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1、编号：哈尔滨工业大学大一年度项目立项报告项目名称： 纹影成像系统 项目负责人： 王家辉 学号： 1161140209 联系电话： 15545563849 电子邮箱： wjh722F 院系及专业： 理学院物理系光电信息科学与工程 指导教师： 姚凤凤 职称： 副教授 联系电话： 电子邮箱： 院系及专业： 哈尔滨工业大学基础学部制表填表日期： 年 月 日一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序）姓名性别所在院系学号联系电话本人签字王家辉男理学院物理系116114020915545563849王金梦男理学院物理系116114021118846088081刘炎武男理学院物理系11611402121884
2、6935142王思元男理学院物理系116114022318846657105二、指导教师意见 签 名： 年 月 日三、项目专家组意见 批准经费： 元 组长签名： （ 学部盖章 ） 年 月 日（一）立项背景纹影成像是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的基本原理进行测量的，广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场。纹影仪，是根据光线通过不同密度的气流而产生的角偏转来显示其折射率，是一种测量光线微小偏转角的装置。它将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像。纹影成像，又
3、称纹影技术，包括黑、白纹影法，彩色纹影法和干涉纹影法，是用纹影系统进行流场显示和测量的最常用的光学方法。纹影法首先由Toepler于1884年提出，并应用在光学玻璃折射率的检测中。1952年 ，Holde和Norht在纹影系统上使用白光的分光棱镜 ，实现了彩色纹影成像，扩大了纹影技术的应用范围；1962年，Bland和pelick用纹影法研究了水的压力和温度效应后指出，纹影法实用于水洞 的流场显示；1974年 ，Merzkirch对可压缩流场中的纹影技术进行了分类，把涉及到在纹影系统上进行的干涉纹影法的研究 ，包括光栅干涉、棱镜干涉以及Moire条纹干涉等 ，均归类于纹影技术,并得到同行的认可
4、。纹影技术作为非接触式流场可视化手段已存在近百年，广泛应用于射流、空气动力学和传热等研究领域。 然而在实际应用中，纹影通常仅作定性观察和分析，极少作为定量化的测试手段。 这主要有个原因：首先，影响纹影图像灰度的因素很多，如光源强度、玻璃透射率、测试区厚度等，导致难以建立图像与待测物理量之间的定量关系；其次，纹影图像反映折射率的一阶导数场，提取数据困难。然而，随着计算机技术，特别是图像处理技术的发展，纹影的定量化测量逐渐成为了可能。国外，Agrawal等利用彩色纹影得到了火焰的温 度 场 。Hargather等对 “”字 形 纹 影 、彩 色 纹 影和背景纹影（BOS）在平板传热实验中的定量化进
5、行了比较，结果显示3种纹影技术在平板传热试验中都可以达到很好的精度。 国内，叶继飞等利用彩色纹影对密度场进行了定量化测量。 周昊等采用背景纹影对火焰温度进行了定量化测量。对于纹影系统的发展应用则很有意义。不管什么飞机，包括隐身飞机，在空气中飞行的时候，都会引起相对平静的气流的剧烈扰动，就如同高速快艇在水面上飞驰，掀起一道白色的波浪一样。飞机对气流的扰动，会形成巨大的尾涡流，这些涡流会在空中保持很长一段时间，因此，机场上客机的飞机起飞必须间隔一段时间，以使后面的飞机避开前面飞机的涡流，避免发生飞机失控的事故。飞机的涡流是如此的巨大和持久，虽然用肉眼看不见，但是在纹影摄像机面前，就如同平静水面上的
6、划过的波浪一样清晰。纹影摄影反隐身正是基于这个原理。纹影摄像机虽然看不见隐身飞机，但可以清晰的看见飞机飞行产生的空气涡流轨迹，而这个涡流轨迹是无法用现有技术消除的，在摄像机上，就像蓝天上飞机的尾气云一样明显。任何飞机，都无法摆脱被发现的命运。虽然隐身飞机对自己的尾气进行了很多技术处理，比如添加特殊的化学物质来降低尾流的温度，采用特殊的喷射途径，使其迅速与周围的空气混合，如此等等。通过降低红外信号特征，来实现难以被探测的目的。但是，它无法改变的是，尾流会加热周围的空气，使飞机飞过的地区温度明显高于天空背景的温度。因此，改进纹影摄像机，使其工作的波段处于中远红外的波段，在红外纹影摄像机面前，夜空中
