基于BOS的流动显示技术研究

发布时间：2020-03-28 21:26

【摘要】：背景纹影技术(Background oriented schlieren,BOS)是一种新颖的流动显示技术,它具有装置简单、成本较低、可以定量测量、能够实现瞬态测量、适合大视场测量、适合在复杂环境中测量等优点,是目前流动显示显示领域的热门技术之一。本文提出了一种基于FFT相位提取的BOS技术,并利用它对流场进行流动显示。还设计了 LED阵列背景板和多尺度小波噪声背景图像,并针对这两种背景图像的特点,并分别利用点识别算法和光流算法处理这两种背景图像,来提取图像点位移。本文提出的背景纹影装置测量流场所得到的图像点位移数据可以用来重建流场的三维密度场。本文研究内容主要有以下几个方面:第一,针对目前的背景纹影装置做出改进,将背景板换成了 LED阵列背景板,用点识别算法对这种背景板的背景图像进行处理,提取图像点位移。从理论上分析了多个参数对背景纹影装置灵敏度的影响,并通过实验来验证。第二,设计了多尺度小波噪声背景图像,介绍了金字塔L-K光流算法原理,用金字塔L-K光流算法对该种多尺度小波噪声背景图像进行处理,提取图像点位移,利用基于金字塔L-K光流算法的BOS装置对热风枪喷出的流场进行流动显示实验。第三,提出了基于FFT相位提取的BOS技术,并做了数值模拟实验来验证该技术,用基于FFT相位提取的BOS装置对热风枪喷出的流场进行了流动显示实验。
【图文】：

矢量图,纹影,莫尔技术,背景图像

１．３背景纹影技术逡逑１．３．１背景纹影技术的发展逡逑如图１．６所示，为背景纹影装置原理图。背景纹影技术和其它纹影技术一样，逡逑都是基于光线的偏折来确定流场折射率（或者密度）的变化。光线通过待测流场逡逑后会偏离原来的路径，入射到ＣＣＤ相机成像芯片上的位置会发生改变，这就会逡逑造成有待测流场时ＣＣＤ相机采集到的背景图像和没有流场时的不同（如图１．７逡逑中ａ和ｂ所示），通过图像处理可以求得图像点位移，绘制出位移矢量图（如图逡逑１．７中ｃ所示），然后就可以求出待测流场的折射率或者密度。逡逑Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ邋ｐｌａｎｅ逦Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ逦ｉ邋？ｎＱ邋ｆ逡逑ｄｅｎｓｉｔｙ逦＾逦ｉｍａｇｅ逡逑＾逦ｐｌａｎｅ逡逑Ａ逦Ａ逡逑ＪＢｔ逦逦逦ｙ逦—？Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋Ａｘ逡逑／ｉ邋￣￣逦ｐ逦＊邋Ｉ逡逑图１．６背景纹影装置原理图Ｐ３］逡逑ＨＨＤ逡逑（ａ）没有流场时拍摄的背景图案（ｂ）有流场时拍摄的背景图案（ｃ）位移矢量图逡逑图１．７邋Ｒａｆｆｅｌ等实验中获得的背景图像以及位移矢量图逡逑２000年４月，Ｄａｌｚｉｅｌ等人［３４］提出了几个新型纹影和莫尔技术，他们将其命逡逑名为“合成纹影”（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ邋Ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ）技术。这些技术的共同点是传统光学装置逡逑中的一部分被数字图象处理所取代。其中的点追踪折光法（Ｄｏｔ邋Ｔｒａｃｋｉｎｇ逡逑Ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）几乎等同于背景纹影技术，他们利用该技术对振荡圆柱产生的内逡逑波场进行了研宄，为背景纹影技术的建立奠定了基础。如图１．８所示，为Ｄａｌｚｉｅｌ逡逑等人利用点追踪折光法得到的位移矢量图。同年５月

分布图,纹影技术,纹影,密度梯度

纹影技术的理论，并利用该技术对悬停飞行中直升机的叶尖涡旋进行了流动显示，逡逑验证了其可行性。Ｅｌｓｉｎｇａ等人［３６］、Ｐｏｐｏｖａ［３７］和Ｈａｒｇａｔｈｅｒ等人［３８］研宄了背景纹逡逑影技术的精度，并提出了一些改善精度的方法。如图１．９所示，为Ｅｌｓｉｎｇａ等人逡逑在超音速风洞中研究普朗特－迈尔理论时利用背景纹影技术得到的位移矢量图及逡逑密度梯度分布图。Ｙｅｖｔｉｋｈｉｙｅｖａ等人研宄了各种参数对背景纹影技术测量灵敏逡逑度和分辨率的影响，并给出了几个建立背景纹影装置的指导公式。逡逑R誛逡逑ｒ：：品Ｐ始：厂逡逑ｉａｓ—？ｗ：邋Ｍ逡逑图１．８邋Ｄａｌｚｉｅｌ等人得到的位移矢量图［３４］逡逑■１｜２0逦ｍｉ邋ｉ．ｔ逡逑ｗ／ＰｌｖｐＨ逦｜１Ｓ逦Ｐ／Ｐ，？逦国１0５逡逑画画逡逑■邋■‘逦：逦：逦：逦：逦：逦＿。７逡逑0邋0逦？逦？逦？逦１逦１—逦ｃｃ逡逑０逦１０逦２０逦３０逦４０逦５０邋Ｈ２逦０逦１０逦２０逦３０逦４０逦５０逦Ｍ０６５逡逑Ｘ（ｍｍ）逦■0逦Ｘ0ｎｍ＞逦Ｈ0．６逡逑图１．９邋Ｅｌｓｉｎｇａ等人得到的位移矢量图及密度梯度分布图Ｍ逡逑背景纹影技术能提供直观、形象的纹影图像，进行流动显示。同时，背景纹逡逑影技术也是基于图像处理技术的，减少了测量系统的光学装置，，可以进行定量测逡逑量。这些优点促使其在越来越多的场景中应用，尤其是在恶劣的工业环境和复杂逡逑的试验环境中。２０００年
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN27

【参考文献】