高幀頻數(shù)字相機(jī)在高速流動(dòng)顯示中的應(yīng)用

楊富榮，陳 力，蘇 鐵，鮑偉義，齊新華

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

高幀頻數(shù)字相機(jī)在高速流動(dòng)顯示中的應(yīng)用

楊富榮，陳 力，蘇 鐵，鮑偉義，齊新華

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

根據(jù)高速流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究對(duì)高幀頻圖像采集設(shè)備的需要，基于分幅式光路設(shè)計(jì)原理，結(jié)合快響應(yīng)像增強(qiáng)器和低照度CCD相機(jī)，研制了一套兆赫茲采樣的高幀頻數(shù)字相機(jī)。利用高幀頻數(shù)字相機(jī)，開展了高速流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究：基于高幀頻數(shù)字相機(jī)，結(jié)合紋影技術(shù)，在激波管上針對(duì)方塊、凹槽模型，開展了高速流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)，獲取了運(yùn)動(dòng)激波與模型邊界相互作用的序列圖像，觀察到湍流渦隨時(shí)間演化發(fā)展的過程。結(jié)合一臺(tái)輸出功率為8W的連續(xù)激光光源和高幀頻數(shù)字相機(jī)，建立了一套高速片光散射流動(dòng)顯示系統(tǒng)，獲取了噴流的米氏散射序列圖像。實(shí)驗(yàn)證明，基于高幀頻數(shù)字相機(jī)的紋影及片光散射技術(shù)具備開展高速流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究的能力。

高速相機(jī)；紋影；散射；流動(dòng)顯示；序列圖像

0 引 言

非定常復(fù)雜流動(dòng)一直是空氣動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，作為觀察復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，研究復(fù)雜流動(dòng)特性，探索復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律最直觀、最有效的流動(dòng)顯示技術(shù)，長(zhǎng)期以來一直受到人們的高度重視，并在實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)復(fù)雜流動(dòng)特性研究中發(fā)揮了重要作用［1－6］。

近年來，超聲速、高超聲速飛行器的研究引發(fā)了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，相應(yīng)的流動(dòng)特性成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)［7－9］。由于流場(chǎng)特征隨時(shí)間變化極快，傳統(tǒng)基于工業(yè)相機(jī)的陰影、紋影等常規(guī)流動(dòng)顯示技術(shù)，受采集相機(jī)拍攝幀頻不夠高或空間分辨率不夠的限制，其流動(dòng)顯示結(jié)果遠(yuǎn)不能反映高速流場(chǎng)復(fù)雜的時(shí)間、空間特性，為完成此類高速非定常復(fù)雜流場(chǎng)的流動(dòng)顯示，迫切需要特殊的高幀頻相機(jī)獲取高時(shí)間、高空間分辨率的流場(chǎng)圖像用于其流動(dòng)規(guī)律研究。

根據(jù)高速?gòu)?fù)雜流動(dòng)顯示的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套2MHz幀頻，最高空間分辨率為1628×1236像素的高幀頻數(shù)字相機(jī)，結(jié)合紋影和片光散射技術(shù)，開展了高幀頻數(shù)字相機(jī)在高速流動(dòng)顯示中的應(yīng)用研究，獲取了高時(shí)間分辨、高空間分辨高速流場(chǎng)變化的序列圖像，清楚觀察到運(yùn)動(dòng)激波與復(fù)雜幾何邊界相互作用以及高速射流瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的演變過程。

1 高幀頻數(shù)字相機(jī)實(shí)現(xiàn)原理

高幀頻數(shù)字相機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，利用7片半反半透分光片將被測(cè)圖像分為光學(xué)強(qiáng)度相等、光學(xué)信息與被測(cè)圖像完全一致的8等份，并保持圖像的空間信息，對(duì)于空間上分離的每一路圖像，分別用一個(gè)門控選通像增強(qiáng)器和CCD相機(jī)記錄，待測(cè)流場(chǎng)的影像成像于像增強(qiáng)器的光陰極，當(dāng)控制像增強(qiáng)器開關(guān)的高壓脈沖電源送入時(shí)，像增強(qiáng)器感光，光陰極受光產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)微通道板倍增加速后轟擊熒光屏形成圖像。像增強(qiáng)器熒光屏與CCD相機(jī)之間嚴(yán)格避光，每一路CCD相機(jī)的實(shí)際曝光時(shí)間完全由像增強(qiáng)器感光時(shí)間確定，像增強(qiáng)器的最小選通工作時(shí)間決定了相機(jī)的成像快門時(shí)間，相鄰兩路像增強(qiáng)器的感光間隔決定了相機(jī)的拍攝幀頻。在系統(tǒng)使用過程中，由同步控制系統(tǒng)給出流場(chǎng)和高幀頻相機(jī)的運(yùn)行信號(hào)。延時(shí)觸發(fā)器收到同步信號(hào)后，按照需要的拍攝幀頻和快門時(shí)間設(shè)置高壓脈沖電路的工作時(shí)序和脈沖寬度，控制各通道像增強(qiáng)器的感光時(shí)刻和選通工作時(shí)間。結(jié)合高速負(fù)高壓控制電路，設(shè)計(jì)了一臺(tái)幀數(shù)為8幀，最高幀頻2MHz的高幀頻數(shù)字相機(jī)，相機(jī)的分辨率達(dá)到1628×1236像素。

