宋鶴鵬，陳曦，劉鵬，楊凱迪，張明元，朱海東

背景紋影技術(shù)初探＊

宋鶴鵬，陳曦，劉鵬，楊凱迪，張明元，朱海東

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

視場的范圍和觀測的清晰度是流動顯示技術(shù)中兩個關(guān)鍵指標(biāo)，隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的紋影技術(shù)在設(shè)備成本和定量測量方面不能滿足要求。介紹了背景紋影技術(shù)的基本原理，提出并搭建了一套適用于自然熱對流場的背景紋影成像系統(tǒng)，完善了實驗方法。該系統(tǒng)具備媲美傳統(tǒng)紋影技術(shù)的清晰度，為后期對密度場的測量及重建奠定了基礎(chǔ)。

流動顯示技術(shù)；背景紋影技術(shù)；紋影技術(shù)；自然熱對流場

1 引言

背景紋影技術(shù)（Background Oriented Schileren，BOS）是基于光線的偏折來確定流場折射率變化的一種非接觸的定量測量手段。相對于傳統(tǒng)的紋影技術(shù)，背景紋影技術(shù)優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)紋影技術(shù)通常只能應(yīng)用于流場密度的定性顯示，而BOS結(jié)合了粒子示蹤圖像處理技術(shù)（PIV）和紋影技術(shù)[1]，通過求取背景斑點的偏移量來獲得某一區(qū)域的光線偏折量。背景紋影技術(shù)不需要傳統(tǒng)紋影技術(shù)中精密、昂貴的光學(xué)儀器，在一臺或多臺相機的配合下，可以實現(xiàn)對流場的多角度測量。此外，通過高速相機的逐幀記錄，可對流場進行具備時間演化特征的測量[2]。因此，該技術(shù)對流場等隨機介質(zhì)的密度分布進行密度測量和重建具有十分重要的意義。

背景紋影技術(shù)是由MEIER等人在傳統(tǒng)紋影技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過長期試驗和理論積累發(fā)展而來的[3]。2000年，RAFFEL等人進一步完善了背景紋影技術(shù)，并利用對懸停飛行中直升機葉尖渦輪密度場的可視化，驗證了背景紋影技術(shù)的可行 性[4]。2004年，VENKATAKRISHNAN等人[5]使用BOS技術(shù)獲得了圓錐-圓柱模型上軸對稱超音速流的密度場，發(fā)現(xiàn)了由BOS獲得的密度場與來自錐表的數(shù)據(jù)之間有極好的相關(guān)性。2009年，ATCHESON等人評估了光流算法在BOS中的性能，并指出結(jié)合光流算法和多尺度背景可以顯著提高BOS的性能。2010年，MIZUKAKI[6]嘗試采用高速背景紋影技術(shù)（HiBOS），結(jié)合高速攝像機、激波管開口附近的流場可視化實驗研究，觀測到可壓縮渦環(huán)和激波繞射，并測量了渦環(huán)和渦核的直徑。MASANORI等人[7]提出CGBOS系統(tǒng)，將彩色網(wǎng)格背景圖像引入BOS系統(tǒng)并獲得了超音速風(fēng)洞中模型的密度梯度圖像，研究了超音速密度場與噴流密度場的干涉。2019年，張正賀等人[8]采用投影式背景紋影技術(shù)，實現(xiàn)了火焰溫度場的可視化測量。

目前，背景紋影技術(shù)在國外被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)洞流場測量、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域，而國內(nèi)對這一領(lǐng)域的研究較少，技術(shù)不夠成熟。本文基于背景紋影技術(shù)，設(shè)計出一套適用于自然熱對流場的非接觸式溫度場測量裝置，利用蠟燭火焰上方的自然熱對流場進行圖像記錄，并研究影響背景紋影裝置靈敏度的因素。

2 BOS的原理及實驗

2.1 BOS系統(tǒng)的裝置組成

BOS系統(tǒng)組成如圖1所示，同一般背景紋影技術(shù)裝置類似，BOS系統(tǒng)主要包括背景顯示裝置、圖像采集設(shè)備、計算機和圖像處理軟件。

圖1 BOS系統(tǒng)組成

本研究中，自然流場的對象為蠟燭燭焰上方的自然熱對流場。以下分別介紹各部分設(shè)備。

2.1.1 背景顯示裝置

本實驗采用LCD顯示屏作為背景。LCD型號為LGD046f，分辨率為1 920×1 080，屏幕尺寸為340 mm× 190 mm，最大亮度300 cd/m2，最大對比度1 000∶1。背景圖像分為點狀和網(wǎng)狀，點狀背景上下左右分別為間隔8像素點，大小為4像素點的點陣；網(wǎng)狀背景為間隔8像素，寬度為1像素，相互垂直的直線。

背景紋影系統(tǒng)多采用印有特定圖像的卡紙，由于BOS系統(tǒng)多處于比較暗的工作環(huán)境，且相機曝光時多采用極高的快門速度，為保證曝光成功往往需要額外光源進行照明，采用LCD屏幕即可解決這一問題。

2.1.2 圖像采集設(shè)備

采用索尼A6000微單相機，其感光元件為APS-C畫幅CMOS，圖像最大分辨率6 000×4 000，快門速度1/4 000～30 s，ISO感光度為100～51 200。鏡頭為索尼E16-50 OSS，光圈為F3.5～F5.6，焦距為16～50 mm。

