專利名稱：信噪比增強的npls流動顯示系統(tǒng)及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流動顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)及其成像方法。
背景技術(shù)：
平面激光流動顯示方法是使示蹤物跟隨流體一起運動，通過檢測示蹤物的光散射或激發(fā)特性獲取流場的多種參數(shù)，如密度、溫度、壓力等?，F(xiàn)有的利用示蹤粒子的光散射特性進行檢測的方法主要有平面激光Mie (人名)散射、濾波瑞利散射等。平面激光Mie散射信噪比高，但是其示蹤粒子為微米或亞微米量級，在測量超聲速流場，尤其是流動局部加速度很大的帶有激波和漩渦的超聲速流場時，示蹤粒子往往無法跟隨流動的大梯度變化； 濾波瑞利散射的示蹤粒子為納米量級，跟隨性好，但是其散射光信號弱、信噪比低。中國文獻《基于納米粒子的超聲速流動成像》(《中國科學(xué)》E輯技術(shù)科學(xué)，2009 年第39卷第12期第1911頁 第1918頁)中提到的基于納米示蹤的平面激光散射技術(shù) (簡稱NPLS :Nano-tracer Plannar Laser Scattering)即采用納米粒子作為示蹤粒子。該系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)、CXD (charge coupled device，電荷耦合器件)相機、風(fēng)洞實驗段、脈沖激光光源、同步控制器、納米粒子發(fā)生器。NPLS系統(tǒng)工作時，納米粒子發(fā)生器向風(fēng)洞實驗段流場中均勻投放納米粒子；待觀察區(qū)段內(nèi)建立所需流場之后，同步控制器控制脈沖激光光源發(fā)射激光的時序與CCD相機同步，保證納米粒子受到激光照射后發(fā)生散射時，CCD相機處于拍攝狀態(tài)，以便記錄下圖像。 NPLS系統(tǒng)主要通過CXD相機捕捉納米粒子的散射光的強度信號成像。然而，利用該NPLS系統(tǒng)及方法散射光強空間分布不可調(diào)，無法使散射光強最大的方向?qū)?zhǔn)CCD相機，拍攝的流動顯示圖像信噪比低，難以辨認(rèn)流場精細(xì)結(jié)構(gòu)，因而不便于分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)及其成像方法，以解決現(xiàn)有NPLS試驗系統(tǒng)成像圖像信噪比低的問題。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)，包括激光器，激光器安裝有與入射激光波長相應(yīng)的1/2波片，1/2波片可繞1/2波片的軸向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)。進一步地，激光器包括導(dǎo)光臂，導(dǎo)光臂任意位置處設(shè)置套筒，1/2波片安裝于套筒內(nèi)。進一步地，導(dǎo)光臂包括相連的第一導(dǎo)光臂和第二導(dǎo)光臂，套筒容于第一導(dǎo)光臂內(nèi)并與第二導(dǎo)光臂相接。進一步地，第一導(dǎo)光臂內(nèi)壁沿周向設(shè)置面向第二導(dǎo)光臂的一側(cè)開放的第一凹槽； 第二導(dǎo)光臂的外壁沿周向設(shè)置面向第一導(dǎo)光臂的一側(cè)開放的第二凹槽；第一凹槽可轉(zhuǎn)動套設(shè)于第二凹槽外，套筒的相對兩端分別頂接于第一凹槽的側(cè)壁和第二導(dǎo)光臂的一端。
3
進一步地，套筒包括第一套筒和收容于第一套筒內(nèi)的第二套筒；第一套筒內(nèi)壁設(shè)置一側(cè)開放的凹槽，第二套筒收容于凹槽內(nèi)，1/2波片的兩相對側(cè)分別頂接于第二套筒的一端和凹槽內(nèi)側(cè)的凸臺上。進一步地，凹槽和第二套筒的外壁設(shè)置相互配合的螺紋，第二套筒通過螺紋與第一套筒相連。進一步地，第一套筒的側(cè)壁設(shè)有通槽，通槽周向的兩側(cè)設(shè)有兩個螺孔，套筒的側(cè)壁遮擋通槽和螺孔；第一導(dǎo)光臂還包括分別穿過螺孔的兩固定螺釘，固定螺釘?shù)囊欢隧斀佑谔淄驳膫?cè)壁。進一步地，系統(tǒng)還包括計算機系統(tǒng)、C⑶相機、風(fēng)洞實驗段、同步控制器和納米粒子發(fā)生器；納米粒子發(fā)生器產(chǎn)生的納米級粒子為T^2 ；激光器出射端還設(shè)置有片光器。本發(fā)明的另一方面還提供了一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)成像方法，該方法包括以下步驟開啟納米示蹤粒子發(fā)生器向風(fēng)洞實驗段投放納米示蹤粒子；同步控制器發(fā)出控制信號打開激光器照亮風(fēng)洞實驗段流場；CCD相機收到同步控制器發(fā)出的控制信號后拍攝曝光，獲得圖像，并判斷所獲得圖像信噪比；如果所獲得圖像不能清晰辨認(rèn)風(fēng)洞實驗段中流場精細(xì)結(jié)構(gòu)，則調(diào)節(jié)1/2波片的位置，使得激光透過所述1/2波片照射風(fēng)洞實驗段后再次在CXD相機上成像，并判斷圖像信噪比；直到所獲得圖像能清晰辨認(rèn)風(fēng)洞實驗段中流場精細(xì)結(jié)構(gòu)，則固定1/2波片位置， 并將CCD相機所獲得圖像傳輸至計算機系統(tǒng)儲存。