紋影技術(shù)中光源的選擇與設(shè)計方法

葉繼飛，金 燕，吳文堂，蔣冠雷

（1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 101416；2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院士官系 北京 102249）

紋影技術(shù)中光源的選擇與設(shè)計方法

葉繼飛1，金 燕2，吳文堂1，蔣冠雷1

（1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 101416；2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院士官系 北京 102249）

在紋影技術(shù)應(yīng)用過程中，紋影光源的性能一定程度上決定了拍攝結(jié)果的優(yōu)劣。不同種類的光源，得到的拍攝效果不同，對于某種特定拍攝需求，光源的選擇和設(shè)計也不同。如何選擇和設(shè)計合適的紋影光源，對于最終拍攝結(jié)果的好壞至關(guān)重要。結(jié)合紋影技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用，分析了不同被測對象對光源的需求，總結(jié)了幾種常見光源的應(yīng)用情況及其特點，提供了一種光源參數(shù)設(shè)計的方法。在實驗室典型超聲速自由射流流場測量中，對鹵鎢燈、氙燈和激光3種紋影光源的應(yīng)用進行了對比分析。所提出的紋影光源的選擇與設(shè)計方法，具有一定的工程實驗參考價值。

紋影；光源；曝光量；高速相機；自由射流

0 引 言

在眾多流動顯示技術(shù)中，紋影技術(shù)一直是最為清晰、直觀的顯示手段之一，廣泛應(yīng)用于各種高速流動現(xiàn)象的觀測環(huán)境中。紋影顯示技術(shù)是一種經(jīng)典的流場顯示手段，然而直至今日紋影技術(shù)從未停止過發(fā)展，各種不同的紋影技術(shù)層出不窮，如彩色紋影技術(shù)、聚焦紋影技術(shù)等［1－2］。特別是近代計算機技術(shù)與電子器件的革新與發(fā)展，為紋影系統(tǒng)裝置的完善和改進，提供了更多的選擇和手段。在紋影系統(tǒng)中，光源的光束質(zhì)量、發(fā)光強度和光譜特性等屬性，對整個系統(tǒng)的靈敏度和成像質(zhì)量有著重要的影響［3］。根據(jù)不同的拍攝需求，選擇不同屬性的光源，結(jié)合相機工作方式和性能，進行感光度和曝光量設(shè)計，以期達到最佳的拍攝效果。

1 紋影光源的需求與特點

紋影系統(tǒng)包括光源、紋影鏡、刀口機構(gòu)、成像組件和相機等部分，其中光源是整個系統(tǒng)的信號輸入端，影響整個系統(tǒng)的觀測。紋影鏡對于光束的準(zhǔn)直受光源的分布形式的影響很大，相機的拍攝時序與光源的工作方式要協(xié)調(diào)配合，與整個系統(tǒng)的測量需求和最終獲得的結(jié)果形式都有關(guān)系。特別是紋影系統(tǒng)的靈敏度與紋影鏡焦距和刀口切割光源大小有直接關(guān)系，紋影鏡焦距越大，刀口擋掉光源部分越大，紋影系統(tǒng)靈敏度越高；另外，陰影系統(tǒng)的清晰度與光源尺寸的大小也有密切關(guān)系，光源尺寸越小，準(zhǔn)直鏡焦距越大，清晰度越高。因此，紋影光源的選擇與設(shè)計，對紋影系統(tǒng)來講至關(guān)重要。

通常所面臨的被觀測流動現(xiàn)象，從基本的拍攝條件角度來分類，可以有如下幾種情形：單次拍攝和連續(xù)拍攝、低速流動和高速流動，以及有自發(fā)光和無自發(fā)光流場。下面就這幾種分類情況說明對應(yīng)的紋影光源的需求和特點。

