RU84119U1

RU84119U1 - RASTER SHADOW FLOW VISUALIZATION SYSTEM

Info

Publication number: RU84119U1
Application number: RU2008121391/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Кулеш; Сергей Иванович Иншаков
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-06-27

Abstract

Растровая теневая система визуализации потоков, содержащая источник света, осветительную и приемную оптические системы, отсекающий фильтр пространственных частот, систему формирования и регистрации изображений, отличающаяся тем, что в ней в осветительную оптическую систему введен плоский осветительный растровый экран, содержащий набор регулярно расположенных по всей площади светоотражающих элементов, каждый из которых выполнен в виде оптической системы, формирующей локальный исходный пучок лучей света, согласованный своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы, которая выполнена в виде широкоугольной приемной системы, согласованной по углу зрения с размерами осветительного растрового экрана, причем отсекающий фильтр пространственных частот выполнен в виде отсекающего растра, содержащего набор светопоглощающих элементов числом, равным числу светоизлучающих элементов осветительного экрана, сопряженных с ними по форме и расположению.A raster shadow system for visualizing flows containing a light source, an illumination and receiving optical system, a cut-off filter of spatial frequencies, an imaging and recording system, characterized in that a flat illumination raster screen is introduced into the illumination optical system, containing a set of regularly located throughout the area reflective elements, each of which is made in the form of an optical system that forms a local initial beam of light rays, matched by its optical axis and aperture with the aperture of the receiving system, which is made in the form of a wide-angle receiving system, matched according to the angle of view with the dimensions of the illumination raster screen, and the cut-off filter of spatial frequencies is made in the form of a cut-off raster containing a set of light-absorbing elements with a number equal to the number of light-emitting elements of the illuminating screen associated with them in shape and location.

Description

Разработанная растровая теневая система визуализации потоков относится к области экспериментальной аэродинамики и является оптическим средством исследования неоднородностей в прозрачных потоках газа рефрактометрическим способом. Она может применяться как при испытании моделей в аэродинамических трубах, так и при проведении экспериментов на баллистических трассах.The developed raster shadow flow visualization system belongs to the field of experimental aerodynamics and is an optical tool for studying inhomogeneities in transparent gas flows in a refractometric manner. It can be used both when testing models in wind tunnels, and when conducting experiments on ballistic routes.

Рефрактометрические методы, визуализации прозрачных потоков в настоящее время являются основным средством изучения пространственной структуры обтекания модели летательного аппарата. Они основаны на том явлении, что неоднородность потока, т.е. пространственные изменения показателя преломления среды, приводят к деформации волнового фронта света, прошедшего сквозь поток, и, в частности, к изменениям направлений распространения лучей света в месте локализации неоднородности. В экспериментальной аэродинамике применяются многочисленные системы визуализации, основанные на рефракционном методе:Refractometric methods, visualization of transparent streams are currently the main means of studying the spatial structure of the flow around the aircraft model. They are based on the phenomenon that the heterogeneity of the flow, i.e. spatial changes in the refractive index of the medium, lead to a deformation of the wavefront of the light transmitted through the stream, and, in particular, to changes in the directions of propagation of light rays at the site of localization of the inhomogeneity. In experimental aerodynamics, numerous visualization systems based on the refractive method are used:

1. интерферометр Маха-Цендера (Mach, E, Wiener Berichte, 95, s.764, 1887), в котором есть осветительная часть, светоделительная система, две оптические ветви - опорная и проходящая через исследуемую область, место образования интерференционной картины от двух ветвей и система регистрации интерференционной картины.1. Mach-Zehnder interferometer (Mach, E, Wiener Berichte, 95, s.764, 1887), in which there is a lighting part, a beam-splitting system, two optical branches - a reference and passing through the studied region, the place of formation of the interference pattern from two branches and registration system interference pattern.

2. прямая теневая система Дворжака (Dvorak, V, Wiedemanns Ann., 9, s.502, 1880), в которой есть осветительная часть, формирующая параллельный или расходящийся световой поток от точечного источника света и система регистрации изображения.2. The direct shadow system of Dvorak (Dvorak, V, Wiedemanns Ann., 9, s.502, 1880), in which there is a lighting part forming a parallel or diverging light flux from a point light source and an image registration system.

