一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法

摘要

一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，属于气动光学测量和三维重建技术领域。该方法首先建立气流扰动下空气折射率三维重构测量系统，采用至少两台CCD相机和与相机数量相同的散斑背景板，通过CCD相机在同一平面内从不同角度透过被测空气场拍摄散斑背景板，得到散斑图像；由于空气对流扰动折射率非均匀变化，相机拍摄散斑图像产生畸变，通过数字图像相关方法得到光线从不同角度透过待测空气场的偏折角，利用三维重建算法计算得到被测空气场折射率三维分布，从而实现气流扰动的实时测量。本发明解决了高温气流扰动空气折射率三维实时测量，装置简单、操作灵活简便，适用于工程中空气对流扰动剧烈情况下实时测量气流扰动情况。

主权项

一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)建立气流扰动下空气折射率三维重构测量系统，该系统包括：m个CCD相机和m个散斑背景板，CCD相机和散斑背景板数量相同，CCD相机和散斑背景板布置在以被测空气场(3)为中心的同一平面圆周上，且等间距布置，该圆周直径为D，每个CCD相机透过被测空气场正对一个散斑背景板，m为大于等于2的正整数；2)在被测空气场(3)被加热之前，用所述的m个CCD相机透过被测空气场(3)同时拍摄对应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像作为参考图像；3)将被测空气场(3)加热到200℃以上，在加热过程中某一时刻用所述的m个CCD相机透过被加热的被测空气场(3)同时拍摄所对应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像与步骤2)中参考图像对比，CCD相机和散斑背景板所在平面设为Oxy平面，z轴方向垂直于Oxy平面，用数字图像相关方法计算出由于空气扰动造成的每个散斑背景板上散斑图像畸变沿z轴方向位移场v；4)m个CCD相机在同一平面内间隔180°/m角度，透过被测空气场(3)拍摄散斑背景板计算对应的m个角度散斑图像z轴方向位移场，分别记为v₁,v₂,...,v_m，通过用样条插值得到0到180度任一角度θ的散斑图像位移场v_θ，θ∈(0,π)；5)由步骤4)得到0到180度任一角度θ的散斑图像位移场v_θ，由下式：$\frac{\partial n}{\partial z}=\frac{\partial n(x,y,z)}{\partial z}=\underset{0}{\overset{\pi }{\int }}\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{S}_{\theta }\left(\omega \right)\left|\omega \right|e^{j2\mathrm{\pi \omega }(x\cos \theta +y\sin \theta )}\mathrm{d\omega d\theta }$计算出被测空气场(3)空气折射率n沿z轴方向偏导数的三维空间分布，其中j为虚数单位S_θ(ω)为散斑图像位移场v_θ的傅里叶变换值，t＝xcosθ+ysinθ，x、y、z分别为散斑图像上点的沿x轴、y轴、z轴的空间坐标；6)设被测空气场边缘空气处于恒温，其空气折射率为n_o，用上述空气折射率沿z轴方向偏导数由下式：$n=n(x,y,z)=n_o+\underset{0}{\overset{z}{\int }}\frac{\partial n(x,y,z)}{\partial z}\mathrm{dz}$计算出该测量时刻下空气折射率n的三维分布，其中为被测空气场空气折射率z轴方向偏导数沿z轴的积分，在不同时刻重复步骤3)～6)可以得到相应时刻下高温气流扰动下空气折射率三维分布。