的BOS(Background Oriented Schlieren)技术结构简单[12-14]，可以实现大视场流场显示，对图像按照PIV(Particle Image Velocimetry)原理进行处理后可以获得流场参数值。但BOS技术不能直接获得流场结构图像，目前主要用于开展流场参数定量测量研究。

图1 “Z”型结构纹影系统光路布置图

图2 常规聚焦纹影系统光路图

根据以上分析，目前适合风洞并满足视场大于1.5m的流场显示技术较少。为满足大视场流场研究需要，主要采取重复试验及流场图像拼接技术，以获得不同区域的流场显示。

随着高功率LED光源及其他光源技术的发展，已可实现高功率的光源拼接。本文提出在聚焦纹影基础上使用光源拼接方式开展大视场聚焦纹影成像技术。其成像原理为：取消菲涅耳透镜，利用单个LED光源或其他光源(如激光光源)拼接的大尺寸光源代替聚焦纹影系统中的光源和菲涅耳透镜，通过使用一组小口径透镜就可以直接对测试区域进行纹影成像，并实现较大区域的流场显示。本文建立了一套聚焦纹影成像原理装置，开展了原理性验证实验，获得了蜡烛火焰及热吹风流场纹影图像。

1 基于光源拼接的聚焦纹影成像技术

基于光源拼接的聚焦纹影成像技术是在常规聚焦纹影技术基础上发展起来的。

1.1 常规聚焦纹影技术

聚焦纹影技术近年来发展较快，美国、日本以及国内的中国空气动力研究与发展中心等运用聚焦纹影技术在风洞试验中开展了大量的研究工作[1-10]。在图2中，光源通过菲涅耳透镜照射到测试区域，聚焦透镜对源格栅成像于刀口栅位置，同时对测试区域成像于图像接收面位置。聚焦纹影系统的测试视场主要取决于菲涅耳透镜及源格栅大小，由于从源格栅出来的光束以锥形方式穿过测试区域，因此测试区域越远离源格栅时测试视场就越小。但如果测试区域距离源格栅太近，则测试区域的光束可能不均匀，而且刀口栅和图像接收面位置会太近，刀口栅可能难以放置。目前市场上大尺寸(大于Φ1m)菲涅耳透镜主要用于收集光束对目标加热，其对成像质量要求较低；靠近边缘的相邻圆心环的深浅及宽度相差可能很大，造成光束不均匀。图3为Φ2m大尺寸菲涅耳透镜存在的典型弊端，即不同圆心环的深浅不一致，聚焦纹影系统中使用类似菲涅耳透镜时在成像面上会出现不期望的圆环。

图3 带有瑕疵的大尺寸菲涅耳透镜

1.2 基于光源拼接的聚焦纹影成像技术原理

聚焦纹影系统中聚焦透镜及刀口栅尺寸较小，同时图像接收面处可以放置一种半透明物质(如毛玻璃屏等)，这种小尺寸聚焦透镜、刀口栅和大尺寸半透明物质都很容易加工。因此，影响测试区域大小的主要因素为菲涅耳透镜和源格栅的尺寸，在某些试验中可能还包括测试窗口大小。大尺寸源格栅及窗口可以采用拼接方式，加工大尺寸菲涅耳透镜则成为大视场聚焦纹影系统的难点。

为了实现较大视场的流场显示，根据聚焦纹影成像原理，只要有足够大的锥形光束通过测试区域，并能形成源格栅像则可实现大视场流场显示。根据此原理，在大尺寸菲涅耳透镜难以加工[11]的情况下提出取消菲涅耳透镜，并用拼接的点阵光源代替，实现聚焦纹影成像。特别是LED光源技术的发展，单个光源的功率不断增加且有不同规格的光源可选，利用点阵LED光源可完成较大尺寸、任意形状的光源拼接，相应的流场测试视场可以很大。

图4为基于光源拼接的聚焦纹影技术光路结构图，为了实现测试区域光束均匀，在光源和源格栅之间增加了柔光屏。

由于从光源发出的光束收集效率较低，为最大限度收集光束，故需要大口径的聚焦透镜。如果光源使用白光，消像差大口径透镜研制难度较大。如果使用LED光源，最好使用波长接近的红光、绿光等，降低透镜消色差要求。

