宋鹤鹏，陈曦，刘鹏，杨凯迪，张明元，朱海东

背景纹影技术初探＊

宋鹤鹏，陈曦，刘鹏，杨凯迪，张明元，朱海东

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

视场的范围和观测的清晰度是流动显示技术中两个关键指标，随着航空航天领域的发展，传统的纹影技术在设备成本和定量测量方面不能满足要求。介绍了背景纹影技术的基本原理，提出并搭建了一套适用于自然热对流场的背景纹影成像系统，完善了实验方法。该系统具备媲美传统纹影技术的清晰度，为后期对密度场的测量及重建奠定了基础。

流动显示技术；背景纹影技术；纹影技术；自然热对流场

1 引言

背景纹影技术（Background Oriented Schileren，BOS）是基于光线的偏折来确定流场折射率变化的一种非接触的定量测量手段。相对于传统的纹影技术，背景纹影技术优势明显。传统纹影技术通常只能应用于流场密度的定性显示，而BOS结合了粒子示踪图像处理技术（PIV）和纹影技术[1]，通过求取背景斑点的偏移量来获得某一区域的光线偏折量。背景纹影技术不需要传统纹影技术中精密、昂贵的光学仪器，在一台或多台相机的配合下，可以实现对流场的多角度测量。此外，通过高速相机的逐帧记录，可对流场进行具备时间演化特征的测量[2]。因此，该技术对流场等随机介质的密度分布进行密度测量和重建具有十分重要的意义。

背景纹影技术是由MEIER等人在传统纹影技术的基础上经过长期试验和理论积累发展而来的[3]。2000年，RAFFEL等人进一步完善了背景纹影技术，并利用对悬停飞行中直升机叶尖涡轮密度场的可视化，验证了背景纹影技术的可行 性[4]。2004年，VENKATAKRISHNAN等人[5]使用BOS技术获得了圆锥-圆柱模型上轴对称超音速流的密度场，发现了由BOS获得的密度场与来自锥表的数据之间有极好的相关性。2009年，ATCHESON等人评估了光流算法在BOS中的性能，并指出结合光流算法和多尺度背景可以显著提高BOS的性能。2010年，MIZUKAKI[6]尝试采用高速背景纹影技术（HiBOS），结合高速摄像机、激波管开口附近的流场可视化实验研究，观测到可压缩涡环和激波绕射，并测量了涡环和涡核的直径。MASANORI等人[7]提出CGBOS系统，将彩色网格背景图像引入BOS系统并获得了超音速风洞中模型的密度梯度图像，研究了超音速密度场与喷流密度场的干涉。2019年，张正贺等人[8]采用投影式背景纹影技术，实现了火焰温度场的可视化测量。

目前，背景纹影技术在国外被广泛应用于航空航天、风洞流场测量、传热传质等领域，而国内对这一领域的研究较少，技术不够成熟。本文基于背景纹影技术，设计出一套适用于自然热对流场的非接触式温度场测量装置，利用蜡烛火焰上方的自然热对流场进行图像记录，并研究影响背景纹影装置灵敏度的因素。

2 BOS的原理及实验

2.1 BOS系统的装置组成

BOS系统组成如图1所示，同一般背景纹影技术装置类似，BOS系统主要包括背景显示装置、图像采集设备、计算机和图像处理软件。

图1 BOS系统组成

本研究中，自然流场的对象为蜡烛烛焰上方的自然热对流场。以下分别介绍各部分设备。

2.1.1 背景显示装置

本实验采用LCD显示屏作为背景。LCD型号为LGD046f，分辨率为1 920×1 080，屏幕尺寸为340 mm× 190 mm，最大亮度300 cd/m2，最大对比度1 000∶1。背景图像分为点状和网状，点状背景上下左右分别为间隔8像素点，大小为4像素点的点阵；网状背景为间隔8像素，宽度为1像素，相互垂直的直线。

背景纹影系统多采用印有特定图像的卡纸，由于BOS系统多处于比较暗的工作环境，且相机曝光时多采用极高的快门速度，为保证曝光成功往往需要额外光源进行照明，采用LCD屏幕即可解决这一问题。

2.1.2 图像采集设备

采用索尼A6000微单相机，其感光元件为APS-C画幅CMOS，图像最大分辨率6 000×4 000，快门速度1/4 000～30 s，ISO感光度为100～51 200。镜头为索尼E16-50 OSS，光圈为F3.5～F5.6，焦距为16～50 mm。