（1）單次拍攝和連續(xù)拍攝

單次拍攝是指對某一時間段內(nèi)流場的特征感興趣，相機只對于這一時間段內(nèi)的流場進行一次曝光，所凍結(jié)流場為相機曝光時間內(nèi)的光源通過流場的積分。對于光源來講，需要在相機曝光時間內(nèi)，實現(xiàn)足夠的曝光量使指定感光度的相機底片得到最佳的曝光效果。

連續(xù)拍攝是指在一個時間序列內(nèi)的被測流場都是需要獲得的測量對象的情況下，相機以指定的拍攝頻率和曝光時間進行多次曝光，每次曝光采集一幅圖像，最終獲得一個時間序列的紋影圖像結(jié)果。紋影光源需要有對相機底片持續(xù)提供一定照度的能力，可以是連續(xù)光源，也可以是脈沖頻閃光源。

（2）低速流動和高速流動

低速流動是指所關(guān)心的被測對象特征以相對較低的速度（速度快慢的界定與相機的捕獲能力和曝光時間的長短有關(guān)）在被測區(qū)域內(nèi)顯現(xiàn)的流動現(xiàn)象。這里所特別說明的是，低速或高速的對象是指被測對象某一特征而不是被測對象本身。結(jié)合紋影系統(tǒng)來講，無論是系統(tǒng)中裝置的選擇，還是系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計都有明顯的不同。

對于低速流動現(xiàn)象的觀測，流動現(xiàn)象特征隨時間變化不劇烈，需要的時間分辨率不高，相對來講，對于單次拍攝曝光時間可以設(shè)計的比較長，而往往低速流動狀態(tài)下，所關(guān)心的時間序列較長，需要進行連續(xù)拍攝，因此紋影光源可以選擇亮度不高的連續(xù)光源，或者是亮度相對較高的頻閃光源。

相對來講，高速流動現(xiàn)象需要的時間分辨率較高，獲取一幅數(shù)據(jù)的單次拍攝曝光時間較短，因此光源需要選擇亮度較高的脈沖光源。如果對于高速流動現(xiàn)象的時間序列比較感興趣，則需要采用亮度較高的、并且能夠在感興趣的時間序列內(nèi)持續(xù)工作的脈沖頻閃光源或高功率激光光源。同時相機的拍攝方式要與之相配合，以使得每一次單次拍攝得到足夠的曝光量。

（3）有自發(fā)光和無自發(fā)光流場

自發(fā)光的被測對象通常是指被測流場內(nèi)部有燃燒、爆炸或高溫等現(xiàn)象，一般這種自發(fā)光光譜范圍較寬，發(fā)光強度較大。當(dāng)自發(fā)光在相機底片上大量曝光時，其對測量結(jié)果的影響較大，會使圖像中有效信息淹沒，甚至產(chǎn)生局部區(qū)域的過度曝光，使數(shù)據(jù)遭到破壞。

一般有如下幾種方法來解決自發(fā)光帶來的流場觀測問題：一是利用自發(fā)光的光譜特性，選取某一單色光作為光源，采用單色濾光片將其它譜段的光濾掉，只保留光源單色光通過流場進入成像系統(tǒng)和相機。當(dāng)然，自發(fā)光中與光源同譜段的光也會成像在底片上，但是由于濾光片已將其它光譜光濾掉，這部分透過光強度已經(jīng)很低，通?？梢院雎?；二是利用紋影光路和自發(fā)光發(fā)光特點，使紋影鏡及后面成像部分遠(yuǎn)離被測對象自發(fā)光區(qū)域，隨著距離的增加，自發(fā)光的干擾呈指數(shù)減小，而紋影光路中通過被測區(qū)域的是平行光場，理論上可以是無窮遠(yuǎn)，距離的增加并不會對測量產(chǎn)生影響；另外，縮短曝光時間也是減小自發(fā)光干擾的手段之一，這里則需要亮度足夠高的光源作為保障，使得在足夠小的曝光時間內(nèi)既使自發(fā)光在底片上的曝光量達到可以忽略的水平，又使得紋影光源提供的光能夠?qū)崿F(xiàn)足夠曝光量。

