結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)在二維激光誘導(dǎo)熒光成像去雜散光中的應(yīng)用*

閆博 陳力 陳爽 李猛 殷一民 周江寧

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,綿陽 621000)

背景雜散光信號(hào)的干擾制約了激光片光成像技術(shù)的發(fā)展,本文將結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)應(yīng)用到激光片光成像測(cè)量中來消除雜散光的干擾.介紹了基于結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)的工作原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng),基于Matlab軟件理論分析了相位移動(dòng)結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)具有完全消除雜散光的作用,并針對(duì)穩(wěn)定羅丹明B溶液進(jìn)行了二維激光誘導(dǎo)熒光成像實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了相位移動(dòng)結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)具有消除雜散光影響、提高二維成像精確度的作用.最后利用基于鎖相放大原理的結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散羅丹明B溶液的二維熒光瞬態(tài)成像實(shí)驗(yàn),并分析了羅丹明B溶液擴(kuò)散的相關(guān)規(guī)律.

1 引 言

20世紀(jì)80年代以來,激光片光成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域,因其具有非接觸、可視化及其低成本等優(yōu)勢(shì),該技術(shù)已經(jīng)迅速在流場(chǎng)顯示和流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量中嶄露頭角,并得到快速發(fā)展[1?4].目前基于激光片光成像的技術(shù)主要有激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence,LIF)[5,6]、瑞利散射成像[7,8]、激光誘導(dǎo)磷光[9,10]等.但是受測(cè)試環(huán)境及其測(cè)試方法的影響,這些光學(xué)成像技術(shù)在實(shí)際測(cè)量過程中會(huì)受到背景雜散光的強(qiáng)烈干擾,嚴(yán)重影響了該類測(cè)量技術(shù)的光學(xué)成像質(zhì)量[11].因此,在激光片光成像和處理領(lǐng)域,消除雜散光的干擾是最基本的問題之一.

采用窄帶寬濾波片對(duì)信號(hào)光進(jìn)行濾波處理是當(dāng)前消除雜散光干擾常用的方法,該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)背景雜散光信號(hào)的有效抑制,進(jìn)而可提高激光片光成像的信噪比[12?14].但是,當(dāng)有效信號(hào)強(qiáng)度較弱,且雜散光干擾嚴(yán)重時(shí),窄帶濾波片并不能完全濾除掉雜散光信號(hào),同時(shí)會(huì)吸收掉部分有效信號(hào),此時(shí)激光片光成像方法難以得到理想的光學(xué)成像結(jié)果[15].

近年來,國外學(xué)者提出了一種新型的去雜散光技術(shù)－結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)(structured laser illumination planar imaging,SLIPI)[16,17].該方法可以將原始信號(hào)譜圖分為有效信號(hào)和雜散光兩部分,在后期數(shù)據(jù)處理中,有效信號(hào)強(qiáng)度會(huì)保持不變,而雜散光會(huì)因?yàn)榭臻g頻率不同而被剔除掉,因此該技術(shù)具有消除雜散光干擾、提高光學(xué)成像質(zhì)量的作用[18].目前發(fā)展的SLIPI技術(shù)主要有相位移動(dòng)SLIPI技術(shù)(phase?shift SLIPI,PS?SLIPI)[19]和基于鎖相放大技術(shù)的SLIPI方法(lock?in amplifier SLIPI,LA?SLIPI)[20].這兩類技術(shù)都在激光片光成像、圖像處理及其分析等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[21].Kristensson等指出,多次散射造成的雜散光干擾問題將會(huì)較大地影響到噴霧場(chǎng)Mie圖像拍攝,并利用PS?SLIPI技術(shù)解決了多次散射干擾問題[22],并成功獲取了噴霧場(chǎng)液滴尺寸分布的圖像[23].Aldén等[24]基于PS?SLIPI技術(shù)開展了二維LIF燃燒場(chǎng)診斷實(shí)驗(yàn)研究,消除了壁面和顆粒物質(zhì)引起的雜散光干擾.此外,Kristensson等[25]將LA?SLIPI方法應(yīng)用到瑞利散射測(cè)溫圖像獲取中去,得到了燃燒火焰瞬態(tài)溫度分布結(jié)果.PS?SLIPI和LA?SLIPI這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),LA?SLIPI方法可進(jìn)行瞬態(tài)圖像獲取,但當(dāng)雜散光強(qiáng)度較高時(shí),該方法抑制雜散光的能力不高;PS?SLIPI技術(shù)對(duì)雜散光的抑制能力較強(qiáng),但目前不能進(jìn)行瞬態(tài)圖像獲取.