2.1.3 设备支座

为保证BOS系统中各设备处于同一直线，采用尺寸为 2 400 mm的滑轨，滑轨具有长度刻度，方便实验过程中相机、蜡烛、屏幕相对位置的调节及记录。滑轨上方装有3个具有可变阻尼的滑块，各滑块皆具有3/8通用接口。相机固定于可调高度、角度的云台，通过3/8接口固定于滑块上。显示屏幕、蜡烛分别固定于滑块上。

2.2 实验方法

影响BOS系统成像质量的因素有很多，例如所测流场的特性、背景的图案及亮度、相机的参数设置、相机和所测流场的距离、背景图像与所测流场的距离等。

将液晶显示器放置在台座上，将显示器亮度、对比度调节至最高，色温调为偏冷，使用水平仪保证屏幕竖直。使用VGA端口连接电脑与显示屏，显示提前绘制的图案，并将笔记本电脑显示模式设置为“仅第二屏幕”。本次实验选用蜡烛上方的自然热对流场，将蜡烛固定在滑块上，保证烛焰处于显示屏中轴线下侧。固定相机，通过云台上水平仪保证相机与显示屏平行，通过相机预览画面确定相机位置，保证相机光轴对准显示屏中心。设置相机参数，使用手动对焦保证相机准确对焦在液晶显示屏上；使用快门线或无线遥控器控制快门，避免按下快门时产生的抖动。点燃蜡烛，关闭实验室照明光源、窗户等，保持拍摄环境较暗且无风，待蜡烛燃烧稳定后开始拍摄。

3 实验结果与分析

不同背景下的畸变图像如图2所示。

图2 不同背景下的畸变图像

使用背景纹影技术，可拍摄到烛焰自然热对流场在不同背景图案下产生的畸变图像。针对本次实验所搭建的BOS系统，通过分别改变自然流场到相机距离、自然流场到背景图案距离、相机的参数以及背景图案，最终确定各设备距离的最佳值：相机与烛焰距离300 mm，烛焰与背景图案距离1 800 mm。相机最佳成像效果参数：焦距为50 mm，光圈为F5.6，ISO为2 500。

图2为通过实验所得到的图像，从左至右依次为4像素点状背景下畸变图像、9像素点状背景畸变图像、1像素宽竖线背景畸变图像、1像素宽横线背景畸变图像。对比可知，使用点状图案比使用线状图案作背景成像效果更佳，使用9像素点背景比使用4像素点背景成像效果更佳，使用1像素宽横向线状背景比使用1像素宽竖向线状背景成像效果 更佳。

4 结语

本文基于BOS技术构建出一套观测自然热对流场的系统，通过对蜡烛火焰上方自然热对流场的畸变流场进行试验，总结出一套可行的实验方法，获得较高清晰度的畸变图像，为后期进一步定量计算打好基础。目前，国内的流场显示和测量技术多停留在传统纹影法和常规阴影法，随着BOS技术的深入发展，将会大大降低空气动力学、热力学等领域中非接触测量的科研成本。因此，BOS技术具备很大的研究价值。

［1］DALAIEL S B，HUGHERS G O，SUTHERLAND B R.Synthetic schlieren［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［2］田立丰，易仕和，赵玉新，等.基于BOS的气动光学波前测量技术研究及其应用［J］.科学通报，2011，56（19）：1515-1521.

［3］MEIER G E A.New optical tools for fluid mechanics［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［4］RAFFEL M，TUNG C，RICHARD H，et al.Background oriented stereoscopic schlieren （BOSS）for full-scale helicopter vortex characterization［C］//International Symposium on Flow Visualization，Heriot-Watt University，Edinburgh，UK，2000.

［5］VENKATAKRISHNAN L，MEIER G E A.Density measurements using the background oriented schlieren technique［J］.Experiments in Fluids，2004，37（2）：237-247.

［6］MIZUKAKI T.Visualization of compressible vortex rings using the background-oriented schlieren method［J］.Shock Waves，2010，20（6）：531-537.

［7］MASANORI O，FRIEDRICH L，RYUSUKE N，et al.Improvement in spatial resolution of background- oriented schlieren technique by introducing a telecentric optical system and its application to supersonic flow［J］.Experiments in Fluids，2015，56（3）：5.

［8］张正贺，黄贞，陈汝婷，等.基于投影式背景纹影技术的火焰温度场测量仪设计［J］.激光与光电子学进展，2019，56（5）：243-250.

宋鹤鹏（1998—），男，河北沧州人，学生。

朱海东（1979—），男，博士，讲师，硕士研究生导师。

广西壮族自治区自然科学基金项目（编号：2017GXNSFAA198122）；2019年度广西壮族自治区大学生创新训练项目（编号：201910595153）

2095－6835（2020）10－0121－02

V211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.053

〔编辑：严丽琴〕