圖1 高幀頻數(shù)字相機(jī)原理圖Fig.1 Schematic of high－speed multi－frame digital camera

2 在流動(dòng)顯示中的應(yīng)用

2.1 在紋影技術(shù)中的應(yīng)用

紋影技術(shù)是研究流場(chǎng)的最直觀最有效的手段之一，傳統(tǒng)紋影以膠片或普通工業(yè)CCD記錄圖像，受時(shí)間或空間分辨率不夠的限制，無法反映隨時(shí)間變化極快的超聲速、高超聲速流場(chǎng)的演變過程。為獲取高速流場(chǎng)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)以及高時(shí)間和空間分辨的序列圖像，將高幀頻數(shù)字相機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠片或普通工業(yè)相機(jī)記錄圖像，建立了一套兆赫茲幀頻的高速紋影系統(tǒng)，圖2為高速紋影實(shí)驗(yàn)的光路示意圖。

圖2 高速紋影光路布置示意圖Fig.2 Optical diagram of high－speed schlieren

在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心某激波管上，針對(duì)圖3所示的方塊和凹槽模型，利用高幀頻數(shù)字相機(jī)，開展了高速紋影流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)。圖4為以圖3（a）所示的方塊模型為研究對(duì)象，利用高速紋影技術(shù)拍攝的8幀序列圖像，實(shí)驗(yàn)氣體為干燥的空氣，壓力為0.1MPa，高壓段驅(qū)動(dòng)氣體為氮?dú)?，壓力?.65MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為295K；高幀頻數(shù)字相機(jī)的拍攝幀頻設(shè)置為33kHz，每幀圖像的快門時(shí)間為2μs，選擇這個(gè)幀頻的目的在于記錄的序列圖像能明顯反映出流場(chǎng)的變化過程。從8幀序列圖像可以清楚的觀察到運(yùn)動(dòng)激波與模型相互作用的過程，前兩幀圖像激波還未到達(dá)方塊模型，在空間自由傳播，由于拍攝時(shí)間間隔30μs已知，由兩幀圖像可以推算出運(yùn)動(dòng)激波的傳播速度約為438m／s。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experiment model

利用高速紋影技術(shù)，拍攝的凹槽模型不同時(shí)刻的8幀序列圖像分別如圖5和6所示。圖5的拍攝幀頻為16.7kHz，快門時(shí)間20μs，從序列圖像可以清楚地看到流場(chǎng)的建立過程以及凹槽模型啟動(dòng)渦的產(chǎn)生、穩(wěn)定、發(fā)展及破碎過程。

將每幀圖像的快門時(shí)間縮短到3μs，相鄰兩圖像的拍攝間隔設(shè)置為20μs（幀頻50kHz），圖6給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中不僅可以清楚地看到運(yùn)動(dòng)激波與凹槽邊界相互作用的演化過程，還能夠觀察到由模型上拐角淺凹槽引起的小渦的破碎過程，以及由模型下拐角深凹槽引起的大渦結(jié)構(gòu)壯大、傳播、簡(jiǎn)并及破碎的演化過程。

圖4 幀頻33kHz序列紋影圖像Fig.4 Schlieren images at frame rating of 33kHz

圖5 幀頻16.7kHz序列紋影圖像Fig.5 Schlieren images at frame rate of 16.7kHz

圖6 幀頻50kHz序列紋影圖像Fig.6 Schlieren images at frame rate of 50kHz

2.2 在片光散射技術(shù)中的應(yīng)用

高速紋影技術(shù)反映了在光線傳播路徑上密度的積分信息，為完成某一截面的流動(dòng)顯示，可通過片光散射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。片光散射技術(shù)是隨著激光技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的一種流動(dòng)顯示技術(shù)，其通過流場(chǎng)中的氣體分子或者外加的示蹤粒子對(duì)激光片光的散射實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)密度分布的測(cè)量，近年發(fā)展起來的片光流動(dòng)顯示技術(shù)，如PLIF［10］（Planar Laser－induced Fluorescence，平面激光誘導(dǎo)熒光）、FRS［11］（Filtered Rayleigh Scattering，濾波瑞利散射），NPLS［12］（Nano－based Planar Laser Scattering，基于納米技術(shù)的平面激光散射），在高速流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量中發(fā)揮了重要的作用，但這些技術(shù)多采用脈沖激光光源，每次只能獲取1幅或者2幅流場(chǎng)圖像，對(duì)了解高速流場(chǎng)的發(fā)展變化歷程提供的信息量還不夠豐富。

