Растровая теневая система визуализации потоков

Система относится к средствам визуализации течений газа и может использоваться для определения оптических неоднородностей потоков как при испытаниях моделей в аэродинамических трубах, так и на баллистических стендах. Разработана растровая теневая система визуализации потоков, в которой осветительная оптическая система выполнена в виде плоского осветительного растрового экрана, содержащего набор регулярно расположенных по всей площади светоизлучающих элементов, каждый из которых выполнен в виде оптической системы, формирующей локальный исходный пучок лучей света, согласованной своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы; приемная система выполнена в виде широкоугольной приемной системы, согласованной по углу зрения с размерами осветительного экрана; отсекающий фильтр пространственных частот выполнен в виде отсекающего растра, содержащего набор светопоглощающих элементов, числом равных числу светоизлучающих элементов осветительного экрана'; а расположением и формой оптически сопряженных со светоизлучающими элементами осветительного экрана. В процессе работы проводились исследования оптических неоднородностей, возникающих в прозрачном газе при его обтекании вокруг модели летательного аппарата, определение его рефракционных характеристик и расчет параметров оптической системы, обеспечивающих оптимальную визуализацию оптических неоднородностей. В результате разработан и реализован на аэродинамической трубе ЦАГИ ТПД-1000 проект растровой теневой системы визуализации с полем 600 мм. Особенностью системы является наличие двух ветвей регистрации - для мгновенной фоторегистрации и для видеорегистрации.

Разработанная растровая теневая система визуализации потоков относится к области экспериментальной аэродинамики и является оптическим средством исследования неоднородностей в прозрачных потоках газа рефрактометрическим способом. Она может применяться как при испытании моделей в аэродинамических трубах, так и при проведении экспериментов на баллистических трассах.

Рефрактометрические методы, визуализации прозрачных потоков в настоящее время являются основным средством изучения пространственной структуры обтекания модели летательного аппарата. Они основаны на том явлении, что неоднородность потока, т.е. пространственные изменения показателя преломления среды, приводят к деформации волнового фронта света, прошедшего сквозь поток, и, в частности, к изменениям направлений распространения лучей света в месте локализации неоднородности. В экспериментальной аэродинамике применяются многочисленные системы визуализации, основанные на рефракционном методе:

1. интерферометр Маха-Цендера (Mach, E, Wiener Berichte, 95, s.764, 1887), в котором есть осветительная часть, светоделительная система, две оптические ветви - опорная и проходящая через исследуемую область, место образования интерференционной картины от двух ветвей и система регистрации интерференционной картины.

2. прямая теневая система Дворжака (Dvorak, V, Wiedemanns Ann., 9, s.502, 1880), в которой есть осветительная часть, формирующая параллельный или расходящийся световой поток от точечного источника света и система регистрации изображения.

3. теневой (шлирный) прибор Теплера (Toepler, A., Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode., Bohnn, 1864)

4. реализация метода Теплера в серийном теневом приборе ИАБ-451 (Л.А.Васильев, Теневые методы, М, 1968)

5. патент РФ 2029942 от 1995.02.27, в котором описана система измерения показателя преломления прозрачных сред с помощью регистрации изменения положения тени, содержащая осветительную часть, формирующую световой поток от источника света и систему регистрации изображения.

Однако все традиционные системы визуализации потоков сложны и дороги в производстве и настройке, обладают относительно малым полем зрения и имеют значительные габариты и вес. Так наиболее распространенный прибор Теплера ИАБ-451 [Л.А.Васильев, Теневые методы, М, 1968] состоит из двух цилиндрических частей диаметром 310 мм, длиной 2415 мм и весом по 240 кг каждая. Поле визуализации у него составляет всего 230 мм. При увеличении поля визуализации до диаметра 400 мм, как у прибора ТЕ-21, вес системы возрастает до 1200 кг, а габариты осветительной и приемной части составляют в объеме 1500х1500х1500 мм³ каждая. Все эти оптические средства непригодны для исследований течений газа в больших промышленных аэродинамических трубах, требующих поля визуализации до 500 мм и больше и предъявляющих ограничения на массо-габаритные характеристики прибора.

За прототип принят теневой прибор Теплера (см. п.3, 4 лист 1), который содержит источник света, осветительную оптическую систему, формирующую исходный пучок лучей света, приемную оптическую систему, отсекающий фильтр пространственных частот и систему формирования и регистрации изображений.

Недостатками такого прибора являются малое поле визуализации, ограниченное апертурой осветительной и приемной оптических систем, а

также большие габариты упомянутых осветительной и приемной оптических систем. Следствием этого являются невозможность визуализации течений в областях диаметром свыше 200-300 мм и значительные массогабаритные характеристики оборудования, что повышает его стоимость и исключает возможность мобильного использования.