3. теневой (шлирный) прибор Теплера (Toepler, A., Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode., Bohnn, 1864)3.Tepler's shadow (schlieren) device (Toepler, A., Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode., Bohnn, 1864)

4. реализация метода Теплера в серийном теневом приборе ИАБ-451 (Л.А.Васильев, Теневые методы, М, 1968)4. implementation of the Toepler method in a serial shadow device IAB-451 (L.A. Vasiliev, Shadow methods, M, 1968)

5. патент РФ №2029942 от 1995.02.27, в котором описана система измерения показателя преломления прозрачных сред с помощью регистрации изменения положения тени, содержащая осветительную часть, формирующую световой поток от источника света и систему регистрации изображения.5. RF patent No. 2029942 dated 1995.02.27, which describes a system for measuring the refractive index of transparent media by detecting a change in the position of a shadow, containing a lighting part that forms the light flux from the light source and an image registration system.

Однако все традиционные системы визуализации потоков сложны и дороги в производстве и настройке, обладают относительно малым полем зрения и имеют значительные габариты и вес. Так наиболее распространенный прибор Теплера ИАБ-451 [Л.А.Васильев, Теневые методы, М, 1968] состоит из двух цилиндрических частей диаметром 310 мм, длиной 2415 мм и весом по 240 кг каждая. Поле визуализации у него составляет всего 230 мм. При увеличении поля визуализации до диаметра 400 мм, как у прибора ТЕ-21, вес системы возрастает до 1200 кг, а габариты осветительной и приемной части составляют в объеме 1500х1500х1500 мм³ каждая. Все эти оптические средства непригодны для исследований течений газа в больших промышленных аэродинамических трубах, требующих поля визуализации до 500 мм и больше и предъявляющих ограничения на массо-габаритные характеристики прибора.However, all traditional flow visualization systems are complex and expensive to manufacture and configure, have a relatively small field of view and have significant dimensions and weight. Thus, the most common Tepler instrument IAB-451 [L.A. Vasiliev, Shadow Methods, M, 1968] consists of two cylindrical parts with a diameter of 310 mm, a length of 2415 mm and a weight of 240 kg each. His visualization field is only 230 mm. When the visualization field is increased to a diameter of 400 mm, as with the TE-21 device, the weight of the system increases to 1200 kg, and the dimensions of the lighting and receiving parts amount to 1,500 x 1,500 x 1,500 mm ³ each. All these optical devices are unsuitable for studying gas flows in large industrial wind tunnels that require a visual field of up to 500 mm or more and impose restrictions on the mass-dimensional characteristics of the device.

За прототип принят теневой прибор Теплера (см. п.3, 4 лист 1), который содержит источник света, осветительную оптическую систему, формирующую исходный пучок лучей света, приемную оптическую систему, отсекающий фильтр пространственных частот и систему формирования и регистрации изображений.Tepler’s shadow device was adopted as a prototype (see p. 3, 4, sheet 1), which contains a light source, an optical illumination system that forms an initial beam of light rays, a receiving optical system, a cut-off filter of spatial frequencies, and an image formation and recording system.

Недостатками такого прибора являются малое поле визуализации, ограниченное апертурой осветительной и приемной оптических систем, а The disadvantages of this device are the small field of visualization, limited by the aperture of the lighting and receiving optical systems, and

также большие габариты упомянутых осветительной и приемной оптических систем. Следствием этого являются невозможность визуализации течений в областях диаметром свыше 200-300 мм и значительные массогабаритные характеристики оборудования, что повышает его стоимость и исключает возможность мобильного использования.also the large dimensions of the aforementioned lighting and receiving optical systems. The consequence of this is the impossibility of visualizing flows in areas with a diameter of more than 200-300 mm and significant weight and size characteristics of the equipment, which increases its cost and excludes the possibility of mobile use.