本文將兩種SLIPI方法同時(shí)應(yīng)用到LIF成像技術(shù)中來消除雜散光的影響,進(jìn)而提高LIF技術(shù)的成像質(zhì)量.首先利用MATLAB仿真計(jì)算的方法對(duì)SLIPI去除雜散光的能力進(jìn)行了評(píng)估,并針對(duì)羅丹明B穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)溶液,分別開展了二維LIF去雜散光平均和瞬態(tài)成像實(shí)驗(yàn)研究.

2 基本原理

當(dāng)一束激光入射到流場(chǎng)中時(shí),會(huì)伴隨有瑞利散射光和熒光等,其大小S可表示為

式中,C為校準(zhǔn)常數(shù);I0為探測(cè)點(diǎn)處的激光能量;χk為流場(chǎng)中第k種分子的摩爾組分;?k為激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)函數(shù),該函數(shù)與流場(chǎng)溫度T、流場(chǎng)壓強(qiáng)P、流場(chǎng)分子密度η等參數(shù)相關(guān).

在激光片光后放置Ronchi光柵,再通過探測(cè)器收集顯示包含有激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)和雜散光的正旋圖樣,其中顯示的二維圖樣(R代表行,C代表列)中每一個(gè)點(diǎn)處的探測(cè)光強(qiáng)(SC(R),包含激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)強(qiáng)度和雜散光強(qiáng)度等)可由下式表示[20]：

其中,fsig為空間調(diào)制頻率(由Ronchi光柵決定),Is(R)為光柵調(diào)制振幅,IC(R)為光柵調(diào)制直流分量,IB(R)為雜散光強(qiáng)度分布,?1為調(diào)制初始相位.因此,A(R)和B(R)可以表示為

其中調(diào)制振幅項(xiàng)A(R)與激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)函數(shù)?k相關(guān),因此可以通過測(cè)量調(diào)制振幅項(xiàng)A(R)的強(qiáng)度分布來獲取流場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù),如流場(chǎng)溫度T、流場(chǎng)壓強(qiáng)P和流場(chǎng)分子密度η等.

SLIPI技術(shù)后期處理方法主要有LA?SLIPI方法和PS?SLIPI方法,下面闡述兩種方法的基本原理.

2.1 LA-SLIPI方法[20]

理論假定兩行參考正旋函數(shù),其相位相差π/2,分別為

再將(2)式分別與(5)和(6)式相乘,得到：

在(7)和(8)式中添加一個(gè)低通濾波器(fc=fsig)去掉與fsig相關(guān)的項(xiàng),得出XC(R)=0.5A(R)×cos(?C－?1)和YC(R)=0.5A(R)sin(?C－?1),進(jìn)而得到激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)振幅項(xiàng)A1(R)：

2.2 PS-SLIPI方法

在平行激光光束后面添加自動(dòng)旋轉(zhuǎn)玻璃片(具有一定的厚度),如圖1所示.當(dāng)玻璃片旋轉(zhuǎn)θ后,激光光束偏移dx距離：

其中d是玻璃片厚度,n0為空氣折射率,n1為厚玻璃片折射率.

圖1 旋轉(zhuǎn)玻璃片改變激光光束位置示意圖Fig.1.Diagram of laser beam transmission changed by ro?tating glass sheet.

連續(xù)改變光柵正弦調(diào)制圖像的位置,位移量dx1=T/n對(duì)應(yīng)的相位改變值為d?=2π/n,T為激光誘導(dǎo)發(fā)光圖像的正弦調(diào)制周期.再對(duì)改變相位(d?1=0,d?,2d?,··,(n－ 1)d?)后的激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)圖像Ii進(jìn)行采集處理,可得到[19]：

其中n為相位變換次數(shù),AA為計(jì)算出的振幅值,BB為計(jì)算出的雜散光和光柵調(diào)制直流分量平均值.