Задачей изобретения и техническим результатом является создание системы визуализации потоков с расширенным полем зрения и имеющей приемлемые массогабаритные характеристики для использования ее в мобильном варианте.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в растровой теневой системе визуализации потоков, содержащей источник света, осветительную и приемную оптические системы, отсекающий фильтр пространственных частот, систему формирования и регистрации изображений, в осветительную оптическую систему введен плоский осветительный растровый экран, содержащий набор регулярно расположенных по всей площади светоотражающих элементов, каждый из которых выполнен в виде оптической системы, формирующей локальный исходный пучок лучей света и согласованный своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы, которая выполнена в виде широкоугольной приемной системы, согласованной по углу зрения с размерами осветительного растрового экрана, причем отсекающий фильтр пространственных частот выполнен в виде отсекающего растра, содержащего набор светопоглощающих элементов, числом равных числу светоизлучающих элементов осветительного экрана, а расположением и формой оптически сопряженных со светоизлучающими элементами осветительного экрана.

Сущность изобретения и его конструктивные особенности поясняются ниже перечисленными схемами и конструкциями:

Фиг.1 - принципиальная оптическая схема растровой теневой системы визуализации потока.

Фиг.2 - конструкция приемной оптической системы растровой теневой системы визуализации потока (тип Р300-ФЦ).

Фиг.3 - внешний вид осветительного растрового экрана (а), и реплика отсекающего растра (б).

Фиг.4 - внешний вид узлов растровой теневой системы визуализации потока Р300-ФЦ расположенной в аэродинамической трубе ЦАГИ ТПД-1000 (труба прямоточных двигателей). Показаны: а, б - общий вид установки, в - приемная оптическая система, г - система формирования и регистрации изображений.

Фиг.5 - результаты применения: визуализация обтекания конуса потоком на этапе запуска аэродинамической трубы (а-г) и на режимах М=1,0 (д) и М=1,4(е).

В основе растрового метода лежит явление смещения теней от осветительного экрана, представляющего собой набор регулярно расположенных светлых (излучающих) элементов на черном фоне (растр источников). Структура отсекающего растра геометрически подобна структуре осветительного растрового экрана. Поэтому, в отсутствии оптической неоднородности лучи света от всех светоизлучающих элементов осветительного экрана собираются на соответствующих им подобных элементах отсекающего растра, претерпевают одинаковое воздействие и образуют в плоскости наблюдения равномерно освещенное поле. При появлении оптической неоднородности лучи света, проходящие через возмущенные участки, приобретают угловые отклонения, и их дальнейшая траектория отличается от первоначальной. Эти лучи пройдут через другие участки отсекающего растра и испытают с его стороны иное воздействие, например, большее или меньшее поглощение. Сфокусировавшись в визуализирующей плоскости, эти лучи образуют участок с иной освещенностью, меньшей или большей, чем невозмущенные участки. Таким образом, изображения возмещенных участков поля визуализируются в виде

просветленных или затемненных участков по сравнению с участками, на которых лучи света не претерпели угловых отклонений. Эти зоны просветления и потемнения отображают структуру оптической неоднородности, образуя, таким образом, картину обтекания модели потоком в аэродинамической трубе.

Растровая система включает следующие основные подсистемы: осветительный растровый экран 1, исследуемое поле течения 2, приемную оптическую систему 3, включающую приемный объектив 4, отсекающий фильтр пространственных¹ частот (растр) 5, систему формирования и регистрации изображений неоднородностей потока (коллимирующую линзу 6, узел переключения каналов фото- и видео-регистрации 7, согласующий объектив 8 фотокамеры 9, согласующий объектив 10 видеокамеры 11, привод переключения каналов 12, узлы управления фотокамерой 13 и 14, источник непрерывного света 15 и источник импульсного света 16, пульт управления 17 и коммуникации 18 (фиг.1). Источники света 15, 16 и осветительный растровый экран 1 составляют осветительную оптическую систему.

Конструкция растровой системы содержит две основные части - осветительную и приемную оптические системы.

Осветительный растровый экран, входящий в осветительную оптическую систему, представляет собой щит размером 1000х1000 мм², регулярная структура которого представлена периодически расположенными белыми полосками на черном фоне (фиг.3, а). Период чередования полосок составляет 10 мм, ширина полосок - 5 мм. Осветительный растровый экран жестко закреплен на внутренней стене аэродинамической трубы. Каждый локальный исходный пучок лучей света, исходящий из каждого элемента осветительного растра, согласован своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы.

На другой, противоположной стене аэродинамической трубы имеется небольшое оптическое окно, за которым установлена приемная часть

растровой системы визуализации. На фиг.2 показана конструктивная схема приемной части растровой теневой системы Р300-ФЦ, разработанной для аэродинамической трубы ТПД.