2.1.3 設(shè)備支座

為保證BOS系統(tǒng)中各設(shè)備處于同一直線，采用尺寸為 2 400 mm的滑軌，滑軌具有長度刻度，方便實驗過程中相機、蠟燭、屏幕相對位置的調(diào)節(jié)及記錄?；壣戏窖b有3個具有可變阻尼的滑塊，各滑塊皆具有3/8通用接口。相機固定于可調(diào)高度、角度的云臺，通過3/8接口固定于滑塊上。顯示屏幕、蠟燭分別固定于滑塊上。

2.2 實驗方法

影響B(tài)OS系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素有很多，例如所測流場的特性、背景的圖案及亮度、相機的參數(shù)設(shè)置、相機和所測流場的距離、背景圖像與所測流場的距離等。

將液晶顯示器放置在臺座上，將顯示器亮度、對比度調(diào)節(jié)至最高，色溫調(diào)為偏冷，使用水平儀保證屏幕豎直。使用VGA端口連接電腦與顯示屏，顯示提前繪制的圖案，并將筆記本電腦顯示模式設(shè)置為“僅第二屏幕”。本次實驗選用蠟燭上方的自然熱對流場，將蠟燭固定在滑塊上，保證燭焰處于顯示屏中軸線下側(cè)。固定相機，通過云臺上水平儀保證相機與顯示屏平行，通過相機預(yù)覽畫面確定相機位置，保證相機光軸對準顯示屏中心。設(shè)置相機參數(shù)，使用手動對焦保證相機準確對焦在液晶顯示屏上；使用快門線或無線遙控器控制快門，避免按下快門時產(chǎn)生的抖動。點燃蠟燭，關(guān)閉實驗室照明光源、窗戶等，保持拍攝環(huán)境較暗且無風(fēng)，待蠟燭燃燒穩(wěn)定后開始拍攝。

3 實驗結(jié)果與分析

不同背景下的畸變圖像如圖2所示。

圖2 不同背景下的畸變圖像

使用背景紋影技術(shù)，可拍攝到燭焰自然熱對流場在不同背景圖案下產(chǎn)生的畸變圖像。針對本次實驗所搭建的BOS系統(tǒng)，通過分別改變自然流場到相機距離、自然流場到背景圖案距離、相機的參數(shù)以及背景圖案，最終確定各設(shè)備距離的最佳值：相機與燭焰距離300 mm，燭焰與背景圖案距離1 800 mm。相機最佳成像效果參數(shù)：焦距為50 mm，光圈為F5.6，ISO為2 500。

圖2為通過實驗所得到的圖像，從左至右依次為4像素點狀背景下畸變圖像、9像素點狀背景畸變圖像、1像素寬豎線背景畸變圖像、1像素寬橫線背景畸變圖像。對比可知，使用點狀圖案比使用線狀圖案作背景成像效果更佳，使用9像素點背景比使用4像素點背景成像效果更佳，使用1像素寬橫向線狀背景比使用1像素寬豎向線狀背景成像效果 更佳。

4 結(jié)語

本文基于BOS技術(shù)構(gòu)建出一套觀測自然熱對流場的系統(tǒng)，通過對蠟燭火焰上方自然熱對流場的畸變流場進行試驗，總結(jié)出一套可行的實驗方法，獲得較高清晰度的畸變圖像，為后期進一步定量計算打好基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)的流場顯示和測量技術(shù)多停留在傳統(tǒng)紋影法和常規(guī)陰影法，隨著BOS技術(shù)的深入發(fā)展，將會大大降低空氣動力學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域中非接觸測量的科研成本。因此，BOS技術(shù)具備很大的研究價值。

［1］DALAIEL S B，HUGHERS G O，SUTHERLAND B R.Synthetic schlieren［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［2］田立豐，易仕和，趙玉新，等.基于BOS的氣動光學(xué)波前測量技術(shù)研究及其應(yīng)用［J］.科學(xué)通報，2011，56（19）：1515-1521.

［3］MEIER G E A.New optical tools for fluid mechanics［C］//Proceeding of 8th International Symposium on Flow Visualization，1998.

［4］RAFFEL M，TUNG C，RICHARD H，et al.Background oriented stereoscopic schlieren （BOSS）for full-scale helicopter vortex characterization［C］//International Symposium on Flow Visualization，Heriot-Watt University，Edinburgh，UK，2000.

［5］VENKATAKRISHNAN L，MEIER G E A.Density measurements using the background oriented schlieren technique［J］.Experiments in Fluids，2004，37（2）：237-247.

［6］MIZUKAKI T.Visualization of compressible vortex rings using the background-oriented schlieren method［J］.Shock Waves，2010，20（6）：531-537.

［7］MASANORI O，F(xiàn)RIEDRICH L，RYUSUKE N，et al.Improvement in spatial resolution of background- oriented schlieren technique by introducing a telecentric optical system and its application to supersonic flow［J］.Experiments in Fluids，2015，56（3）：5.

［8］張正賀，黃貞，陳汝婷，等.基于投影式背景紋影技術(shù)的火焰溫度場測量儀設(shè)計［J］.激光與光電子學(xué)進展，2019，56（5）：243-250.

宋鶴鵬（1998—），男，河北滄州人，學(xué)生。

朱海東（1979—），男，博士，講師，碩士研究生導(dǎo)師。

廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金項目（編號：2017GXNSFAA198122）；2019年度廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（編號：201910595153）

2095－6835（2020）10－0121－02

V211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.053

〔編輯：嚴麗琴〕