2 光源的種類與選擇

根據(jù)紋影光源的需求與特點可以知道，光源的選擇有較大的余地，具體測量環(huán)境和需求不同，光源的選擇及其工作方式的設(shè)計也不同。光源的分類方式有多種，按照光源的發(fā)光機理來分類，可以分為爆炸光源、放電光源和激光光源等；按照光源的工作方式來分類，可以分為連續(xù)光源、脈沖光源和頻閃光源；按照光源光譜特性來分類，可分為單色光源和連續(xù)譜光源等等。比如，鹵鎢燈光源是一種常用的紋影光源，鎢燈絲通電熱輻射發(fā)光，通常以連續(xù)輻照的方式工作，光譜范圍寬，屬于連續(xù)譜光源。

常用的紋影光源主要有如下幾種：爆炸光源、鹵鎢燈光源、激光光源、氙燈光源、發(fā)光二極管，以及電火花等其它擊穿介質(zhì)方式發(fā)光的光源。

（1）爆炸光源。早期為了實現(xiàn)較高亮度的點光源照明，采用的是爆炸光源，這種光源雖然亮度較高、光譜范圍較好，但是其成本偏高且具有一定的破壞性，使得實驗裝置只能使用一次，拍攝過程對同一條件無法重復(fù)。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，逐漸用其它工作方式的光源取代爆炸光源，現(xiàn)在很少采用這種方法。

（2）鹵鎢燈光源。鹵鎢燈光源屬于熱輻射光源，發(fā)光亮度較普通照明光源較高，光譜連續(xù)平滑，只需簡單的調(diào)壓即可連續(xù)工作，亮度連續(xù)可調(diào)，使用壽命較長，燈絲形狀可以設(shè)計，是比較常用的紋影光源。根據(jù)實驗經(jīng)驗，鹵鎢燈（300W，24V）比較適宜應(yīng)用于百微秒級曝光量的測量中，當(dāng)流場特征變化更快時，曝光時間更短情況下，鹵鎢燈則不能提供足夠的照度。

（3）氙燈光源。氙燈光源屬于放電光源，具有亮度更高，光譜范圍較寬、光學(xué)及電學(xué)參數(shù)容易調(diào)節(jié)，以及可重復(fù)使用等優(yōu)點。氙燈可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作，是利用氙氣在高壓、超高壓下的放電現(xiàn)象制成的光源［4］。對于紋影系統(tǒng)中的氙燈光源來講，亮度滿足曝光需求是首要的，其次考慮氙燈發(fā)光脈寬、控制電源以及同步控制等方面的問題。目前，氙燈作為紋影光源的應(yīng)用比較廣泛，特別是脈沖氙燈光源，具有更高的亮度，實驗室所采用的脈沖氙燈光源（長弧氙燈）可以滿足納秒級的曝光需求，連續(xù)氙燈（短弧氙燈）的亮度則在微秒級的曝光時間上。氙燈最主要的問題是放電弧光不穩(wěn)定，發(fā)光面積較大，靜態(tài)和動態(tài)下都會產(chǎn)生一定的模糊［4］。當(dāng)然，可以通過增加光闌的方法減小光源發(fā)光面積，但會損失一定的光通量。

（4）激光光源。激光光源具有亮度高、方向性強、單色性好和易于準(zhǔn)直等優(yōu)點，能夠連續(xù)提供強度很高的、單色性很好的激光光束。在成像系統(tǒng)前面加入與激光光源波長對應(yīng)的窄帶濾光片，可以過濾流場內(nèi)部或其它波長雜散光的干擾，而進入成像系統(tǒng)和相機，與激光波長相近的自發(fā)光或雜散光，其強度與激光強度相比是微弱的，影響通?？梢院雎裕?］。作為紋影激光光源，主要考慮的是激光功率，即激光強度的問題。功率低得到的亮度可能不夠，功率高時則需要采用額外的衰減裝置，其成本相對較高。實驗室采用50mW（532nm）激光光源，獲得的比較適宜的曝光量是在微秒量級時間尺度上。激光光源主要問題是，激光相干性好，易產(chǎn)生衍射光斑，一定程度上干擾圖像中有用信息，不利于圖像的數(shù)據(jù)處理。為減小衍射的影響，激光光源刀口通常需要采用漸變密度片，這使得系統(tǒng)靈敏度有所降低，但是系統(tǒng)的其它性能有所提高，如測量范圍相對擴大等，需要綜合需求權(quán)衡考慮設(shè)計。

