基于纹影法的气体温度场可视化系统的设计

纹影法是介质折射率变化可视化的实用方法.本文基于分束镜等光学器件设计了一种新的折叠式纹影光路,可改善传统光路的低清晰度问题,同时利用光线的正入射消除了重影干扰.利用热风拆焊台出风口热流进行定标实验,获得纹影图像灰度值的差值与温度的函数关系,并利用纹影图像绘制灰度三维图像,实现了气体温度场可视化处理,提供了一种非接触测量气流温度与温度场摄像系统的测量方案.     

利用彩虹滤光片使空气折射率梯度可视化

纹影法是一种将相分布转换为可见图像的光学方法,它可以用于测量一个区域内的空气折射率。彩虹纹影法则是将传统的刀口换为彩虹滤光片,可以使纹影图像变为彩色。相对于灰度来说,人眼对色彩的变化更加敏感,可以更加敏锐的观测到变化。利用MATLAB也可以定量的得到测量场中空气的折射率梯度。     

杨氏双缝干涉条纹的空间分布及理论模拟

杨氏双缝干涉实验中,观察屏上条纹的分布是授课的重点内容.现有的大学物理教材,大都通过分析经过近似的光程差表达式,得出观察屏上干涉条纹是等间距的直条纹的结论,但该结论并不能真实反映条纹的空间分布情况.本文结合立体几何知识,在未经任何近似情况下,推导出了干涉明、暗纹的空间分布所满足的双叶旋转双曲面方程,并在该方程基础上对传播空间和观察屏上明纹分布进行了理论模拟,模拟结果形象直观,有助于学生对干涉条纹特点的整体理解和掌握.     

利用MATLAB探究一维彩虹滤光片的最佳色彩组合

彩虹纹影法是一种将相分布转换为可见图像的光学方法,它可以用于测量一个区域内的空气折射率。利用MATLAB处理纹影图像,可以定量的得到测量场中的相位分布,而彩虹滤光片的色彩组合在一定程度上会影响电脑对数据的处理。利用轴对称温度梯度场,探究了彩虹滤光片色彩组合对实验结果的影响。     

温度场纹影定量测量技术

为了研究纹影系统的温度场定量测量技术,本文详细阐述了纹影技术的定量测量原理,并通过分析流场纹影图像灰度大小与未被遮挡的光源像面积的关系,提出了一种新颖的流场温度定量测量的计算方法。首先,在光学平台上搭建了透射式纹影系统,将加热平台放置在该系统的测量区域,利用CCD相机将采集到的纹影图像上传到上位机进行图像处理,然后采用该算法计算得到温度场的测量值,并与热电偶的测量值相对比。实验结果表明：在室温20℃时,将加热平台的温度分别设定为50℃和90℃,纹影系统测量得到的温度值相对误差小于10%,证明了该计算方法的可靠性,实现了以纹影技术为基础的温度场定量测量。     

基于太阳漫反射板线阵CCD相对辐射定标方法研究

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。     

采用空间滤波产生等高线

本文提出一种采用光栅对立体像对进行空间滤波产生等高线的相干光学方法。从理论上分析了视差与谱面上光振幅分布的关系、空间滤波的作用以及滤波后像面上的光振幅分布。把立体像对的振幅透过率在4f系统物面上叠加,并用相干光照明,在频谱面上会得到多组不同频率的干涉直条纹。每一组条纹都对应一群视差相同的点,即一条等高线。用一块光栅进行空间滤波,让某一组干涉条纹透过光栅,而挡住其它条纹,在像面上就会出现一条等高线。不同的光栅间隔对应着不同位置的等高线。改变光栅位置,等高线会发生明暗变化。实验采用了斜面和圆锥两种模型,分别得到了直线和圆环状等高线。文中给出了不同位置和不同明暗的等高线的实验结果。这种方法不需要逐点测量视差,因而具有快速的优点。实验中用非相干方法把立体像对重叠在一张照相干板上,达到振幅相加,以降低对系统的要求。     

基于BOS的超声速流场瞬态密度场的可视化

瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效"冻结"超声速流场;相对于长曝光纹影图像,瞬态图像显示了更小时间尺度的流场密度场,且突起较多,分布不均匀.结果表明,瞬态密度场可视化技术能够揭示瞬态激波流场的密度场细节,为超声速和高超声速流场复杂流动机理的深入理解和研究提供了一种有效方法.      