Задачей изобретения и техническим результатом является создание системы визуализации потоков с расширенным полем зрения и имеющей приемлемые массогабаритные характеристики для использования ее в мобильном варианте.The objective of the invention and the technical result is the creation of a system for visualizing flows with an expanded field of view and having acceptable weight and size characteristics for use in the mobile version.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в растровой теневой системе визуализации потоков, содержащей источник света, осветительную и приемную оптические системы, отсекающий фильтр пространственных частот, систему формирования и регистрации изображений, в осветительную оптическую систему введен плоский осветительный растровый экран, содержащий набор регулярно расположенных по всей площади светоотражающих элементов, каждый из которых выполнен в виде оптической системы, формирующей локальный исходный пучок лучей света и согласованный своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы, которая выполнена в виде широкоугольной приемной системы, согласованной по углу зрения с размерами осветительного растрового экрана, причем отсекающий фильтр пространственных частот выполнен в виде отсекающего растра, содержащего набор светопоглощающих элементов, числом равных числу светоизлучающих элементов осветительного экрана, а расположением и формой оптически сопряженных со светоизлучающими элементами осветительного экрана.The task and the technical result are achieved by the fact that in the raster shadow system for visualizing flows containing a light source, a lighting and receiving optical system, a cut-off filter of spatial frequencies, a system for forming and recording images, a flat lighting raster screen is introduced into the lighting optical system, containing a set of regularly located over the entire area of the reflective elements, each of which is made in the form of an optical system forming a local initial beam teach light and aligned with its optical axis and aperture with the aperture of the receiving system, which is made in the form of a wide-angle receiving system, matched in angle of view with the dimensions of the illumination raster screen, and the cut-off filter of spatial frequencies is made in the form of a cut-off raster containing a set of light-absorbing elements equal to the number of light-emitting elements of the lighting screen, and the location and shape of the optically coupled to the light-emitting elements of the lighting screen.

Сущность изобретения и его конструктивные особенности поясняются ниже перечисленными схемами и конструкциями:The invention and its design features are explained below by the following schemes and designs:

Фиг.1 - принципиальная оптическая схема растровой теневой системы визуализации потока.Figure 1 is a schematic optical diagram of a raster shadow stream visualization system.

Фиг.2 - конструкция приемной оптической системы растровой теневой системы визуализации потока (тип Р300-ФЦ).Figure 2 - design of the receiving optical system of a raster shadow system for visualizing the flow (type P300-FC).

Фиг.3 - внешний вид осветительного растрового экрана (а), и реплика отсекающего растра (б).Figure 3 - appearance of the lighting raster screen (a), and a replica of the clipping raster (b).

Фиг.4 - внешний вид узлов растровой теневой системы визуализации потока Р300-ФЦ расположенной в аэродинамической трубе ЦАГИ ТПД-1000 (труба прямоточных двигателей). Показаны: а, б - общий вид установки, в - приемная оптическая система, г - система формирования и регистрации изображений.Figure 4 - the appearance of the nodes of the raster shadow system for visualizing the flow P300-FC located in the wind tunnel TsAGI TPD-1000 (pipe ramjets). Shown: a, b — general view of the setup, c — receiving optical system, d — image forming and recording system.

Фиг.5 - результаты применения: визуализация обтекания конуса потоком на этапе запуска аэродинамической трубы (а-г) и на режимах М=1,0 (д) и М=1,4(е).Figure 5 - application results: visualization of the flow past the cone at the stage of launching the wind tunnel (a-d) and in the modes M = 1.0 (d) and M = 1.4 (e).