利用高幀頻數(shù)字相機(jī)，結(jié)合一臺(tái)輸出功率為8W的連續(xù)激光光源，組成了一套高速片光散射測(cè)量系統(tǒng)，采用大功率連續(xù)激光光源，既可增強(qiáng)流場(chǎng)散射信號(hào)的強(qiáng)度，提高散射圖像的信噪比，又保證了流場(chǎng)的瞬態(tài)凍結(jié)時(shí)間以及相鄰圖像的拍攝間隔不受光源限制，完全由高幀頻數(shù)字相機(jī)確定，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和拍攝需求靈活選取和調(diào)節(jié)。圖7給出了高速片光散射測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，連續(xù)激光器輸出的大功率激光經(jīng)片光系統(tǒng)形成一厚度約0.5mm的片狀光源后照射待測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，流場(chǎng)分子或者示蹤粒子的散射激光由高幀頻數(shù)字相機(jī)記錄，通過設(shè)置合適的拍攝幀頻，獲得高時(shí)間和空間分辨的8幀流場(chǎng)序列圖像。

利用高速片光散射技術(shù)，開展了噴流散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中片激光經(jīng)過噴管射流散射后被高幀頻數(shù)字相機(jī)所探測(cè)，在來流中加入微量的水，以提高散射信號(hào)的強(qiáng)度。圖8是利用高速片光散射系統(tǒng)，以10kHz幀頻拍攝的噴管出口附近射流的8幀序列圖像，從圖中可以清楚看到射流邊緣的渦狀結(jié)構(gòu)；從第3、4、5、6幀序列圖像中，可以清楚地看到射流左上邊緣一個(gè)逆時(shí)針方向旋渦的形成過程，從第6、7、8幀序列圖像中，可進(jìn)一步看到該旋渦翻卷發(fā)展的變化過程；同時(shí)，從序列圖像中，也能夠觀察到右邊緣順時(shí)針旋渦的發(fā)展演化情況。

圖7 高速片光散射示意圖Fig.7 Schematic of light scattering

圖8 幀頻10kHz片光散射序列圖像Fig.8 Scattering images at frame rate of 10kHz

3 結(jié) 論

根據(jù)分幅式光路設(shè)計(jì)原理，結(jié)合快響應(yīng)像增強(qiáng)器和低照度CCD相機(jī)，研制了一套兆赫茲采樣的高幀頻數(shù)字相機(jī)，并以此為基礎(chǔ)，建立了一套高速紋影及片光散射流動(dòng)顯示系統(tǒng)，開展了高幀頻數(shù)字相機(jī)在高速流動(dòng)顯示中的應(yīng)用研究。利用高速紋影技術(shù)，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心某激波管上，開展了運(yùn)動(dòng)激波與復(fù)雜邊界相互作用的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)，獲取了運(yùn)動(dòng)激波與模型邊界相互作用的序列圖像，清楚地觀察到湍流渦隨時(shí)間演化發(fā)展的過程。利用高速片光散射系統(tǒng)，開展了噴流米散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了噴流隨時(shí)間演化的8幀序列圖像，觀察到噴流邊緣的渦結(jié)構(gòu)及其翻卷發(fā)展的過程。通過實(shí)驗(yàn)，初步展示了高幀頻數(shù)字相機(jī)在超聲速、高超聲速流場(chǎng)流動(dòng)顯示研究中的應(yīng)用前景。

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楊富榮（1962－），男，江西蓮花人，副研究員。研究方向：光譜診斷，流動(dòng)顯示。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市迎賓路69號(hào)（621000），E－mail：chenli＿03＠163.com

The application of high－speed multi－frame digital camera in high－speed flow visualization

YANG Fu－rong，CHEN Li，SU Tie，BAO Wei－yi，QI Xin－h(huán)ua
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

The high－speed photography is an essential diagnostic tool in research on supersonic flow visualization.In order to obtain instantaneous and sequential images in high－speed flow，a MHz rate high－speed digital camera was developed using CCD cameras and image intensifiers acquiring images from corresponding beam－splitters.The application of high－speed multi－frame digital camera in high－speed flow visualization is discussed.With the help of high－speed multi－frame digital camera，a series of high－speed schlieren visualization experiments have been performed in a shock tube，and the sequential images clearly indicate the interaction between shock－waves and complex boundary.The 8－frame sequential Mie scattering images of jet were obtained by a new high－speed sheet laser scattering imaging system consisting of the high－speed multi－frame digital camera and a 8Wcontinuous－wave laser.From these sequential images we can clearly see the developing，growing and merging processes of streamwise vortices.It has been proved by experiments that high－speed multi－frame digital camera－based schlieren and laser scattering techniques can be used to explore the structure and physics in high－speed flow.

high－speed camera；schlieren；scattering；flow visualization；sequential images

V211.7

A

1672－9897（2012）05－0065－04

2011－06－03；

2012－05－10