Real-time BOS实时密度场监测系统

赵鑫海，金 龙，米 琦，郑文鹏，吴争邦

指导教师：易仕和，丁浩林

1 产品背景

人眼可以感知光线明暗变化，可以区分出不同的色彩，却难以察觉无形无色的密度场变化（例如温度引起的气体密度变化，气体组分变化引起的密度变化，高速飞行器流场压缩引起的密度变化等）。要观察到这些“隐形”的密度场，需要借助特殊的显示技术。纹影技术可以测量光线偏折的一阶梯度，实现定性密度场的观测，然而其装置复杂，观察范围有限（小于米级），目前多用于实验研究。本作品旨在完成定量密度场测量技术的实用化和市场化探索。

背景纹影技术（Background Oriented Schlieren, BOS）是一种可定量获取光线偏折信息的非接触式测量方法。在此技术基础上，文中设计了一种实时密度场监测系统—Realtime BOS。产品由硬件部分和软件部分构成。硬件包括相机和处理器；软件等操作程序基于MATLAB软件开发，依托MATLAB脚本运行，操作简单，对于观测区域信息的可视化延迟较小。图1所示为作品的程序操作界面，图中显示区域的结果为实时密度场检测系统得到的火焰上方的密度场云图。

图1 Real-time BOS系统观测热空气密度

2 工作原理

2.1 技术原理

如图2和图3所示，本产品主要由背景图案、相机和处理器组成。背景图案可由特定的随机点组成，也可直接采用自然环境作为背景。相机捕捉受密度场干扰的背景图像，利用互相关方法得到对应查问窗口对应位移Δx'和Δy'，如图4所示。传统相机的分辨单位为像素（pixel），本系统提出的互相关算法可将相机的分辨能力提高到亚像素级别，使得系统的视觉分辨能力足以捕捉极其微小的光线偏折信息。……