图4 基于光源拼接的聚焦纹影成像系统

Fig.4Focusingschlierenimagingsystembasedontiledlightsource

从源格栅位置发出的光束为散射光束，因此在聚焦透镜位置还可放置多组其他聚焦透镜，可以对测试区域不同位置或其他测试区域流场进行显示。通过放置多组聚焦透镜方式可显示更大测试区域的流场，当其他聚焦透镜聚焦在不同截面时，则同时实现对多个测试截面的流场显示。

(1)

(2)

式中λ为光源波长，b为刀口栅亮条纹宽度。

2 系统光路仿真

测试区域的照明均匀性将影响纹影图像背景的均匀性，光源的收集效率决定光源使用多大功率和使用多大口径的成像透镜才能满足感光介质的正常感光。最直接有效的方法是采用光学仿真软件，如Zemax软件模拟使用环境获得这2个参数。

(a) 小视场的照明均匀性仿真

采用10×10阵列LED光源拼接为400mm×400mm光源，光源总功率为300W，单个光源以180°的立体角进行发散，流场显示区域为300mm×300mm。在距离光源575mm的测试区域放置了400mm×400mm能量感知探测器。LED光源越靠近边缘对测试区域的贡献越低，因此，LED光源的布置不会是等间距均匀布置，靠近边缘灯的间距要比中心灯的间距小。从图5可以看出,320mm×320mm的区域照明均匀性较好。

图5 测试区域均匀照明仿真效果图

(b) 大视场的成像面上照明仿真

为满足2m×1.2m区域的大视场流场显示，源格栅与光源(布局和发光方式同小视场一样)尺寸设计为4m×2m，成像屏尺寸为250mm×500mm，并在测试区域放置一个锥模型。

图6是拼接光源为5000W时成像屏的照明仿真结果，成像屏只能收集到0.1W的光，光束收集效率只有50万分之一。较好的高光效LED可以达到100流明/瓦以上，则成像屏上的照明只有1流明。使用拍屏方式(如图4所示)时则成像屏的照度至少需达到4流明，因此，采用此方式的光源布置时光源功率会超过20 000W，这对于光源电路、散热、装配和维护等都是一种考验。

图6 成像面上均匀照明仿真效果图

大视场成像时可取消成像屏或采用其他方式提高光源收集效率。由于此仿真中光源数量多，单次仿真耗时达到几十小时，后期工作中将进一步开展并改进仿真手段。

其他参数的仿真结果对系统的设计也非常重要，特别是对于聚焦透镜的仿真。在聚焦纹影光路中，不仅要求聚焦透镜能够把源格栅清晰成像在刀口栅位置，同时要求把测试区域成像在成像屏上。良好的聚焦透镜不仅能够提高成像分辨率，而且也能提高系统的灵敏度。

3 原理性装置

为验证系统设计效果，包括验证成像清晰度、灵敏度及流场图像背景的均匀性是否满足要求，建立了一套视场Φ150mm的原理性装置，为基于此方法的大视场流场技术开展奠定基础。原理性装置见图7。

图7 聚焦纹影系统实物图

(a) 光源

光源采用100颗绿光LED光源拼接而成，每颗光源的最高功率为3W。图8为拼接的LED光源，由稳压电源进行供电。因为光源在使用中会产生大量热，光源背部放置了带凹槽的铝板散热。

图8 拼接的LED光源实物图

(b) 柔光屏和源格栅

为提高测试区域照明的均匀性，在光源和源格栅之间增加柔光屏，柔光屏可以是硫酸纸或毛玻璃屏。为简化柔光屏和源格栅的制作，此原理性装置直接在柔光屏上打印一定间距的暗条纹。明暗条纹参数选择需要综合考虑灵敏度、聚焦深度、光束均匀性等参数[6]。图9为光源照亮后的源格栅实物图。