3 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光照明測(cè)量裝置可對(duì)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行去雜散光瞬態(tài)圖像獲取,測(cè)量裝置主要由連續(xù)激光光源、片光系統(tǒng)、Ronchi光柵和電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)組成,如圖2所示.連續(xù)激光器輸出激光波長為532 nm,激光能量為100 mW.激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組后變成光斑直徑為5 cm的光束,該光束再經(jīng)過Ronchi光柵后變成正旋光強(qiáng)分布的平行激光光束,Ronchi光柵的周期分別為2/mm (PS?SLIPI方法)和8/mm (LA?SLIPI方法).使用片光系統(tǒng)將平行激光光束變成平行片光光束照射到非穩(wěn)定羅丹明B溶液(見圖2中的RB所示).激光片光照射測(cè)試流場(chǎng)產(chǎn)生的熒光信號(hào)再次進(jìn)入EMCCD相機(jī)進(jìn)行采集拍攝.最后通過后期SLIPI數(shù)據(jù)處理方法可得到去雜散光后的瞬態(tài)激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)圖像.同時(shí)本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光照明測(cè)量裝置可對(duì)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行去雜散光平均圖像獲取,主要是在正弦調(diào)制的平行激光光束后添加旋轉(zhuǎn)的厚玻璃片(由自動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制),相位可改變0,d?,2d?,··,(n－ 1)d?,最后對(duì)相位調(diào)制后的激光誘導(dǎo)發(fā)光信號(hào)圖像進(jìn)行PS?SLIPI方法處理可得到去雜散光后的平均圖像.此外,羅丹明B溶液可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),同時(shí)本文設(shè)計(jì)了四種不同條件下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,分別記為Case 1,Case 2,Case 3和Case 4,前三種用于PS?SLIPI方法,第四種用于LA?SLIPI方法.Case 1為最優(yōu)條件(雜散光干擾最小),Case 2是將金屬障礙物放置在液體溶液正后方來增加雜散光干擾,Case 3是將金屬屏幕放置在液體溶液側(cè)后方來增加雜散光干擾,Case 4是將金屬柱形物體放置在液體溶液正后方來增加雜散光干擾,四種條件下的流場(chǎng)參數(shù)及其EMCCD采集參數(shù)列于表1.

圖2 基于結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)的激光誘導(dǎo)發(fā)光圖像測(cè)量裝置(A1,5×擴(kuò)束鏡;RG,Ronchi光柵;AR,自動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái);GS,玻璃片(5.3 mm);LS,片光系統(tǒng);A,光闌;RB,羅丹明B溶液;PF,濾光片)Fig.2.LIF imaging setup based on the SLIPI technique (A1,5 × beam expander;RG,Ronchi grating;AR,automatic rotary table;GS,glass sheet (5.3 mm);LS,light system;A,aperture slot;RB,Rhodamine B solution;PF,fliter).

表1 兩種SLIPI技術(shù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1.Experimental parameters of two SLIPI technique.

4 結(jié)果分析

4.1 理論模擬計(jì)算

為了具體說明SLIPI消除雜散光干擾的原理和效果,本文基于Matlab軟件對(duì)LA?SLIPI和PS?SLIPI方法進(jìn)行理論模擬計(jì)算研究,其中LA?SLIPI理論和實(shí)驗(yàn)研究在文獻(xiàn)[26]中已經(jīng)進(jìn)行了深入研究.在計(jì)算中,假定行坐標(biāo)x為1到512,A(x)=－0.001 × (x－ 256)2+ 80,如圖3雜散光分量Ia為(0,40)的隨機(jī)值,直流分量Ib=(0,130)的隨機(jī)值,因此求出干擾分量(B1+B2)幅值是設(shè)定的信號(hào)量(A)幅值的2至11倍.fsig=0.1 Hz為光柵調(diào)制頻率,fc=0.005 Hz代表LA?SLIPI技術(shù)中的截止頻率,?C=0為初始相位.

圖3(a)首先給出了調(diào)制振幅項(xiàng)A的值,基于調(diào)制振幅項(xiàng)A,本文計(jì)算得到了有無光柵調(diào)制作用下的總強(qiáng)度值,分別記為SC(如(2)式)和SNG=A(R) +B1(R) +B2(R),如圖3(b)和圖3(c).對(duì)比兩者的強(qiáng)度值可知,SC圖像中除直流分量外還有調(diào)制頻率(fsig)項(xiàng).利用LA?SLIPI技術(shù)對(duì)調(diào)制強(qiáng)度SC進(jìn)行處理,可直接得到去除雜散光后的光柵調(diào)制振幅項(xiàng)A1,并求出A1相對(duì)于理論設(shè)定值A(chǔ)的相對(duì)誤差值dA/A=(A1－A)/A,如圖3(d)所示.由圖3(d)可知： LA?SLIPI方法處理后的數(shù)值與理論數(shù)值A(chǔ)(如圖3(b))較好地吻合;同時(shí)調(diào)制振幅強(qiáng)度A越小,相對(duì)誤差值dA/A越大.例如當(dāng)A為最小值15 (干擾分量約為A的11倍)時(shí),相對(duì)誤差為15%,但當(dāng)A為最大值90 (干擾分量約為A的2倍)時(shí),相對(duì)誤差基本為0.此外,再利用PS?SLIPI方法對(duì)調(diào)制強(qiáng)度SC進(jìn)行處理可得到振幅項(xiàng)AA和干擾分量BB的值,并求出兩者相對(duì)于理論設(shè)定值的誤差,如圖3(e)和圖3(f).可知：PS?SLIPI方法處理后的數(shù)值與理論數(shù)值A(chǔ)(如圖3(b))極好地吻合,兩者的誤差值基本為0.最后,對(duì)比LA?SLIPI和PS?SLIPI技術(shù)的雜散光濾除能力,可知： LA?SLIPI可針對(duì)瞬態(tài)光柵調(diào)制圖像直接進(jìn)行雜散光濾除處理,但是當(dāng)雜散光較強(qiáng)時(shí),PS?SLIPI比LA?SLIPI的雜散光濾除能力要強(qiáng).