Приемная часть включает: приемный объектив 4, отсекающий растр 5, коллимирующую линзу 6, узел переключения каналов фото- и видео-регистрации 7, согласующий объектив 8 фотокамеры 9 и видеокамеру, установленную напротив отводящего зеркала (на рисунке не показана). Зоны прохождения пучков света защищены от посторонней засветки тубусами 19. Приемная часть устанавливается горизонтально так, что ее оптическая ось располагается на уровне оси потока перпендикулярно плоскости осветительного растрового экрана (фиг.4, в).

Отсекающий растр изготавливается фотографическим методом путем экспонирования изображения осветительного растра на фотопленку или фотопластинку высокого разрешения (типа ТФ-41П). Размер отсекающего растра 80х80 мм. Он устанавливается в плоскую рамку, которая крепится к фланцу тубуса и может поворачиваться для установки или извлечения отсекающего растра. Узел снабжен котировочными винтами для тонкой [установки растра в рабочее положение. Реплика отсекающего растра показана на фиг.3, б. Система формирования и регистрации изображений включает в себя согласующий фотообъектив и стандартную фотографическую или цифровую камеру, которые соединены между собою раздвижным тубусом.

Приемная часть растровой системы устанавливается на имеющуюся в ТПД-1000 платформу с помощью переходной рамы. Механизм перемещения платформы позволяет перемещать приемную часть системы вдоль оси трубы в пределах 0-800 мм.

Система имеет два источника света - непрерывный и импульсный. Оба источника закреплены в плоскости приемного объектива максимально близко к оптической оси, направлены на растровый экран и перемещаются вместе с приемной частью системы.

размеры осветительного растра, мм х мм	1000х1000
ориентация полос растра	вертикальная
ширина и шаг полос растра, мм	5,10
приемный объектив, тип	Индустар-37
фокусное расстояние объектива, мм	300
размер поля визуализации, мм	600х600

Устройство работает следующим образом. световой поток от источника света непрерывного (15) или импульсного (16) действия падает на осветительный растровый экран (1), пересекает рабочую часть аэродинамической трубы (2) и достигает приемной оптической системы (3). Затем он проходит через приемный объектив (4), отсекающий растр (5), коллимирующую линзу (6), узел переключения каналов фото- и видеорегистрации (7). Регистрируется световой поток через согласующий объектив (8) фотокамерой (9), или через согласующий объектив (10) видеокамерой Щ).

Если в рабочей части аэродинамической трубы не было оптических неоднородностей, то отсекающий растр (5) создаст в плоскости наблюдения равномерно освещенное поле. При появлении оптической неоднородности лучи света, прошедшие через нее, приобретают отклонения, при этом они пройдут через другие участки отсекающего растра, где их поглощение будет различным (большим или меньшим, чем без неоднородности). В результате этого в плоскости наблюдения возникнут участки с повышенной или пониженной освещенностью, соответствующие оптической неоднородности.

На фиг.4 показаны фотографии узлов макетного образца растровой теневой системы Р300-ФЦ, смонтированной в аэродинамической трубе ЦАГИ ТПД-1000. Растровый экран (фиг.3, а) был установлен внутри камеры давления. Приемная часть (фиг.4, а и 4, б) смонтирована напротив растрового экрана за оптическим окном вне камеры давления

На фиг.5 представлены результаты визуализации обтекания конуса с диаметром основания 100 мм и углом при вершине 30° на режиме запуска трубы и числах М=1,0 и 1,4. Недостаточная контрастность изображений обусловлена присутствием в потоке водяного конденсата (тумана). Анализ красных, зеленых, синих (Red, Green, Blue -RGB)-компонентов полученных кадров показал, что наиболее информативным компонентом в данной растровой схеме оказался красный цветовой компонент, у которого отношение сигнал/шум было самым высоким.

Растровая теневая система визуализации потоков, содержащая источник света, осветительную и приемную оптические системы, отсекающий фильтр пространственных частот, систему формирования и регистрации изображений, отличающаяся тем, что в ней в осветительную оптическую систему введен плоский осветительный растровый экран, содержащий набор регулярно расположенных по всей площади светоотражающих элементов, каждый из которых выполнен в виде оптической системы, формирующей локальный исходный пучок лучей света, согласованный своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы, которая выполнена в виде широкоугольной приемной системы, согласованной по углу зрения с размерами осветительного растрового экрана, причем отсекающий фильтр пространственных частот выполнен в виде отсекающего растра, содержащего набор светопоглощающих элементов числом, равным числу светоизлучающих элементов осветительного экрана, сопряженных с ними по форме и расположению.