高幀頻數字相機在高速流動顯示中的應用

楊富榮，陳 力，蘇 鐵，鮑偉義，齊新華

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

高幀頻數字相機在高速流動顯示中的應用

楊富榮，陳 力，蘇 鐵，鮑偉義，齊新華

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

根據高速流動顯示實驗研究對高幀頻圖像采集設備的需要，基于分幅式光路設計原理，結合快響應像增強器和低照度CCD相機，研制了一套兆赫茲采樣的高幀頻數字相機。利用高幀頻數字相機，開展了高速流動顯示實驗研究：基于高幀頻數字相機，結合紋影技術，在激波管上針對方塊、凹槽模型，開展了高速流動顯示實驗，獲取了運動激波與模型邊界相互作用的序列圖像，觀察到湍流渦隨時間演化發展的過程。結合一臺輸出功率為8W的連續激光光源和高幀頻數字相機，建立了一套高速片光散射流動顯示系統，獲取了噴流的米氏散射序列圖像。實驗證明，基于高幀頻數字相機的紋影及片光散射技術具備開展高速流動顯示實驗研究的能力。

高速相機；紋影；散射；流動顯示；序列圖像

0 引 言

非定常復雜流動一直是空氣動力學研究的重點和難點，作為觀察復雜流動現象，研究復雜流動特性，探索復雜流動規律最直觀、最有效的流動顯示技術，長期以來一直受到人們的高度重視，并在實驗空氣動力學復雜流動特性研究中發揮了重要作用［1－6］。

近年來，超聲速、高超聲速飛行器的研究引發了世界范圍內的廣泛關注，相應的流動特性成為各國研究的熱點［7－9］。由于流場特征隨時間變化極快，傳統基于工業相機的陰影、紋影等常規流動顯示技術，受采集相機拍攝幀頻不夠高或空間分辨率不夠的限制，其流動顯示結果遠不能反映高速流場復雜的時間、空間特性，為完成此類高速非定常復雜流場的流動顯示，迫切需要特殊的高幀頻相機獲取高時間、高空間分辨率的流場圖像用于其流動規律研究。

根據高速復雜流動顯示的特點，設計了一套2MHz幀頻，最高空間分辨率為1628×1236像素的高幀頻數字相機，結合紋影和片光散射技術，開展了高幀頻數字相機在高速流動顯示中的應用研究，獲取了高時間分辨、高空間分辨高速流場變化的序列圖像，清楚觀察到運動激波與復雜幾何邊界相互作用以及高速射流瞬態結構的演變過程。

1 高幀頻數字相機實現原理

高幀頻數字相機的實現原理如圖1所示，利用7片半反半透分光片將被測圖像分為光學強度相等、光學信息與被測圖像完全一致的8等份，并保持圖像的空間信息，對于空間上分離的每一路圖像，分別用一個門控選通像增強器和CCD相機記錄，待測流場的影像成像于像增強器的光陰極，當控制像增強器開關的高壓脈沖電源送入時，像增強器感光，光陰極受光產生光電子，光電子經微通道板倍增加速后轟擊熒光屏形成圖像。像增強器熒光屏與CCD相機之間嚴格避光，每一路CCD相機的實際曝光時間完全由像增強器感光時間確定，像增強器的最小選通工作時間決定了相機的成像快門時間，相鄰兩路像增強器的感光間隔決定了相機的拍攝幀頻。在系統使用過程中，由同步控制系統給出流場和高幀頻相機的運行信號。延時觸發器收到同步信號后，按照需要的拍攝幀頻和快門時間設置高壓脈沖電路的工作時序和脈沖寬度，控制各通道像增強器的感光時刻和選通工作時間。結合高速負高壓控制電路，設計了一臺幀數為8幀，最高幀頻2MHz的高幀頻數字相機，相機的分辨率達到1628×1236像素。

圖1 高幀頻數字相機原理圖Fig.1 Schematic of high－speed multi－frame digital camera

2 在流動顯示中的應用

2.1 在紋影技術中的應用

紋影技術是研究流場的最直觀最有效的手段之一，傳統紋影以膠片或普通工業CCD記錄圖像，受時間或空間分辨率不夠的限制，無法反映隨時間變化極快的超聲速、高超聲速流場的演變過程。為獲取高速流場的瞬態結構以及高時間和空間分辨的序列圖像，將高幀頻數字相機代替傳統膠片或普通工業相機記錄圖像，建立了一套兆赫茲幀頻的高速紋影系統，圖2為高速紋影實驗的光路示意圖。

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

在中國空氣動力研究與發展中心某激波管上，針對圖3所示的方塊和凹槽模型，利用高幀頻數字相機，開展了高速紋影流動顯示實驗。圖4為以圖3（a）所示的方塊模型為研究對象，利用高速紋影技術拍攝的8幀序列圖像，實驗氣體為干燥的空氣，壓力為0.1MPa，高壓段驅動氣體為氮氣，壓力為0.65MPa，實驗溫度為295K；高幀頻數字相機的拍攝幀頻設置為33kHz，每幀圖像的快門時間為2μs，選擇這個幀頻的目的在于記錄的序列圖像能明顯反映出流場的變化過程。從8幀序列圖像可以清楚的觀察到運動激波與模型相互作用的過程，前兩幀圖像激波還未到達方塊模型，在空間自由傳播，由于拍攝時間間隔30μs已知，由兩幀圖像可以推算出運動激波的傳播速度約為438m／s。