（5）電火花和擊穿介質(zhì)發(fā)光光源。電火花光源屬于一種脈沖放電光源，利用高電壓擊穿空氣時的發(fā)光現(xiàn)象照明。其突出特點是，發(fā)光亮度高，光譜范圍較寬。另外，也有采用激光聚焦擊穿空氣的等離子體發(fā)光實現(xiàn)照明的，其亮度可以通過注入激光能量的大小來實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。電火花光源和激光擊穿光源發(fā)光時間都比較短，可以實現(xiàn)百納秒到微秒量級的閃光，峰值亮度很高，光色接近白光，發(fā)光可控性較好，易于同步控制。其主要的問題與脈沖氙燈一樣，發(fā)光面積較大，發(fā)光在時間和空間上都存在不穩(wěn)定性，光源經(jīng)過紋影鏡準(zhǔn)直效果較差，不利于成像。

（6）發(fā)光二極管。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）作為紋影光源成為一種新的趨勢［6］。其特點是單色性好，發(fā)光面積小，近似點光源，易于準(zhǔn)直，成本低廉，可實現(xiàn)任意開關(guān)控制，并且發(fā)光二極管通常封裝在類似透鏡的塑料中，其發(fā)散角在15°左右，正好適合紋影光源使用［7］。另外，LED光源主要的優(yōu)勢在于其光能上升沿和下降沿較陡，實驗室采用的美國CREE Q5－WC單管正白光LED，額定功率1W，光通量約100lm，其光能上升時間和下降時間只有約20μs。主要的缺點是單個發(fā)光二極管亮度不夠（光通量一般只有幾十流明），通常需要集束成一定形狀使用。對于典型的紋影系統(tǒng)而言，所需要的光源是線光源，發(fā)光二極管集束成線形，既能夠適合紋影系統(tǒng)要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)亮度增強。如何更好地應(yīng)用發(fā)光二極管作為紋影系統(tǒng)光源，集束形狀的設(shè)計是關(guān)鍵。

3 光源參數(shù)設(shè)計與分析

光源參數(shù)的設(shè)計與光源的種類和特點、拍攝需求，以及相機工作模式等諸多因素都有關(guān)系。光源的設(shè)計參數(shù)主要有額定功率、發(fā)光效率以及光譜范圍等。為了獲得最佳的曝光量，需要多對光源的各項參數(shù)進行設(shè)計和計算。不同種類的光源的設(shè)計參數(shù)略有區(qū)別，這里以較為常見的氙燈光源為例，假定拍攝條件來選取和設(shè)計光源參數(shù)。

由于數(shù)字式高速相機的技術(shù)越來越成熟，分辨率越來越高，動態(tài)范圍越來越大，而且體積小、工作方式靈活、易于操作和數(shù)據(jù)采集，逐漸取代了膠卷底片式的高速相機。為了沿用傳統(tǒng)膠卷相機的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些數(shù)字相機中的參數(shù)與傳統(tǒng)膠卷相機是對應(yīng)的。其中，較為重要的是感光度（ISO），在傳統(tǒng)膠卷相機上，ISO代表感光速度的標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)字相機中ISO定義和膠卷相同，代表著感光元件的感光速度，ISO數(shù)值越高就說明該感光材料的感光能力越強。

