叠栅偏折层析测量火焰温度和密度分布

提出将带滤波的叠栅偏折层析系统用于存在化学反应的多组分复杂气体流场的诊断.以丙烷的燃烧火焰为例,实验提取出叠栅条纹的偏移量并转换为偏折角,然后基于偏折层析的滤波反投影算法重建出场的折射率分布,给出了两种不同情况下给定截面的三维温度和密度分布.对比发现,对存在化学反应的多组分火焰流场不能基于假设研究对象是空气流场,而必须对火焰流场本身发生的化学反应及生成物进行考虑,混合流场的等效G-D常量和分子量必须根据不同场的具体组分情况进行修正.     

基于相位重建的叠栅层析技术

针对叠栅层析研究中采用基于相位重建方法处理叠栅条纹图像的问题,用标量衍射理论对叠栅偏折仪的叠栅条纹形成原理进行分析.通过小孔滤波分别提取光场的零级和一级频谱,分析结果与传统的通过几何叠加原理的结果一致,在形式上更加精确.结论表明,叠栅条纹是多波面剪切干涉的结果,且一级频谱滤波下的叠栅条纹图像满足严格的余弦强度分布.采用基于多重网格相位展开的傅里叶变换方法和叠栅层析滤波反投影算法对丙烷燃烧场进行了层析重建.     

一种新的叠栅层析迭代算法

利用叠栅层析具有的测量动态范围大,对震动环境不敏感的特点,从其偏折原理的本质出发,提出一种利用代数迭代法来重建三维流场的叠栅层析重建算法。在此基础上进行了双峰函数的模拟实验,分别进行了6方向,12方向以及叠加高斯噪声的12方向的数值重建,并在相同条件下与滤波反投影方法和对偏折投影数据积分的代数迭代算法这两种已有的叠栅层析重建算法进行了比较,同时用该新算法结合属性矩阵对包含遮挡物的模拟场进行重建。对比重建结果,本算法具有较强的抗噪声能力,并且对非完全数据下的层析重建也有较好的处理效果。     

光偏折层析的Tikhonov正则化重建技术

从不适定问题的求解思想出发,建立了使用Tikhonov正则化方法计算流场参量分布的光偏折层析重建技术。理论上详细讨论了偏折信息的转化、投影方程组的正则化、以及由共轭梯度法实现求解等三个主要步骤。用数值模拟考察该方法对非对称温度分布的重建效果,分别计算了对应不同采样数的欠定与超定投影方程组。结果表明,10次迭代后重建分布的平均误差和峰值误差分别为2.1%和5.2%。使用正则化方法对采集的多方向叠栅偏折投影进行计算,重建出双峰温度场。结果表明,使用正则化方法的双峰值相对误差略高,迭代次数减少,可提高重建效率。     

激光莫尔干涉谱投影信息提取

分析了真实火箭喷焰的激光莫尔干涉谱,并提取其投影信息,重建了密度场。使用自制的大口径、高灵敏度莫尔偏折仪采集真实火箭喷焰的莫尔条纹图;采用傅里叶变换对莫尔条纹展开技术处理,获得了莫尔条纹的相位分布。根据莫尔条纹边缘提取背景,进一步获得背景相位分布。变形莫尔条纹的形变量通过求相位差获得,进一步提取轴向任意截面的投影信息。应用基于偏折投影的“简单自相关代数迭代重建算法(SSART)”层析流场。等间隔取8个方向的投影进行迭代,重建了截面密度分布图。结果发现,根据火箭喷焰的莫尔条纹,采用傅里叶变换相位展开技术,可以方便地提取任意截面的投影信息。应用SSART技术可以重建截面密度分布。因此,基于偏折投影的“SSART”算法是一种优良的非线性偏折层析重建算法。     

基于偏折光谱的非线性迭代层析数值模拟

模拟流场,校验自研发的偏折层析系统。根据光线偏折的光学原理,以及层析的数学、物理意义,研究开发了偏折层析程序。结合自研发的简单自相关代数迭代重建技术(simple self-correlative algebraic reconstruction technique：SSART),开发了一种新的层析系统,文章称“基于偏折光谱的非线性迭代层析系统”。用Gauss函数模拟复杂流场的一个切片,根据偏折层析算法计算该切片的偏折光谱,从偏折光谱中提取投影。采用SSART迭代重建算法重建截面。比较模拟重建结果与原场的差别,采用均方差 (mean-square error：MSE)和峰差(peak error：PE)指数标定重建效果,以检验算法的有效性。结果发现,应用开发的偏折层析程序,采用SSART迭代算法,能够精确重建模拟场,MSE稳定在0.000 09～0.000 11范围,PE稳定在0.007～0.013之间。因此,基于偏折光谱的非线性迭代层析系统能够根据偏折信息精确重建复杂流场。     

