聚焦紋影試驗臺改進與性能驗證

王松

摘 要：本文在前人理論基礎上，嘗試使用一種基于參數分類、追求各性能參數平衡的聚焦紋影系統設計思路，根據該思路探討不同設計的對比，初步探索系統的設計規律。結果表明，流場處于紋影鏡和源格柵之間，近紋影鏡37%間距處時，各性能參數例如靈敏度、分辨率、聚焦深度、視場大小、放大率等，能夠取得比較平衡的效果。最后針對實驗室超音風洞，優化了刀口柵的制備。

關鍵詞：聚焦紋影 設計 密度場測量 光學顯示 激波

中圖分類號：V211.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0089-02

基于前人所取得的理論成果，本文目的在于服務葉柵內部流動測試，嘗試探討聚焦紋影系統的設計方法，通過設計結果的對比，形成對本設計方法的規律性認識。最后，依據該設計方法設計了一套本實驗室的聚焦紋影系統，并通過使用單向玻璃，實現靜態圖像采集和動態視頻錄制。

1 聚焦紋影系統設計思路

聚焦紋影系統設計是一個各類參數耦合考慮的反問題。依據物理模型，先梳理各物理量，然后通過不同類型的公式將其聯系起來得出結果。表1列出了系統中涉及的性能、元器件、幾何布置三大類參數；表2列出了聚焦紋影系統所遵循的設計公式。

實際設計中，首先確定測試需求，引入需討論的參變量，確定各物理量隨選定自變量的變化規律，然后通過綜合設計曲線選定最佳設計點，進而導出具體設計參數，最后根據限定條件校核系統，反饋設計，由于試驗平臺情況，本文需要設計一個在分辨率較高的基礎上，性能比較平衡系統，視場大小與風洞噴管尺寸相關，以保證觀察到流場主要特征結構。

系統中最關鍵的部件是紋影鏡頭，一般可使用商用單反定焦鏡頭。通常焦距在150～550mm，光圈值為f/2.5～f/6可以獲得好的結果。由于L、l可變化域是焦距f的正線性函數，切光像高a與f正線性相關，因此鏡頭務必為中長焦。一般來說，為保證成像質量，要求在光源足夠明亮的同時，盡量使用長焦、大光圈口徑、解像力高、廣角的紋影鏡。本文要考慮到成本問題，選用佳能EF135mmf/2L USM和佳能EF 300mmf/4L IS USM定焦單反鏡頭進行設計檢驗。

2 系統設計研究

系統遵從透鏡成像規律，所以取值范圍有限。考慮到系統尺寸及成像大小，取l∈（1.1f，3f），L∈（3f，8f）。

光源像高a過小時，圖像亮度不足；a過大，靈敏度下降，因此將切光量設為源格柵像高一半。引入幾何關系式：1/n=2a+b。結合靈敏度、分辨率、清晰度指標3個核心公式，3個方程存在5個未知數，必須給定兩個參數，方程組才有適定解。

這里將L定為參變量，在（3f，8f）中選定距離4f。l作為自變量，研究l在（1.1f，3f）區間變化時，系統各參數變化趨勢。

首先分別給出a，n，w，DS，DU關于l的曲線關系，進而導出b，m，總長等其他函數關系。根據各參數在本設計中的優先級，選取8個關鍵的參數進行設計點選取：放大率m，切光后光源像高a，刀口柵不透明條寬b，分辨率ω，清晰聚焦深度DS，非清晰聚焦深度DU，視場尺寸FVS，核心系統總長lcore。表2分析了這8個參數隨l的變化情況。

根據以上8個參數隨l的變化情況，分別取8個參數最大值將其歸一化，得出綜合設計曲線。再進一步選取設計點，反復迭代設計結果，直至通過限定條件校核。

實驗系統部件制作改進。刀口柵為源格柵的負像，尺寸值一般為縮比的源柵。定量分析的實驗中，靈敏度要求比較高，則刀口柵需要非常精密。本設計結果中刀口柵擋光條僅為0.13mm，考慮制作精度及成本后，決定使用激光光繪法。該方法加工精度高，黑白對比度好，加工便捷，成本較為低廉。

3 結論

（1）本課題著眼于超音測試，開展了聚焦紋影系統設計研究，搭建了一套聚焦紋影系統，進行了超音流場測試實驗應用，對采集照片進行了初步處理，取得了一定結果。

（2）設計對比得出：同一種鏡頭，相同的幾何布置下，可通過更替配套光柵來實現系統靈敏度的調整。

（3）根據流場強度適當選取系統靈敏度；根據實驗臺空間限制校核幾何布局參數。

（4）蠟燭實驗驗證，聚焦紋影系統性能參數達到了設計預期。超音流場實驗中，能較準確捕捉到流場波結構。

（5）分析若干因素對聚焦紋影圖像的影響，對圖像進行了初步處理。

（6）選取光繪法制作格柵，該設計系統下一步將探索該技術在渦輪葉柵實驗中的應用。

參考文獻

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