В основе растрового метода лежит явление смещения теней от осветительного экрана, представляющего собой набор регулярно расположенных светлых (излучающих) элементов на черном фоне (растр источников). Структура отсекающего растра геометрически подобна структуре осветительного растрового экрана. Поэтому, в отсутствии оптической неоднородности лучи света от всех светоизлучающих элементов осветительного экрана собираются на соответствующих им подобных элементах отсекающего растра, претерпевают одинаковое воздействие и образуют в плоскости наблюдения равномерно освещенное поле. При появлении оптической неоднородности лучи света, проходящие через возмущенные участки, приобретают угловые отклонения, и их дальнейшая траектория отличается от первоначальной. Эти лучи пройдут через другие участки отсекающего растра и испытают с его стороны иное воздействие, например, большее или меньшее поглощение. Сфокусировавшись в визуализирующей плоскости, эти лучи образуют участок с иной освещенностью, меньшей или большей, чем невозмущенные участки. Таким образом, изображения возмещенных участков поля визуализируются в виде The raster method is based on the phenomenon of shifting shadows from the lighting screen, which is a set of regularly located light (emitting) elements on a black background (raster sources). The structure of the clipping raster is geometrically similar to the structure of the lighting raster screen. Therefore, in the absence of optical inhomogeneity, light rays from all light-emitting elements of the illumination screen are collected on the corresponding similar elements of the cutting raster, undergo the same effect and form a uniformly illuminated field in the observation plane. When optical inhomogeneity appears, the light rays passing through the perturbed sections acquire angular deviations, and their further trajectory differs from the original one. These rays will pass through other sections of the clipping raster and will experience different effects on its part, for example, more or less absorption. Focusing in the visualizing plane, these rays form a section with a different illumination, less or greater than the unperturbed sections. Thus, images of compensated areas of the field are visualized as

просветленных или затемненных участков по сравнению с участками, на которых лучи света не претерпели угловых отклонений. Эти зоны просветления и потемнения отображают структуру оптической неоднородности, образуя, таким образом, картину обтекания модели потоком в аэродинамической трубе.clarified or darkened areas compared to areas in which light rays have not undergone angular deviations. These zones of enlightenment and darkening reflect the structure of optical inhomogeneity, thus forming a picture of the flow around the model in a wind tunnel.

Растровая система включает следующие основные подсистемы: осветительный растровый экран 1, исследуемое поле течения 2, приемную оптическую систему 3, включающую приемный объектив 4, отсекающий фильтр пространственных¹ частот (растр) 5, систему формирования и регистрации изображений неоднородностей потока (коллимирующую линзу 6, узел переключения каналов фото- и видео-регистрации 7, согласующий объектив 8 фотокамеры 9, согласующий объектив 10 видеокамеры 11, привод переключения каналов 12, узлы управления фотокамерой 13 и 14, источник непрерывного света 15 и источник импульсного света 16, пульт управления 17 и коммуникации 18 (фиг.1). Источники света 15, 16 и осветительный растровый экран 1 составляют осветительную оптическую систему.The raster system includes the following main subsystems: a lighting raster screen 1, a studied flow field 2, a receiving optical system 3, including a receiving lens 4, a cut-off filter of spatial ¹ frequencies (raster) 5, a system for generating and recording images of flow inhomogeneities (collimating lens 6, node switching channels for photo and video recording 7, matching lens 8 of the camera 9, matching lens 10 of the camera 11, drive switching channels 12, the control units of the camera 13 and 14, a source of continuous about the light 15 and the source of the pulsed light 16, the control panel 17 and communication 18 (figure 1). The light sources 15, 16 and the illumination raster screen 1 comprise a lighting optical system.

Конструкция растровой системы содержит две основные части - осветительную и приемную оптические системы.The design of the raster system contains two main parts - lighting and receiving optical systems.

Осветительный растровый экран, входящий в осветительную оптическую систему, представляет собой щит размером 1000х1000 мм², регулярная структура которого представлена периодически расположенными белыми полосками на черном фоне (фиг.3, а). Период чередования полосок составляет 10 мм, ширина полосок - 5 мм. Осветительный растровый экран жестко закреплен на внутренней стене аэродинамической трубы. Каждый локальный исходный пучок лучей света, исходящий из каждого элемента осветительного растра, согласован своей оптической осью и апертурой с апертурой приемной системы.The lighting raster screen included in the lighting optical system is a shield 1000x1000 mm ² in size, the regular structure of which is represented by periodically arranged white stripes on a black background (Fig. 3, a). The strip alternation period is 10 mm; the strip width is 5 mm. The lighting raster screen is rigidly fixed to the inner wall of the wind tunnel. Each local source beam of light rays emanating from each element of the lighting raster is matched by its optical axis and aperture with the aperture of the receiving system.