基于光线偏折的复杂流动密度重建方法

由穿过扰动流场的光线偏折角测值重建流场密度,对深入认识复杂流动现象具有重要的意义。在由风洞视频测量方法得到穿过扰动流场光线偏折角的基础上,开展了复杂流动密度重建方法的研究。根据密度与折射率、光线偏折角的关系,运用变分法推导了带有先验信息的密度偏微分方程;通过人工神经网络对测量数据进行建模,有效抑制了由局部峰值丢失带来的误差放大问题。数值仿真和风洞实验结果表明,本文方法所得的密度重建结果明显优于直接求偏导数方法,尤其是在峰值处,本法方法在量值上具有更高的精准度,为复杂流动结构的定量分析提供了新途径。     

电寻址液晶光阀系统上的叠栅条纹的观察与测量

利用电寻址液晶光阀系统生成叠栅条纹,对教学实验室中较难实现的圆形光栅及其动态叠栅条纹进行了模拟,并且利用电寻址的动态叠栅条纹测量了圆形光栅转速.此外,提出了远场衍射观察光线偏折的方法.     

任意相移阴影叠栅相位解调技术的研究

结合时域和频域干涉图分析方法,提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术,降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求,补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号,进而得到了采样干涉图的相移量,然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速,且优于典型的相移算法,其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm,该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。     

双螺旋叠栅条纹检测光束准直性的两种方法

介绍双螺旋叠栅条纹检测光束准直性的基本原理,进一步就双螺旋叠栅条纹的特征参量与被测光束发散角(即光束准直精度)的关系进行分析和推导。在分析双螺旋叠栅条纹进行时,首先采用频域低通滤波提取纯叠栅条纹,然后提取纯叠栅条纹的特征参量。提出两种特征参量的提取方法,一种依次进行傅里叶变换计算相位信息的傅里叶变换方法,另一种是受传统时间相移算法启发而提出的空间相移算法,讨论了在两种方法中极坐标的重采样问题和相应的计算公式,并进行了计算机模拟。结果表明,傅里叶变换方法和空间相移算法实质都是获取叠栅条纹全场趋势的平均值,使最终光束发散角的检测具有很高的精度,对自成像条纹周期的检测误差在±2.8‰以内。     

应用隧道探索算法提取莫尔条纹偏移量

为了精确提取莫尔条纹偏移量,提出了隧道探索算法,并将其应用于实际莫尔条纹分析.使用双光栅产生莫尔条纹,抓拍多方向投影.应用数字图像处理技术,追踪分析实验莫尔条纹.首先,追踪各条纹的极大值分布,根据条纹极大值分布挖掘条纹隧道,调整挖掘宽度,即像素宽度,既实现隧道贯通,又不干预相邻条纹.然后,二值化莫尔图,噪声滤波,滤除条纹隧道壁上的噪声毛刺,使隧道壁趋于光滑.最后,根据两侧隧道壁的布局,探索条纹隧道走向,提取隧道走向数据,获得条纹偏移量.并进一步转换为偏折角,即光学计算机层析投影.应用非线性自适应迭代重建算法对偏折角进行迭代重建.结果发现,最高重建截面温度是492℃,额定电热器表面温度大约500℃,重建截面恰恰在电热器上表面上方,所以重建结果是有效的.     

双曝光全息干涉法用于风洞中激波流场的研究

本文论述了双曝光全息干涉法在激波流场研究中的应用．对于形状不规则模型在超音速风洞中产生的激波流场,由于对这种流场进行数值计算几乎不可能,从实验上对其进行定量测量就显得尤为重要．本文很好地解决了某种不规则模型超音速激波流场的定量测量问题,获得了激波流场的有限条纹全息干涉图,并利用图象处理技术对干涉图进行了细化处理,再用人机交互的方式采集数据计算出条纹的位移量,最后用拉普拉斯变换法计算出流场的密度分布值．     