图9 照亮的源格栅

(c) 聚焦透镜

聚焦透镜用于对测试区域及源格栅成像，口径越大越利于光束的收集，对光源的功率要求就越低，但由多组镜片组成的消像差大口径透镜制造难度很大。因此，光源采用绿色LED光源，有利于消像差大口径透镜的设计。在原理性装置中，聚焦透镜口径设计为30mm，由4组镜片组成，实现了目标的高分辨率成像。

(d) 刀口栅

源格栅按照比例缩小后复制在胶片上制成刀口栅。为了实现刀口栅准确放置在源格栅像位置并满足灵敏度调节要求，刀口栅的调整支架必须具备上下、左右、前后及俯仰调节功能。图10为刀口栅实物图。

图10 刀口栅实物图

(e) 成像屏

成像屏采用硫酸纸，为了保证平整性，硫酸纸镶在2块玻璃之间。

(f) 图像记录系统

图像记录系统的帧频、分辨率等参数设置需要综合考虑测试目标、光源参数等因素。原理性验证中，该系统使用带有录像功能的单反数字相机。

4 验证实验

为验证系统的成像灵敏度、图像光斑均匀性、聚焦深度等，对点燃蜡烛和电吹风流场进行了显示。图11(a)～(d)分别是刀口栅未切取光源像、切取1/3、切取1/2、切取3/4左右时获得的流场图像，聚焦区域位于蜡烛火焰。图12为热吹风流场图像。

为了检测装置的聚焦效果，在相距50mm的位置分别放置了2支点燃蜡烛，如图13所示。位于聚焦平面的蜡烛火焰流场清晰，位于非聚焦平面的蜡烛火焰流场已经均匀化。此聚焦纹影成像方式同使用菲涅耳透镜的聚焦纹影成像一样，具有明显的聚焦特性。

从图11～13可以看出，整个测试区域图像背景光斑均匀，蜡烛火焰及热吹风纹影图像中的气流扰动特征明显。

图11 不同程度切取光源像时的流场图像

Fig.11Flowimagesoflightsourceimagewithdifferentdegreesofcutting

图12 电吹风产生的热风流场图像

图13 位于不同截面的蜡烛火焰流场

5 展 望

基于光源拼接的聚焦纹影成像系统采用了柔光屏和成像接收屏，而因为从源格栅出来的光束发散角度较大，故聚焦透镜收集的光束较少。根据图5可知测试区域探测器总功率只有7.8W，光源的利用率只有2.6%，而更大视场时收集效率更低。为提高光源的收集效率，可以取消图4中的成像屏，在聚焦透镜后方像面附近增加场镜，实现测试区域流场图像直接成像在图像感光介质上，如图14所示的光路结构。此外，因为成像屏(无论是毛玻璃还是硫酸纸等)本身是粗糙的，这种粗糙颗粒状不均匀的表面会成为流场图像背景，降低了成像分辨率，而使用图14所示的场镜也有助于提高成像分辨率。

图14 采用场镜的聚焦纹影成像光路结构

另外，直接把LED光源作为源格栅，并在前端放置可以聚光的聚光镜，以此降低光束的发散角，并大幅提高光束收集效率。但测试区域光束的均匀性、成像灵敏度等参数是否满足要求还需要进一步验证。

因为场镜口径较大，使用玻璃加工的透镜组不仅成本较高，而且部分大尺寸原材料可能无法得到，故在只需要获得流场局部区域信息时可以减小场镜尺寸。对于一些成像分辨率要求较低的测试中，场镜可尝试使用菲涅耳透镜。

6 结 论

(1) 原理性实验验证表明，基于光源拼接的聚焦纹影成像系统可以清晰获得流场图像，其聚焦深度和灵敏度等方面同使用菲涅耳透镜的聚焦纹影系统一样；

(2) 基于光源拼接的聚焦纹影成像系统中,尽管光源功率损失较大，但随着高功率LED光源、激光光源的发展，成像面上的光束功率仍可满足使用要求。利用此技术可以开展更大尺寸的光源拼接，为大视场流场显示提供一种可行的新途径；

(3) 通过进一步研究取消成像屏、增加聚光镜的成像方式，有望于大幅提高成像分辨率和降低光源功率。