一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过数字图像相关技术在高温气流扰动下获取透过空气场光线 偏折角来重构扰动空气场折射率三维分布方法，属于气动光学测量和三维重建技术领域。
【背景技术】
[0002] 光学方法由于具有非接触、全场测量的优点，广泛应用于变形测量。但是在高温大 气环境下，利用光学方法进行变形测量面临诸多困难，其中面临的一个难题是气流扰动严 重干扰光学成像。一般在200°C以上，空气扰动就会严重干扰光学方法测量变形，并且随着 温度升高，空气扰动剧烈程度加剧。特别对于高温下高精度变形测量，必须去除空气扰动的 干扰。一种方法是抽真空，但对于大型结构变形测量，特别是工程实际应用中，抽真空是很 难做到的。另一种方法就是实时给出高温下空气的扰动规律，对于光学方法测量变形，需 要得到实时的空气折射率三维分布，由此计算出变形测量中空气扰动对光学成像造成的畸 变，在测量变形过程中去掉空气扰动造成的该畸变量，从而实现高温下去除空气扰动的目 的。
[0003] 从投影图像重建三维空间分布物理量的问题，数学家Radon在理论上给出其理论 基础中心切片定理，即被测体图像在某一视角下平行投影的一维傅里叶变换等同于该图像 二维傅里叶变换的一个中心切片，环绕180度获取图像不同角度投影结果，经过逆傅里叶 变换即可得到被测物空间分布信息。针对高温下气流扰动，找到一种简单可靠的方法来获 取光线透过扰动空气场后的投影信息来重建空气场的折射率三维分布，是实现高温下变形 测量中获取空气扰动情况的关键。
[0004] 对于空气扰动实时测量人们早前采用纹影法和激光干涉方法，但纹影法只能定性 给出空气扰动的大致情况，激光干涉法装置复杂、抗干扰能力差，均无法满足工程应用中精 确测量高温气流扰动下空气折射率。数字图像相关方法是一种现今广泛应用的非接触式光 学测量变形方法，由于装置简单、操作便捷、抗干扰能力强的特点，该方法适用于工程领域 应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，该方法 可克服现有技术不足，适用于实际工程现场测量，实现高温气流扰动下空气折射率三维实 时全场测量。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，其特征在于，所述方法包括 如下步骤：
[0008] 1)建立气流扰动下空气折射率三维重构测量系统，该系统包括个(XD相机和m 个散斑背景板，CCD相机和散斑背景板数量相同，CCD相机和散斑背景板布置在以被测空气 场为中心的同一平面圆周上，该圆周直径为D，且等间距布置，每个C⑶相机透过被测空气 场正对一个散斑背景板，m为大于等于2的正整数；
[0009] 2)在被测空气场被加热之前，用所述的m个CCD相机透过被测空气场同时拍摄对 应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像作为参考图像；
[0010] 3)将被测空气场加热到200°C以上，在加热过程中某一时刻用所述的m个C⑶相 机透过被加热的被测空气场同时拍摄所对应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像与步骤2) 中参考图像对比，CCD相机和散斑背景板所在平面设为Oxy平面，z轴方向垂直于Oxy平面， 用数字图像相关方法计算出由于空气扰动造成的每个散斑背景板上散斑图像畸变沿z轴 方向位移场v;
[0011] 4)m个(XD相机在同一平面内间隔180° /m角度，透过被测空气场拍摄散斑背景 板计算对应的m个角度散斑图像z轴方向位移场，分别记Vl，v2,. . .，，通过用样条插值得 到0到180度任一角度0的散斑图像位移场v0，0 G (〇, 31);
[0012] 5)由步骤4)得到0到180度任一角度0的散斑图像位移场v0，由下式：
【主权项】
1. 一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，其特征在于，所述方法包括如 下步骤： 1) 建立气流扰动下空气折射率三维重构测量系统，该系统包括:m个CCD相机和m个 散斑背景板，CCD相机和散斑背景板数量相同，CCD相机和散斑背景板布置在以被测空气场 (3)为中心的同一平面圆周上，且等间距布置，该圆周直径为D，每个C⑶相机透过被测空气 场正对一个散斑背景板，m为大于等于2的正整数； 2) 在被测空气场（3)被加热之前，用所述的m个CCD相机透过被测空气场（3)同时拍 摄对应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像作为参考图像； 3) 将被测空气场（3)加热到200°C以上，在加热过程中某一时刻用所述的m个C⑶相 机透过被加热的被测空气场（3)同时拍摄所对应的散斑背景板，拍摄得到的散斑图像与步 骤2)中参考图像对比，CCD相机和散斑背景板所在平面设为Oxy平面，z轴方向垂直于Oxy 平面，用数字图像相关方法计算出由于空气扰动造成的每个散斑背景板上散斑图像畸变沿 z轴方向位移场v; 4)m个CCD相机在同一平面内间隔180° /m角度，透过被测空气场（3)拍摄散斑背景 板计算对应的m个角度散斑图像z轴方向位移场，分别记为Vl，v2,. . .，，通过用样条插值 得到0到180度任一角度0的散斑图像位移场v0，0G(〇,31); 5) 由步骤4)得到0到180度任一角度0的散斑图像位移场v0，由下式：
c；n 计算出被测空气场⑶空气折射率n沿z轴方向偏导数的三维空间分 OZ 布，其中j为虚数单位_/ = #,s0(?)为散斑图像位移场v0的傅里叶变换值，
=xcos9+ysin9，x、y、z分别为散斑图像上点的沿x轴、y 轴、z轴的空间坐标； 6) 设被测空气场边缘空气处于恒温，其空气折射率为n。，用上述空气折射率沿z轴方 dn 向偏导数y由下式： (17.
计算出该测量时刻下空气折射率n的三维分布，其『
％被测空气场空气 折射率z轴方向偏导数^沿z轴的积分，在不同时刻重复步骤3)?6)可以得到相应时刻 OZ 下高温气流扰动下空气折射率三维分布。
2. 按照权利要求1所述的一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，其特征 在于：在步骤1)中所述CCD相机个数为2?10台，且位于圆周同一侧。
3.按照权利要求1或2所述的一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，其 特征在于：在步骤1)中所述散斑背景板为表面喷涂制作有随机散斑的平板。
【专利摘要】一种高温气流扰动下空气折射率三维重构测量方法，属于气动光学测量和三维重建技术领域。该方法首先建立气流扰动下空气折射率三维重构测量系统，采用至少两台CCD相机和与相机数量相同的散斑背景板，通过CCD相机在同一平面内从不同角度透过被测空气场拍摄散斑背景板，得到散斑图像；由于空气对流扰动折射率非均匀变化，相机拍摄散斑图像产生畸变，通过数字图像相关方法得到光线从不同角度透过待测空气场的偏折角，利用三维重建算法计算得到被测空气场折射率三维分布，从而实现气流扰动的实时测量。本发明解决了高温气流扰动空气折射率三维实时测量，装置简单、操作灵活简便，适用于工程中空气对流扰动剧烈情况下实时测量气流扰动情况。
【IPC分类】G01N21-43
【公开号】CN104614342
【申请号】CN201510056151
【发明人】冯雪, 张长兴, 屈哲
【申请人】清华大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月3日