圖3 PS?SLIPI方法仿真計(jì)算全過程 (a) 調(diào)制振幅項(xiàng)A的值;(b) 無光柵調(diào)制時(shí)的強(qiáng)度值SNG=A(R) + B1(R) +B2(R);(c) 光柵調(diào)制后的強(qiáng)度值SC;(d) LA?SLIPI計(jì)算后的振幅相對(duì)誤差值dA/A=(A1 － A)/A,截止頻率fc=0.005 Hz;(e) PS?SLIPI計(jì)算后的振幅誤差值dA/A=AA －A,n=3;(f) PS?SLIPI計(jì)算后的干擾分量誤差值dB=BB －B,n=3Fig.3.Simulation process of the PS?SLIPI method： (a) The modulated amplitude value,A;(b) the intensity without grating modulation,SNG=A(R) + B1(R) + B2(R);(c) the intensity with grating modulation,SC;(d) the relative er?ror of modulated amplitude value,A,calculated by LA?SLIPI method,dA=(A1 － A)/A,fc=0.005 Hz;(e) the er?ror of modulated amplitude value,A,calculated by PS?SLIPI method,dA=AA － A,n=3;(f) the error of inter?ference components calculated by PS?SLIPI method,dB=BB － B,n=3.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種SLIPI方法的去雜散光作用,本文按照?qǐng)D2所示的SLIPI測(cè)量光路,分別開展了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的去雜散光實(shí)驗(yàn)研究.首先對(duì)于穩(wěn)定的羅丹明B溶液,利用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)使得光柵條紋移動(dòng)0,T/3,2T/3,進(jìn)而改變相位0,π/3,2π/3,結(jié)果如圖4所示.在得到改變相位后的激光誘導(dǎo)發(fā)光圖像后,再利用(11)式可進(jìn)一步獲得去雜散光后的調(diào)制振幅AA的值.

圖4 PS?SLIPI方法的光柵條紋移動(dòng)圖像Fig.4.Grating fringe changing images based on phase shift?ing SLIPI method.

在未利用SLIPI方法濾波前,得到穩(wěn)定羅丹明B溶液的激光誘導(dǎo)發(fā)光圖像,如圖5(a)所示.對(duì)比Case 1,Case 2和Case 3可知： LIF圖像中除了可以觀察到的熒光圖像外,還能夠觀察到大量的雜散光,其強(qiáng)度很高,很容易將羅丹明B溶液熒光信號(hào)掩蓋,極大地影響了探測(cè)到的熒光圖像的信噪比.此外為了更好地比較SLIPI方法處理后的圖像,又在羅丹明B溶液器皿池壁上粘貼兩條較細(xì)的金屬絲作為標(biāo)記,如圖5(a)中的藍(lán)色標(biāo)記線.將Ronchi光柵布置在片光系統(tǒng)前,即可獲得光柵調(diào)制作用下的LIF圖像,如圖5(b)所示.再采用PS?SLIPI的方法對(duì)三種不同拍攝環(huán)境下的圖像進(jìn)行去雜散光處理,分別得到圖5(c)中的3個(gè)圖像,可以看出三種不同測(cè)試環(huán)境中得到的SLIPI處理后的圖像、數(shù)值大小基本一致,說明PS?SLIPI去雜散光方法的準(zhǔn)確性;此外,從圖5(c)可以明顯看出,由金屬障礙物、金屬屏幕引入的雜散光全部被濾除掉,也進(jìn)一步說明了該種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雜散光干擾的有效抑制.

