基于光源拼接的大视场聚焦纹影技术初步研究

谢爱民, 部绍清, 罗锦阳

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000)

0 引 言

随着风洞试验设备的发展，试验模型及测试区域尺寸不断增大，大视场流场显示技术需求日益迫切。风洞中常使用的“Z”型结构纹影系统(即常规纹影，光路图如图1所示)在测试视场Φ800mm以上时，不仅大尺寸球面反射镜和窗口玻璃难以加工，而且价格非常昂贵。

基于菲涅耳透镜的聚焦纹影系统[1-10](光路图如图2所示)，因大尺寸菲涅耳透镜相对球面反射镜更容易加工，此类聚焦纹影系统可用于大视场流场显示。但目前国内可加工的菲涅耳透镜直径不超过2.0m[11]，用于聚焦纹影时测试视场难以达到Φ1.5m。而国内外相继发展的BOS(Background Oriented Schlieren)技术结构简单[12-14]，可以实现大视场流场显示，对图像按照PIV(Particle Image Velocimetry)原理进行处理后可以获得流场参数值。但BOS技术不能直接获得流场结构图像，目前主要用于开展流场参数定量测量研究。

图1 “Z”型结构纹影系统光路布置图

图2 常规聚焦纹影系统光路图

根据以上分析，目前适合风洞并满足视场大于1.5m的流场显示技术较少。为满足大视场流场研究需要，主要采取重复试验及流场图像拼接技术，以获得不同区域的流场显示。

随着高功率LED光源及其他光源技术的发展，已可实现高功率的光源拼接。本文提出在聚焦纹影基础上使用光源拼接方式开展大视场聚焦纹影成像技术。其成像原理为：取消菲涅耳透镜，利用单个LED光源或其他光源(如激光光源)拼接的大尺寸光源代替聚焦纹影系统中的光源和菲涅耳透镜，通过使用一组小口径透镜就可以直接对测试区域进行纹影成像，并实现较大区域的流场显示。……