感光度S的計算公式為

式中，H為曝光量，單位是勒克斯·秒（lx·s）。曝光量的計算公式為

其中，L為照度，單位是勒克斯（lm／m2），t為曝光時間。假定相機CCD或COMS的尺寸大小為a，所需到達相機感光底片的光通量φ1為

其中，光通量單位為流明（lm）。光源光路整形部分、紋影系統(tǒng)的反射以及發(fā)光時間與曝光時間的不同等方面，都會帶來光損失。假定到達相機的光通量與總發(fā)光光通量的比值為α，光源總的輻射光通量φ0為

不同波長的光，單位時間能量輻射的光通量不同。假定輻射通量轉(zhuǎn)化為光通量的效率為η1，單位為流明每瓦（lm／W），由于氙燈光譜特征，其光功率轉(zhuǎn)化為光通量的效率較低，通常取30～60lm／W。因此，所需要的光功率P1和能量J1為

其中，τ為光源發(fā)光時間。

就不同種類、不同型號的氙燈而言，通電功率轉(zhuǎn)化為輻射光功率的效率是不同的。假定所選取的某種氙燈電通量轉(zhuǎn)化為輻射通量的效率為η0，則氙燈驅(qū)動器電源所提供的總的電功率和能量為

假定氙燈以脈沖方式工作，脈沖電源電壓設(shè)置為U，電容為C，放電脈寬即為發(fā)光時間τ。電功率和能量為

由上可知，對于給定紋影系統(tǒng)、相機和脈沖氙燈，設(shè)定相機感光度和曝光時間，即可以確定脈沖氙燈放電電壓。相反地，確定相機和光源參數(shù)情況下，可以選擇最佳的曝光時間。

實驗室針對超聲速自由射流現(xiàn)象典型流動情況，選取了幾種光源進行對比拍攝。超聲速噴嘴為美國Parker公司的脈沖式超聲速噴嘴，由耐沖擊腐蝕不銹鋼材料構(gòu)成，可提供重復(fù)性良好的高速脈沖射流，最短開關(guān)時間可達180μs，最大工作壓強可達8.5 MPa，最高脈沖噴射頻率可達250Hz，其實物及機械裝配圖如圖1所示。工作時，電樞通電，形成電磁鐵，將主彈簧壓縮，拉起提升閥門，高壓氣體通過射流出口射出；電樞斷電后，主彈簧恢復(fù)，推動提升閥門，壓緊射流出口，射流中斷。

整個實驗系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示，紋影系統(tǒng)采用經(jīng)典的“Z”字形方式布置，紋影鏡為Φ300mm球面反射鏡，焦距3000±10mm；高速相機為PCO公司的HSFC－PRO型超高速增強型分幅相機，最小曝光時間可達3ns；光源選取連續(xù)鹵鎢燈、脈沖氙燈和激光光源3種進行比對。

圖1 超聲速噴嘴實物與裝配圖Fig.1 Supersonic nozzle and mechanical drawing

圖2 超聲速自由射流流場測量實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of supersonic free jet experiment system

連續(xù)鹵鎢燈光源選取300W、24V鹵鎢燈，工作電壓連續(xù)可調(diào)；脈沖氙燈控制器采用HSP－2－200型閃光儀，可控交流調(diào)壓、電容儲能放電方式工作，發(fā)光時間約為300μs（半高寬）；激光光源為連續(xù)式半導(dǎo)體激光器，中心波長532nm，能量50mW。不考慮射流流動的拍攝需求，獲得的較好的圖像曝光量情況下，鹵鎢燈光源曝光時間為100μs，脈沖氙燈光源和激光光源曝光時間都為500ns。實驗照片如圖3所示。

