【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及流場光學測量，特別是一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統及測量方法。
技術介紹
1、經典的刀片式或彩虹紋影技術，通過將光線穿過非均勻折射率場發生的方向偏折轉化為相機成像面上的明暗變化，進而將肉眼不可見的流體密度變化轉化為光強信息并直觀記錄下來，且凹面反射鏡能夠聚焦光線，進而具有空間分辨率高的特點，常用于流場密度變化的定性可視化。
2、新出現的背景紋影技術是將光線的偏折轉化為相機拍攝到的背景板圖案位移，進一步處理可獲得流場折射率梯度等定量信息，即可用于變密度流動的密度場的定量測量。背景紋影技術具有硬件搭建簡單、標定方便、測量視窗不受光學元器件尺寸限制等顯著優點，將傳統刀片紋影技術與互相關算法處理技術結合，通過對比參考圖像與畸變圖像，計算前后時刻背景板圖案的位移偏移量來定量獲得流場的折射率梯度等。
3、然而，背景紋影技術由于其實現原理，往往直接聚焦于背景板上的圖案上以獲得高精度的位移預估，因此待測流場處于失焦狀態。通常采用較小的光圈，或者減小背景板到待測流場的距離來改善流場虛化，但不可避免造成待測流場的空間分辨率降低。
技術實現思路
1、為解決現有技術中存在的問題，本專利技術的目的是提供一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統及測量方法，本專利技術解決了實驗區域和背景板不能同時聚焦的問題，彌補了傳統背景紋影方法的不足。
2、為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，包括凹面反射鏡、點光源、相機和
3、作為本專利技術的進一步改進，所述凹面反射鏡設于云臺上，所述云臺用于調整凹面反射鏡的傾角，使得凹面反射鏡的反射光線匯聚點處于相機的傳感器中心法向矢量上。
4、作為本專利技術的進一步改進，所述凹面反射鏡為拋物面鏡、球面鏡或橢圓面鏡，其形狀為圓形或多邊形。
5、作為本專利技術的進一步改進，所述散點圖案的形狀為圓形、三角形、正方形、矩形、菱形等圖案中的一種或幾種混合，填充狀態為空心、半空心或實心；且散點圖案在相機成像面上的大小在64個像素以內。
6、作為本專利技術的進一步改進，所述點光源為包括led在內的非相干光源或包括激光在內的相干光源。
7、本專利技術還提供一種高空間分辨率的背景紋影光學測量方法，采用如上所述的一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統實現，所述的方法包括以下步驟：
8、步驟1、制備帶有隨機分布的散點圖案的凹面反射鏡；
9、步驟2、調整相機和點光源高度，使凹面反射鏡中心法向矢量、點光源光心和相機傳感器中心法向矢量置于同一平面，并將相機和點光源布置在距離凹面反射鏡中心法線光軸二倍焦距處的兩側；
10、步驟3、調節相機的鏡頭聚焦面直至相機拍攝的散點圖案聚焦變得清晰；
11、步驟4、在相機與凹面反射鏡之間布置待測流場，通過圖像采集系統采集圖像；
12、步驟5、采用位移預估算法對所采集圖像進行計算得到畸變位移，結合標定信息獲得待測流場折射率梯度。
13、作為本專利技術的進一步改進，在步驟3中，還包括：
14、打開點光源，利用紙片找到凹面反射鏡的匯聚點，調整凹面反射鏡的傾角，使得凹面反射鏡匯聚光線點處于相機傳感器中心的法向矢量上，適當前后調整相機到凹面反射鏡的距離，使得相機視場涵蓋凹面反射鏡的核心區域。
15、作為本專利技術的進一步改進，在步驟4中，通過圖像采集系統調節相機曝光時間和幀率，將圖像采集系統中顯示的畫面調整到合適的亮度。
16、作為本專利技術的進一步改進，所述步驟5具體如下：
17、采用位移預估算法計算待測流場造成的背景圖案移動，得到相機成像面上的背景圖案位移矢量分布δ′；標定光學元件的相對位置和距離信息，采用近光軸假設，并假設相位物體的尺寸相較其與背景板之間的距離可忽略，近似建立在相機傳感器x和y方向光線偏折角ε與背景圖案位移δ′之間的關系：
18、
19、其中zd為待測流場中心到凹面反射鏡的水平距離；
20、背景圖案位移δ′和相機成像面上的圖案位移δ通過放大倍率m聯系在一起，其表達式為：
21、
22、其中zi透鏡到相機傳感器的水平距離，za為待測流場中心到透鏡的距離；