7、隐身飞机扰动的气流轨迹，就像夜空中流星的轨迹一样明显，隐身就根本无从谈起。如果将红外纹影摄像机，结合被动光学测距技术，就可以对隐身飞机进行有效的定位，多个纹影摄像机连接成监控网络，就能对隐身飞机进行持续的跟踪，并引导自己的飞机和防空导弹消灭隐身飞机。目前，人们已经在这方面已经有了一些进展，但是能使用的纹影成像系统还不甚完善精度也不够，本组的主要目的就是做出一套完整的纹影成像的装置并看到清晰精确的图像。由此可见，纹影成像技术未来的研究趋势主要是针对运动物体的描述和对空气密度改变的检测。未来，纹影成像技术主要应用于反隐身飞机，风洞的气流研究和高速激波的研究。 以上即为纹影成像系统的背景与意义。（二
8、）项目研究内容 为了更简单的解释纹影成像的原理，这里假设折射率对y的偏导n/y0,并且对x，z的偏导数为零。如上图一组平行光射入，在不同高度的光线进入不同的折射率介质时，由于光速不同，根据惠更斯原理有光线的波阵面会偏转，从而导致光线传播方向发生片状，偏转的角度设为，则由图中几何关系有=c/n2-c/n1y而t=z n/c，代入后化简得=nn1n2n1-n2yz又n1n2n，所以ddz=1nny由于是小角度，所以有=dy/dz,代入有2yz2=1nny上式说明了光路的弯曲与介质折射率梯度之间的关系。在纹影图像上的某些特定的位置可以找到这些由于光线弯曲而生成的“像”。其对应光线的方向可通过上式积分
9、得到y=1nnyz接下来是具体实施方案和研究内容。纹影成像系统研究的内容具体系统如图（1）。图（1）（三）实施方案及进度安排纹影光路图 实验使用平行光，反射式的光学成像带有轴外光线成像造成的慧差和像散两类相差，采用“Z”形光路布置，并调整刀口，可以减少或消除这两类像差。纹影系统调节 光路（1）点光源由灯泡和凸透镜组成，聚焦光束经过平面反射镜1反射到凹面反射镜1上，（2）光程为凹面反射镜的焦距，平行光经过隔离段入射到另一边的凹面反射镜2，它将光束反射到平面反射镜2，再反射到摄像机。调节步骤（1）调整凹面反射镜和隔离段的水平位置，使两凹面反射镜的中心线与隔离段中心线在同一水平面上；（2）打开电灯，
10、调节凸透镜及平面反射镜1的位置，使聚焦光束到凹面反射镜的 距离为凹面镜焦距；调节凹面反射镜1的俯仰度，使反射光照在凹面反射镜2的中间位置；（3）调节凹面反射镜2的俯仰度以及平面反射2的位置使平面镜能将光反射到照相机上；（4）调整照相机的位置以获取适当的图像质量。 注意事项（1）凹面反射镜1、2的水平中心线与隔离段中心线必须在一个平面上，这是难点所在，可利用水平仪，激光等设备辅助调节。（2）保证凹面反射镜1和2上的光斑（圆）一样大，即光线平行。（3）点光源入射路线与反射路线需成等腰三角形构造，这要求平面反射镜1的角度需适中。进度安排：2016.112016.12查阅文献，了解工作原理，进行可行性
11、论证2016.122017.02进行光路图的设计与理论计算的数据整理2017.022017.04进行装置的制作与组装，并进行初步实验2017.042017.05用已组装出的装置进行实验，并拍摄照片2017.052017.06总结实验结果、撰写结题报告。（四）中期及结题预期目标中期预期目标为：做出较为完整的系统和完成光路图的设计结题目标为：可以看到清晰的纹影图像并有实际应用。(五）经费使用计划购买仪器、镜片、平行光源等：1500元。其他（工具费用，软件注册费用）：1000元(六)主要参考文献1:Nicolas Degen An Overview on Schlieren Optics and i
12、ts Applications2012-7-142:Visualizing the invisible: the construction of three low-cost schlieren imaging systems for the undergraduate laboratory 2008-6076173:Nicolas Degen An Overview on Schlieren Optics and its Applications2012-7-144:维基百科5 :Amrita Mazumdar PRINCIPLES AND TECHNIQUES OF SCHLIEREN IMAGINGSYSTEMS2013-6-186: 孟晟,杨臧健,王明晓,沈忠良,邓凯,钟英杰 纹影定量化在火焰温度测量中的应用2015-8注：部分英文文献已经翻译