На другой, противоположной стене аэродинамической трубы имеется небольшое оптическое окно, за которым установлена приемная часть On the other, opposite the wind tunnel wall, there is a small optical window, behind which a receiving part is installed

растровой системы визуализации. На фиг.2 показана конструктивная схема приемной части растровой теневой системы Р300-ФЦ, разработанной для аэродинамической трубы ТПД.raster visualization system. Figure 2 shows a structural diagram of the receiving part of the raster shadow system P300-FC, designed for a wind tunnel TPD.

Приемная часть включает: приемный объектив 4, отсекающий растр 5, коллимирующую линзу 6, узел переключения каналов фото- и видео-регистрации 7, согласующий объектив 8 фотокамеры 9 и видеокамеру, установленную напротив отводящего зеркала (на рисунке не показана). Зоны прохождения пучков света защищены от посторонней засветки тубусами 19. Приемная часть устанавливается горизонтально так, что ее оптическая ось располагается на уровне оси потока перпендикулярно плоскости осветительного растрового экрана (фиг.4, в).The receiving part includes: a receiving lens 4, a clipping raster 5, a collimating lens 6, a node for switching photo and video recording channels 7, a matching lens 8 of the camera 9 and a video camera mounted opposite the output mirror (not shown in the figure). The zones of passage of light beams are protected from extraneous illumination by tubes 19. The receiving part is mounted horizontally so that its optical axis is located at the level of the flow axis perpendicular to the plane of the illuminated raster screen (Fig. 4, c).

Отсекающий растр изготавливается фотографическим методом путем экспонирования изображения осветительного растра на фотопленку или фотопластинку высокого разрешения (типа ТФ-41П). Размер отсекающего растра 80х80 мм. Он устанавливается в плоскую рамку, которая крепится к фланцу тубуса и может поворачиваться для установки или извлечения отсекающего растра. Узел снабжен котировочными винтами для тонкой [установки растра в рабочее положение. Реплика отсекающего растра показана на фиг.3, б. Система формирования и регистрации изображений включает в себя согласующий фотообъектив и стандартную фотографическую или цифровую камеру, которые соединены между собою раздвижным тубусом.The cut-off raster is made by the photographic method by exposing the image of the lighting raster to a high-resolution film or photographic plate (type TF-41P). The size of the cutting raster is 80x80 mm. It is installed in a flat frame that is attached to the flange of the tube and can be rotated to install or remove the clipping raster. The unit is equipped with quotation screws for thin [installation of the raster in the working position. A replica of the clipping raster is shown in figure 3, b. The system for forming and recording images includes a matching photo lens and a standard photographic or digital camera, which are interconnected by a sliding tube.

Приемная часть растровой системы устанавливается на имеющуюся в ТПД-1000 платформу с помощью переходной рамы. Механизм перемещения платформы позволяет перемещать приемную часть системы вдоль оси трубы в пределах 0-800 мм.The receiving part of the raster system is installed on the platform available in the TPD-1000 using a transition frame. The platform moving mechanism allows you to move the receiving part of the system along the axis of the pipe within 0-800 mm.

Система имеет два источника света - непрерывный и импульсный. Оба источника закреплены в плоскости приемного объектива максимально близко к оптической оси, направлены на растровый экран и перемещаются вместе с приемной частью системы.The system has two light sources - continuous and pulsed. Both sources are fixed in the plane of the receiving lens as close to the optical axis as possible, directed to the raster screen and moved together with the receiving part of the system.

Разработанная растровая теневая системаDesigned raster shadow system визуализации имеет следующие основные технические характеристики:visualization has the following main technical characteristics:

• размеры осветительного растра, мм х мм• dimensions of the lighting raster, mm x mm 1000х10001000x1000 • ориентация полос растра• orientation of raster strips вертикальнаяvertical • ширина и шаг полос растра, мм• width and pitch of raster strips, mm 5,105.10 • приемный объектив, тип• receiving lens type Индустар-37Industar-37 • фокусное расстояние объектива, мм• focal length of the lens, mm 300300 • размер поля визуализации, мм• size of the visualization field, mm 600х600600x600