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明利用激光瑞利散射原理提供了一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)，使得納米示蹤粒子的散射光強空間分布可調(diào)，當(dāng)調(diào)節(jié)至散射光強最大的方向?qū)?zhǔn)CCD相機時，所獲得的流場NPLS圖像信噪比最高，結(jié)果如圖7所示。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。 下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。


構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1是本發(fā)明優(yōu)選的實施例信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)連接示意圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選的實施例中導(dǎo)光臂組裝立體示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選的實施例中導(dǎo)光臂組裝主視示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選的實施例中導(dǎo)光臂組裝主視剖視示意圖；圖5是本發(fā)明優(yōu)選的實施例中第一導(dǎo)光臂主視剖視示意圖；圖6是本發(fā)明優(yōu)選的實施例中套筒主視剖視示意圖；圖7是采用本發(fā)明優(yōu)選的實施例中信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)所得超聲速混合層轉(zhuǎn)捩過程K-H不穩(wěn)定渦隨時間演化過程示意圖；以及
4
圖8是使用本發(fā)明優(yōu)選的實施例的成像方法流程示意圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明提供的信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)1、 CXD相機2、激光器4、同步控制器5、納米粒子發(fā)生器6和風(fēng)洞實驗段3。風(fēng)洞實驗段3包括一段光學(xué)窗口 31，光學(xué)窗口 31四壁為光學(xué)玻璃圍成。納米粒子發(fā)生器6投放的納米粒子跟隨高速流場進入風(fēng)洞，在流場中均勻撒播。 納米粒子發(fā)生器6的投放口正對風(fēng)洞實驗段3的一端進氣口，投放納米示蹤粒子。本實施例中，所用示蹤粒子為TiO2納米粒子。在其它實施例中，所用納米示蹤粒子可以為聚苯乙烯、Al2O3但不限于此。同步控制器5分別連接激光器4、(XD相機2和計算機系統(tǒng)1。計算機系統(tǒng)1對同步控制器5發(fā)出指令，再由同步控制器5控制激光器4和CXD相機2工作。CXD相機2的鏡頭正對風(fēng)洞實驗段3的光學(xué)窗口 31，以便于接收風(fēng)洞實驗段3內(nèi)納米示蹤粒子反饋的散射光強信號，從而成像。激光器4設(shè)有位于光學(xué)窗口 31上方的導(dǎo)光臂41。導(dǎo)光臂41包括一位于光學(xué)窗口 31上方并正對光學(xué)窗口 31的激光出射口 42。請結(jié)合參考圖2 4，導(dǎo)光臂41任意位置處可截斷為第一導(dǎo)光臂400和第二導(dǎo)光臂401，第一導(dǎo)光臂400和第二導(dǎo)光臂401均為管型。第一導(dǎo)光臂400的第一端收容于第二導(dǎo)光臂401的第一端內(nèi)。第一導(dǎo)光臂400的第一端內(nèi)壁設(shè)置一端開放的第一凹槽403，第一導(dǎo)光臂400靠近端口的第一凹槽403表面設(shè)置內(nèi)螺紋，第二導(dǎo)光臂401的第一端外壁設(shè)置一端開放的第二凹槽，第二導(dǎo)光臂401的第二凹槽外壁設(shè)置外螺紋，第二凹槽與第一凹槽403配合并通過內(nèi)、外螺紋將第一導(dǎo)光臂400和第二導(dǎo)光臂401相連。內(nèi)裝設(shè)有1/2波片412的套筒40容于第一導(dǎo)光臂400的第一凹槽403內(nèi)并與第二導(dǎo)光臂401的第一端頂接。套筒40的內(nèi)壁與第一導(dǎo)光臂400和第二導(dǎo)光臂401的內(nèi)壁對齊。