23、偏折角ε與折射率梯度▽n關系式為：
24、
25、其中s為光線傳播軌跡。
26、本專利技術的有益效果是：
27、本專利技術保留了背景紋影技術定量測量的優點，并采用凹面反射鏡作為載體，在其表面上噴涂布置隨機散點圖案，有效避免了傳統背景圖案漫反射帶來的光線發散問題，利用凹面反射鏡將點光源發出光線反射并重新匯聚的特點，極大減弱了待測流場在相機感光元件傳感器上的成像虛化的問題，進而提高了傳統背景紋影測量的空間分辨率。
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1.一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，包括凹面反射鏡、點光源、相機和圖像采集系統，所述凹面反射鏡上帶有隨機分布的散點圖案，所述點光源和相機設于距離所述凹面反射鏡法線光軸二倍焦距處的兩側，所述相機與凹面反射鏡之間設有待測流場，所述圖像采集系統與所述相機連接，用于獲取相機拍攝的凹面反射鏡上經待測流場后的散點圖案。
2.根據權利要求1所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述凹面反射鏡設于云臺上，所述云臺用于調整凹面反射鏡的傾角，使得凹面反射鏡的反射光線匯聚點處于相機的傳感器中心法向矢量上。
3.根據權利要求1或2所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述凹面反射鏡為拋物面鏡、球面鏡或橢圓面鏡，其形狀為圓形或多邊形。
4.根據權利要求1所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述散點圖案的形狀為圓形、三角形、正方形、矩形、菱形等圖案中的一種或幾種混合，填充狀態為空心、半空心或實心；且散點圖案在相機成像面上的大小在64個像素以內。
5.根據權利要求1所述的高空間分辨率的背景紋影
6.一種高空間分辨率的背景紋影光學測量方法，其特征在于，采用如權利要求1-5任一項所述的一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統實現，所述的方法包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量方法，其特征在于，在步驟3中，還包括：
8.根據權利要求6所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量方法，其特征在于，在步驟4中，通過圖像采集系統調節相機曝光時間和幀率，將圖像采集系統中顯示的畫面調整到合適的亮度。
9.根據權利要求6所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量方法，其特征在于，所述步驟5具體如下：
...【技術特征摘要】
1.一種高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，包括凹面反射鏡、點光源、相機和圖像采集系統，所述凹面反射鏡上帶有隨機分布的散點圖案，所述點光源和相機設于距離所述凹面反射鏡法線光軸二倍焦距處的兩側，所述相機與凹面反射鏡之間設有待測流場，所述圖像采集系統與所述相機連接，用于獲取相機拍攝的凹面反射鏡上經待測流場后的散點圖案。
2.根據權利要求1所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述凹面反射鏡設于云臺上，所述云臺用于調整凹面反射鏡的傾角，使得凹面反射鏡的反射光線匯聚點處于相機的傳感器中心法向矢量上。
3.根據權利要求1或2所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述凹面反射鏡為拋物面鏡、球面鏡或橢圓面鏡，其形狀為圓形或多邊形。
4.根據權利要求1所述的高空間分辨率的背景紋影光學測量系統，其特征在于，所述散點圖案的形狀為圓形、三角形、正方形、矩形...
【專利技術屬性】
技術研發人員：熊淵，高沐恩，王將升，潘翀，王晉軍，
申請(專利權)人：天目山實驗室，
類型：發明
國別省市：
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