Устройство работает следующим образом. световой поток от источника света непрерывного (15) или импульсного (16) действия падает на осветительный растровый экран (1), пересекает рабочую часть аэродинамической трубы (2) и достигает приемной оптической системы (3). Затем он проходит через приемный объектив (4), отсекающий растр (5), коллимирующую линзу (6), узел переключения каналов фото- и видеорегистрации (7). Регистрируется световой поток через согласующий объектив (8) фотокамерой (9), или через согласующий объектив (10) видеокамерой Щ).The device operates as follows. the luminous flux from a light source of continuous (15) or pulsed (16) action falls on the illuminating raster screen (1), crosses the working part of the wind tunnel (2) and reaches the receiving optical system (3). Then it passes through a receiving lens (4), a cut-off raster (5), a collimating lens (6), a node for switching photo and video recording channels (7). The luminous flux is recorded through a matching lens (8) with a camera (9), or through a matching lens (10) with a video camera Щ).

Если в рабочей части аэродинамической трубы не было оптических неоднородностей, то отсекающий растр (5) создаст в плоскости наблюдения равномерно освещенное поле. При появлении оптической неоднородности лучи света, прошедшие через нее, приобретают отклонения, при этом они пройдут через другие участки отсекающего растра, где их поглощение будет различным (большим или меньшим, чем без неоднородности). В результате этого в плоскости наблюдения возникнут участки с повышенной или пониженной освещенностью, соответствующие оптической неоднородности.If there were no optical inhomogeneities in the working part of the wind tunnel, the cutting raster (5) will create a uniformly illuminated field in the observation plane. When an optical inhomogeneity appears, the light rays passing through it acquire deviations, while they will pass through other sections of the cutting raster, where their absorption will be different (greater or less than without heterogeneity). As a result of this, areas with increased or decreased illumination corresponding to optical inhomogeneity will appear in the observation plane.

На фиг.4 показаны фотографии узлов макетного образца растровой теневой системы Р300-ФЦ, смонтированной в аэродинамической трубе ЦАГИ ТПД-1000. Растровый экран (фиг.3, а) был установлен внутри камеры давления. Приемная часть (фиг.4, а и 4, б) смонтирована напротив растрового экрана за оптическим окном вне камеры давленияFigure 4 shows photographs of the nodes of the prototype raster shadow system P300-FC mounted in the wind tunnel TsAGI TPD-1000. A raster screen (figure 3, a) was installed inside the pressure chamber. The receiving part (Fig. 4, a and 4, b) is mounted opposite the raster screen behind the optical window outside the pressure chamber

На фиг.5 представлены результаты визуализации обтекания конуса с диаметром основания 100 мм и углом при вершине 30° на режиме запуска трубы и числах М=1,0 и 1,4. Недостаточная контрастность изображений обусловлена присутствием в потоке водяного конденсата (тумана). Анализ красных, зеленых, синих (Red, Green, Blue -RGB)-компонентов полученных кадров показал, что наиболее информативным компонентом в данной растровой схеме оказался красный цветовой компонент, у которого отношение сигнал/шум было самым высоким.Figure 5 presents the results of visualization of the flow around a cone with a diameter of the base of 100 mm and an angle at the apex of 30 ° in the starting mode of the pipe and numbers M = 1.0 and 1.4. Insufficient image contrast due to the presence of water condensate (fog) in the stream. Analysis of the red, green, blue (Red, Green, Blue -RGB) components of the obtained frames showed that the most informative component in this raster scheme was the red color component, whose signal-to-noise ratio was the highest.

Claims

A raster shadow system for visualizing flows containing a light source, an illumination and receiving optical system, a cut-off filter of spatial frequencies, an imaging and recording system, characterized in that a flat illumination raster screen is introduced into the illumination optical system, containing a set of regularly located throughout the area reflective elements, each of which is made in the form of an optical system, forming a local initial beam of light rays, matched by its optical axis and aperture with the aperture of the receiving system, which is made in the form of a wide-angle receiving system, matched according to the angle of view with the dimensions of the illumination raster screen, and the cut-off filter of spatial frequencies is made in the form of a cut-off raster containing a set of light-absorbing elements with a number equal to the number of light-emitting elements of the illuminating screen associated with them in shape and location.