偏折层析的滤波反投影算法及误差分析

对偏折层析投影转换为相位层析投影的转换关系进行了分析,给出明晰的数学关系,并针对偏折层析的滤波反投影算法重建的结果进行误差分析。分析结果表明投影噪声对重建场的作用体现在与由偏折层析滤波反投影算法的滤波器有关的倾斜函数上。因此提出了改进的偏折层析滤波反投影算法,数值模拟表明,改进算法在有效抑制倾斜现象的同时,对重建结果不会造成明显的失真。在此基础上改进的算法被用于真实火箭燃气射流密度场的三维重建中。     

基于透射偏折术的三维流场流动显示方法

提出了一种基于相位测量偏折术波前检测的三维流场流动显示方法。光线经过流场后的方向偏转反映流场内部折射率变化,根据逆哈特曼波前检测模型,通过同时记录多个视角的光线偏折量,利用迭代反演重建技术对流场进行三维重构。详细介绍了测量原理以及算法,通过数值模拟验证了高速流场瞬态流动结构的三维重建,密度场重建误差的均方根误差(rms)约为0.19 kg/m^-3,验证了本方法的正确性。结果表明,该方法具有非接触式定量测量、精度高、装置简单、成本低等优点,为实现大视场定量的复杂三维流场密度测量提供理论基础。     

傅里叶变换求取叠栅条纹微小位移的精度分析

提出了借助于傅里叶变换提取叠栅条纹相位分布的途径来获得条纹微小位移量的方法中，图像的截断必然会产生频谱泄漏，从而引入数据处理的误差。详细分析了傅里叶变换中频谱泄漏产生的原因及其对测量误差的影响，提出了图像处理时，通过外插值将截断区域延拓为叠栅条纹周期整数倍时可以减小甚至忽略频谱泄漏所引起的相位计算误差，并对此进行了数值模拟以及初步的实验验证，证实了该方法的有效性，为叠栅偏折法应用于微细尺度流动与传热的实验研究提供了有效的技术途径。     

基于联合平行投影迭代的叠栅层析重建

描述了一种新的叠栅层析代数迭代模型,并针对传统代数迭代法中的垂直投影算法收敛速度较慢的问题,结合新模型提出了一种改进了的平行投影重建算法.用该算法进行了数值模拟重建,结果表明：与叠栅层析中的变换类算法相比,对非完全数据问题,新算法具有有效结合先验知识进行重建的能力;与传统的垂直投影算法相比,新算法能在保证重建准确度的前提下大幅度的提高收敛速度.     

一种解调阴影叠栅条纹的新方法

本文提出了一种叠栅条纹解调技术,我们称它为频移叠栅法,它不同于相移叠栅法,前者改变了叠栅条纹分布的频率,后者只是改变了叠栅条纹的相位.本文从阴影叠栅图分布的基本公式出发,借助于相移阴影叠栅法的思想推导并得出了频移阴影叠栅法的公式,在此基础上给出了特定条件下的实用公式.同时也分析了其相位图,将其主值范围从0～π拓展到0～2π,解决了其去包裹中正负号确定问题.最后给出了实验结果,并分析和模拟了由于频移的不准确给测量结果带来的影响.     

二相气流场中紊流剪切层对叠栅偏折图的影响

本文介绍了光在二相气流场中的偏折效应,在此基础上,分析了二相气体流场中的紊流剪切层对叠栅偏折图的影响,给出了实验结果并进行了讨论.     

多光束莫尔偏折术的探讨

本文探讨了莫尔偏折术应用的新方法——多光束莫尔偏折术.该法无需测量莫尔条纹偏折角,而是记录条纹对比度最好时试件的位置.文章阐述了其基本原理,并在光栅栅距和光楔楔角测量上进行了实验验证,取得较好的结果.     

一种多距离融合的大深度测量范围相移阴影叠栅轮廓术

针对传统阴影叠栅轮廓术深度测量范围有限的问题,根据阴影叠栅条纹对比度的变化特点,提出了大深度范围内的阴影叠栅轮廓新型测量方法。该方法将光栅置于不同的高度,在物体表面形成叠栅条纹,通过将不同高度范围内的条纹相位测量结果相互融合,实现了大深度范围内的阴影叠栅轮廓测量。分析了光栅处于不同位置时叠栅条纹的相位分布特点,提出了基于重叠区域的相位融合方法和误差补偿方法。通过实验验证了所提出方法的可行性和准确性。