圖3 實驗模型Fig.3 Experiment model

利用高速紋影技術，拍攝的凹槽模型不同時刻的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，快門時間20μs，從序列圖像可以清楚地看到流場的建立過程以及凹槽模型啟動渦的產生、穩定、發展及破碎過程。

將每幀圖像的快門時間縮短到3μs，相鄰兩圖像的拍攝間隔設置為20μs（幀頻50kHz），圖6給出了相應的實驗結果，從圖中不僅可以清楚地看到運動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構壯大、傳播、簡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 在片光散射技術中的應用

高速紋影技術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顯示，可通過片光散射技術來實現。片光散射技術是隨著激光技術的進步而發展起來的一種流動顯示技術，其通過流場中的氣體分子或者外加的示蹤粒子對激光片光的散射實現對流場密度分布的測量，近年發展起來的片光流動顯示技術，如PLIF［10］（Planar Laser－induced Fluorescence，平面激光誘導熒光）、FRS［11］（Filtered Rayleigh Scattering，濾波瑞利散射），NPLS［12］（Nano－based Planar Laser Scattering，基于納米技術的平面激光散射），在高速流場的瞬態測量中發揮了重要的作用，但這些技術多采用脈沖激光光源，每次只能獲取1幅或者2幅流場圖像，對了解高速流場的發展變化歷程提供的信息量還不夠豐富。

利用高幀頻數字相機，結合一臺輸出功率為8W的連續激光光源，組成了一套高速片光散射測量系統，采用大功率連續激光光源，既可增強流場散射信號的強度，提高散射圖像的信噪比，又保證了流場的瞬態凍結時間以及相鄰圖像的拍攝間隔不受光源限制，完全由高幀頻數字相機確定，可根據實驗條件和拍攝需求靈活選取和調節。圖7給出了高速片光散射測量系統的示意圖，連續激光器輸出的大功率激光經片光系統形成一厚度約0.5mm的片狀光源后照射待測流場區域，流場分子或者示蹤粒子的散射激光由高幀頻數字相機記錄，通過設置合適的拍攝幀頻，獲得高時間和空間分辨的8幀流場序列圖像。

利用高速片光散射技術，開展了噴流散射測量實驗，實驗中片激光經過噴管射流散射后被高幀頻數字相機所探測，在來流中加入微量的水，以提高散射信號的強度。圖8是利用高速片光散射系統，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構；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逆時針方向旋渦的形成過程，從第6、7、8幀序列圖像中，可進一步看到該旋渦翻卷發展的變化過程；同時，從序列圖像中，也能夠觀察到右邊緣順時針旋渦的發展演化情況。

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 論

根據分幅式光路設計原理，結合快響應像增強器和低照度CCD相機，研制了一套兆赫茲采樣的高幀頻數字相機，并以此為基礎，建立了一套高速紋影及片光散射流動顯示系統，開展了高幀頻數字相機在高速流動顯示中的應用研究。利用高速紋影技術，在中國空氣動力研究與發展中心某激波管上，開展了運動激波與復雜邊界相互作用的流動顯示實驗，獲取了運動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間演化發展的過程。利用高速片光散射系統，開展了噴流米散射測量實驗，得到了噴流隨時間演化的8幀序列圖像，觀察到噴流邊緣的渦結構及其翻卷發展的過程。通過實驗，初步展示了高幀頻數字相機在超聲速、高超聲速流場流動顯示研究中的應用前景。

［1］范潔川.近代流動顯示技術［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［2］FRANK J H，KAISER S A.High－resolution imaging of turbulence structures in jet flames and non－reacting jets with laser Rayleigh scattering［J］.Exp.Fluids，2010，49：823－837.

［3］POGGIE J，ERBLAND P J，SMITS A J.Quantitative visualization of compressible turbulent shear flows using condensate enhanced Rayleigh scattering［J］.Exp.Fluids，2004，37：438－454.

［4］徐翔，謝愛民，呂治國，等.聚焦紋影顯示技術在激波風洞的初步應用［J］.實驗流體力學，2009，23（3）：75－79.

［5］BARATA J，SILVESTRE M.Visualization of a ground vortex flow［R］.AIAA－2010－0562.

［6］何霖，易仕和，趙玉新，等.BOS技術在流動測量中的應用［J］.國防科技大學學報，2010，32（1）：1－5.

［7］WU P F，MILES R B.MHz rate visualization of separation shock wave structure［R］.AIAA－2000－0647.

［8］NEBOLSINE P E，SNYDER D R，GRACE J M.MHz class repetitively Q－switched，high－power ruby lasers for high－speed photographic applications［R］.AIAA－2001－0845.

［9］SAMIMY M.Advanced optical diagnostics in high speed flows［R］.AIAA－99－3757.

［10］NOREN C A，TRUMAN C R，VOROBIEFF P V.PLIF flow visualization of a supersonic injection COIL nozzle［R］.AIAA－2005－5338.

［11］ELLIOTT G S，GLUMAC N，CARTER C D.Molecular Rayleigh scattering applied to combustion and turbulence［R］.AIAA－99－0643.

［12］趙玉新，易仕和，田立豐，等.基于納米粒子的超聲速流動成像［J］.中國科學E輯：技術科學，2009，39（12）：1911－1918.

楊富榮（1962－），男，江西蓮花人，副研究員。研究方向：光譜診斷，流動顯示。通訊地址：四川省綿陽市迎賓路69號（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－hua
（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