從實驗結(jié)果來看，分析如下：（1）要達到較好的曝光效果，連續(xù)鹵鎢燈光源需要的曝光時間較長，要達到百微秒量級，激光光源和脈沖氙燈光源亮度相近，曝光時間在百納秒量級；（2）曝光時間不同，成像效果明顯不同，特別是對于流動速度較快的現(xiàn)象，曝光時間長使得流場產(chǎn)生了積分效應(yīng)，射流馬赫盤結(jié)構(gòu)清晰，而其后流場明顯模糊，對于較短曝光時間，湍流結(jié)構(gòu)相對清晰，而馬赫盤等激波結(jié)構(gòu)不明顯；（3）鹵鎢燈光源和激光光源分布形式較好，獲得的靈敏度高，密度梯度變化清晰可見，而脈沖氙燈光源發(fā)光面較大，使得流場模糊，獲得的密度梯度變化相對較弱；（4）不同種類光源各有特點，特別是激光光源，所拍攝的照片明顯有衍射條紋，對數(shù)據(jù)的分析有一定的影響；另外，值得關(guān)注的是刀口對于成像效果影響也比較大，沒有刀口即陰影觀測情況，相對加入刀口的紋影觀測而言，馬赫盤后相對較弱的密度梯度變化不容易觀測。

圖3 不同光源拍攝實驗結(jié)果照片F(xiàn)ig.3 Photographs of experiments with different light sources

4 結(jié) 論

結(jié)合典型的紋影技術(shù)應(yīng)用環(huán)境，對適合紋影測量的流動對象進行了歸納和總結(jié)，提出幾種典型情況下紋影光源的需求和特點；針對幾種常用紋影光源，分析了各自應(yīng)用的優(yōu)缺點和適用條件；介紹了已知其它環(huán)境參量選取光源和設(shè)計光源參數(shù)的方法。以實驗室典型超聲速射流流動現(xiàn)象的紋影顯示實驗為例，對鹵鎢燈、氙燈和激光3種光源的實驗結(jié)果進行了對比分析。所提出的方法對指導(dǎo)紋影實驗具有一定的參考價值。

［1］KLEINE H，HIRAKI K and MARUYAMA H ，et al.High－speed time－resolved color schlieren visualization of shock wave phenomena［J］.Shock Waves，2005，14（5）：333－341.

［2］徐 翔，謝愛民，呂治國，等.聚焦紋影顯示技術(shù)在激波風(fēng)洞的初步應(yīng)用［J］.實驗流體力學(xué)，2009，23（3）：75－79.

［3］馮天植，劉成民，趙潤祥，等.紋影技術(shù)述評［J］.彈道學(xué)報，1994，5（2）：89－95.

［4］趙 娟，曹科峰，曹寧翔，等.脈沖氙燈放電閃光儀［J］.研究與開發(fā)，2009，28（6）：52－58.

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［7］ESTEVADEORDAL J，GOGINCNI S.Schlieren imaging in hypersonic plasmas［R］.AIAA 2004－1139.

葉繼飛（1981－），男，吉林遼源人，講師，博士研究生。主要從事復(fù)雜流動顯示技術(shù)方面的研究。通訊地址：北京懷柔3800信 箱 86 號 （101416）；聯(lián) 系 電 話：13811021487；E－mail：yjf1981＠163.com。

Design method and selection of light source in schlieren technology

YE Ji－fei1，JIN Yan2，WU Wen－tang1，JIANG Guan－lei1
（1.Dept.of Basic Theories，the Academy of Equipment Command ＆ Tech.，Beijing 101416，China；2.Dept.of Petty Officer，the Academy of Equipment Command ＆ Tech.，Beijing 102249，China）

In the schlieren technology，the performance of light source exerts a great influence on the photography result.Different photograph results could be obtained with different kinds of light sources.Based on certain kind of measurement demand，the design and selection of light source should be considered specially.In the application of schlieren technology to practical measurement，the light source demand is analyzed for different measurement objects.The application characteristics are summarized for several kinds of schlieren light sources.A design method of light source parameters is presented.Supersonic free jet is measured and analyzed by the schlieren system with three kinds of light sources，tungsten－h(huán)alogen lamp，xenon lamp and laser.This work could provide reference for the schlieren experiment design.

schlieren；light source；light exposure；high speed camera；free jet

O439

A

1672－9897（2011）04－0094－05

2010－11－17；

2011－03－28

國家自然科學(xué)基金項目（90916015）