采用纹影法的微型航空发动机尾喷温度场测量方法

航空发动机作为飞机上的核心动力装置,对其运行状态的监测,可以提高飞机的安全性与经济性。航空发动机尾喷温度场蕴含着燃烧室内部燃料燃烧程度等有效信息,对其温度场的监测可实现对发动机运行状态的评估。传统的温度场测量方法一般采用单点温度计测量法、激光诱导荧光法(LIF)、可调谐半导体激光法(TDLAS)等,单点温度计测量法测量数据较离散、LIF设备应用复杂、TDLAS仪器设备价格昂贵。因此针对传统测量方法所存在的问题,提出了纹影测量法。首先需要纹影系统对温度场进行纹影成像,得到正确的纹影图像;根据纹影图像求得截面的折射率分布;根据折射率分布算得温度场分布,实现对温度场的测量。纹影测量法是一种非接触、高精度的测量方法,且无需特殊的激光收发装置。实验证明该方法可有效地应用于实验室微型涡喷发动机尾喷区域温度场的测量,可进一步为航空发动机的状态监测提供支持。     

纹影系统的灵敏度的实验设计与分析

设计了纹影实验装置和采用分析图像亮度差的方法直观描述纹影系统灵敏度,并系统研究纹影系统的刀口位置和刀口厚度对系统灵敏度的影响.实验结果图像亮度差与密度差的对应关系有效的验证了理论上得到的与亮度差对应的图像的光强差与密度差之间的对应关系.     

可视化聚焦纹影系统实现流场中的三维扰动成像

可视化成像系统可以实现流场中扰动信息的捕获。针对光学纹影系统,分别从理论和实验上对比研究了流场中的三维超声扰动成像。因三维超声场在光传播方向上引起的流体介质密度变化不同,光波穿过密度变化的流场时,其相位累积变化使图像不能真实反映声场的扰动特征。线型栅的聚焦纹影系统因其线型栅会产生多刀口滤波的作用,故不能对流场中的三维超声扰动场实现完整成像。为了获得流场中的三维扰动特征,提出了采用环型源栅和刀口栅的改进聚焦纹影系统。结果表明:由改进聚焦纹影装置得到的图像扰动特征与实际流场中超声扰动特征相一致;结合图像重构技术,实现了流场中三维复杂扰动的重构。     

牛顿等厚干涉平行直纹实验的设计及研究

根据薄膜干涉原理设计了等厚干涉平行直纹实验装置,以等厚干涉为基础,通过读数显微镜装置,拓展了等厚干涉在实验教学中的应用。通过测量左右对称分布且明暗相间的平行直纹到中央零级直纹的距离,可以得到平凸柱面镜的曲率半径以及液体折射率。在平凸柱面镜上平面覆盖一层待测液体,可以增大入射光进入透镜的透射率,增强透射光的光强度,提高干涉条纹的亮暗强度。等厚直纹干涉现象清晰直观,实验操作简单方便,加入待测液体,无须拆开干涉装置,可以保证在相同的空气薄膜厚度下进行测量,降低实验的误差。同时该设计研究可以促进学生的动手实践与创新能力的提高,为探究式实验教学提供很好的案例和实践。     

光电法在线检测织物密度的研究

本文介绍了检测织物密度的原理与仪器结构。将织物放在聚光系统中，织物的像通过空间滤波器转变成对比度较高的明暗相间的直条纹，并成像到ＣＣＤ上。ＣＣＤ将条纹的明暗信号转换成电信号，经过放大、滤波、微分电路处理，再送入到单片机系统中做数据处理。该测试装置具有测试速度快、自动化程度高和非接触测量等优点，能够实现织物密度的在线检测，测试精度达到△Ｎ＜１。     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

空气折射率梯度分布的可视化实验

基于传统的纹影法,引入全息干涉技术记录了空气折射率梯度分布引起的光强和相位变化的全息图,经过显影、定影和漂白之后再现出全息干涉条纹,进而实现空气折射率梯度分布的可视化.     

激光在湍流大气中的干涉仿真

通过研究激光在湍流大气中的传输情况，旨在为光学高分辨率干涉成像提供理论依据。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流传输进行模拟，研究激光通过湍流大气的干涉情况。试验结果表明：孔径间距越大，干涉条纹越密；在传输距离为2km，大气湍流折射率结构常数C2n为10-14，即接近强湍流的情况下，可以形成比较好的干涉条纹。孔径间距较小时，干涉的明暗条纹清晰可见。在实际干涉成像中，可以选择适当的孔径间距来获得较好的干涉条纹，从而获得目标的高分辨率像。     

自制激光干涉仪测弹性模量

采用了激光干涉法测量弹性模量,应用光电传感器检测条纹的明暗交替变化,增加了温度传感器监测环境的温度变化,用注水的方法改变碳钢丝上的拉力,并用压力传感器进行测量,获得了精度较高的测量结果.     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

迈克尔逊干涉仪双透射光干涉测激光波长

一种迈克尔逊双透射光干涉测激光波长的方法,该方法巧妙地提高了干涉仪的灵敏度,并将条纹吞吐的现象转化为观察屏上的明暗变化,同时可以灵活改进计数方法,减少实验工作量。该方法思路简单,易于实现,有利于拓展思维。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.