但是PS?SLIPI的方法僅能夠?qū)τ诜€(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行去雜散光處理,無法得到非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的瞬態(tài)圖像.為了獲得非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的變化規(guī)律,本文將LA?SLIPI技術(shù)應(yīng)用到非穩(wěn)定羅丹明B溶液中,消除背景雜散光的干擾,進(jìn)一步研究羅丹明B溶液的擴(kuò)散規(guī)律.其中,本文在低濃度穩(wěn)定羅丹明B溶液底部添加較高濃度的羅丹明B溶液來形成非穩(wěn)定擴(kuò)散溶液(實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1).圖6(a)為光柵調(diào)制作用下的LIF圖像,圖中紅黃較亮區(qū)域?yàn)楸尘半s散光和熒光信號(hào)疊加區(qū)域,由圖可知,由于雜散光的干擾,溶液的擴(kuò)散圖像不明顯,無法對(duì)其擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析.同時(shí)對(duì)6(a)圖樣進(jìn)行傅里葉變換,可得出光柵調(diào)制頻率為fsig=0.144536/像素.因此對(duì)不同時(shí)刻的光柵調(diào)制圖像進(jìn)行LA?SLIPI去雜散光處理,分別得到圖6(b)中的8個(gè)圖像.由圖6(b)可知,由金屬障礙物引入的雜散光被濾除掉,進(jìn)一步說明了該種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雜散光干擾的有效抑制.最后為了精確地描述羅丹明溶液的擴(kuò)散規(guī)律,本文利用紅色虛線描繪出較高濃度羅丹明B溶液(對(duì)應(yīng)較高熒光信號(hào)強(qiáng)度)的型面,如圖6(b)所示.由圖6(b)可知： 隨著時(shí)間的推移,較高濃度的羅丹明B溶液向低濃度的溶液方向擴(kuò)散,即擴(kuò)散方向?yàn)槿芤旱撞俊芤喉敳?同時(shí)溶液整體濃度梯度隨時(shí)間遞減,即較高濃度溶液向四周擴(kuò)散.此外由于溶液器皿輕微晃動(dòng)造成溶液擴(kuò)散出現(xiàn)漩渦圖案,這和理論預(yù)測(cè)基本一致.因此,LA?SLIPI技術(shù)有效抑制了雜散光的干擾,提高了LIF采集圖像的準(zhǔn)確性.

圖5 (a) 三種不同測(cè)試環(huán)境下的原始LIF圖像;(b) 光柵調(diào)制LIF圖像;(c) PS?SLIPI方法處理后的調(diào)制振幅(A)分布圖像Fig.5.(a) Conventional (raw data) LIF images without grating modulation in three different measurement cases;(b) LIF images with grating modulation;(c) images of mod?ulated amplitude value,A,calculated by phase shifting SLIPI method.

圖6 (a) 不同測(cè)量時(shí)刻下的光柵調(diào)制LIF瞬態(tài)圖像;(b) LA?SLIPI方法處理后的調(diào)制振幅(A)分布的瞬態(tài)圖像Fig.6.(a) LIF images with grating modulation;(b) images of modulated amplitude value,A,calculated by LA?SLIPI method.

5 結(jié) 論

本文將結(jié)構(gòu)光照明的方法應(yīng)用到LIF圖像測(cè)量中,來消除圖像采集中的雜散光干擾.結(jié)果表明：

1)通過MATLAB理論仿真計(jì)算,驗(yàn)證了PS?SLIPI的方法具有完全消除雜散光干擾的作用.

2)利用Ronchi光柵建立了一套可用于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)二維顯示的激光誘導(dǎo)發(fā)光圖像采集裝置,并針對(duì)穩(wěn)態(tài)羅丹明B溶液開展了LIF圖像去雜散光實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了PS?SLIPI方法可以克服雜散光對(duì)成像質(zhì)量的影響.

3) LA?SLIPI方法能夠原位復(fù)原出具有清晰紋理的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)圖像,并且具有能夠很好地消除雜散光干擾的優(yōu)點(diǎn),符合高質(zhì)量激光片光成像問題的實(shí)際需求.

兩種SLIPI處理方法在雜散光抑制方面各具優(yōu)缺點(diǎn),但將兩者有效結(jié)合后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的二維精確顯示,同時(shí)這兩種SLIPI方法適用性較強(qiáng),因此在其他激光片光成像技術(shù)(瑞利散射圖像測(cè)量、粒子成像測(cè)速及其激光誘導(dǎo)磷光圖像測(cè)量技術(shù)等)中的應(yīng)用前景十分廣闊.