參見圖5，第一導(dǎo)光臂400的周緣設(shè)有貫通該第一導(dǎo)光臂400內(nèi)外側(cè)的通槽402。 通槽402設(shè)置于第一套筒400中部。套筒40的側(cè)壁遮擋通槽402，操作者透過通槽402可撥動套筒40的側(cè)壁，以使套筒40在第一導(dǎo)光臂400內(nèi)轉(zhuǎn)動。第一導(dǎo)光臂400的側(cè)壁相對地設(shè)置有兩個螺孔。兩個固定螺釘413穿過該螺孔。當(dāng)需要固定1/2波片412位置時，擰緊固定螺釘413，使固定螺釘413的一端頂接于套筒40的側(cè)端以將1/2波片412固定于第一導(dǎo)光臂400內(nèi)。參見圖6，套筒40為圓筒型，包括第一套筒404和收容于第一套筒404內(nèi)的第二套筒405。第一套筒404的內(nèi)壁設(shè)置一端開放的凹槽，凹槽延伸至第一套筒404中部，凹槽內(nèi)側(cè)形成凸臺411，1/2波片412的一側(cè)與凸臺411相接。凹槽表面設(shè)置內(nèi)螺紋，第二套筒405 外壁設(shè)置與上述內(nèi)螺紋配合的外螺紋。第二套筒405通過螺紋擰入第一套筒404內(nèi)，并將放置于凸臺411上的1/2波片412卡接住。當(dāng)激光器4產(chǎn)生的準(zhǔn)直柱狀激光經(jīng)片光器后形成片狀光源，照射至帶有納米示蹤粒子的風(fēng)洞實驗段內(nèi)的流場時，納米示蹤粒子產(chǎn)生散射光。散射光信號被CCD相機2接收，并成像，從而使“看不見、摸不著”的高速流場成為“可見、可測”的圖像顯示出來。CCD相機 2所接受到的散射光信號強弱決定了所得圖像的信噪比高低。根據(jù)Mie理論可知，納米粒子對垂直偏振光的散射信號隨散射角的變化不明顯，但對平行偏振光的散射信號隨散射角改變明顯，當(dāng)散射角為0°或180°時，平行偏振光的散射信號達(dá)到極大值，散射角為90°和 270°時，平行偏振光的散射信號為零。對于NPLS試驗系統(tǒng)來說，所用激光為線偏振光，散射角為90°，故激光平行于散射面的偏振光對粒子散射信號沒有貢獻，只有垂直散射面的偏振光能影響粒子散射信號。為使CCD相機2接受到粒子散射信號一直處于最大值，可通過調(diào)節(jié)套筒40中的1/2波片412，將片狀激光的偏振方向從平行于散射面調(diào)整到垂直于散射面。在此過程中，粒子散射光強逐漸增大，并在二者相互平行時為零，二者相互垂直的時候達(dá)到最大。在此調(diào)節(jié)過程中，可多次成像，以便尋找到所獲得圖像信噪比最高時1/2波片 412的位置。調(diào)節(jié)1/2波片412時，松釋固定螺釘413。CXD相機2接收同步控制器5的指令， 開始曝光成像。手指或操作件伸入通槽402，并撥動套筒40的側(cè)壁使套筒40在第一導(dǎo)光臂 400內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而帶動1/2波片412轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動1/2波片412過程中，CXD相機2不斷成像并在計算機系統(tǒng)1上實時顯示。調(diào)節(jié)初期，每次1/2波片412轉(zhuǎn)動的角度可較大，以便快速尋找到成像高信噪比區(qū)，當(dāng)所得圖像信噪比逐漸提高后，繼續(xù)對1/2波片412進行微調(diào)， 此時每調(diào)節(jié)一次1/2波片412轉(zhuǎn)動的角度較小。一直調(diào)節(jié)1/2波片412直至無論向1/2波片412的任一側(cè)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，所成圖像的信噪比均下降時止，此時1/2波片412所處位置為圖像信噪比最高點。此時停止轉(zhuǎn)動1/2波片412并擰緊固定螺釘413使其卡住1/2波片412， 以繼續(xù)后續(xù)實驗。本實施例中，所用納米示蹤粒子為Ti02但不限于此，所用激光波長為532nm但不限于此。所選用1/2波片412與入射激光波長相應(yīng)。導(dǎo)光臂41的激光發(fā)射口 42加裝片光
ο片光器為任何能將準(zhǔn)直光源通過折射轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罟庠吹墓鈱W(xué)元件。具體的，片光器可為內(nèi)腔安裝柱透鏡和凸透鏡的套筒，柱透鏡和凸透鏡重疊放置，套筒一端具有螺紋，可連接于導(dǎo)光臂41的一端。準(zhǔn)直激光通過片光器內(nèi)重疊放置的柱透鏡和凸透鏡后，被轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罴す?。該片光器為市售。采用本?yōu)選實施例中信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)工作，所得圖像如圖7所示，通過加裝并調(diào)節(jié)1/2波片使得圖像信噪比得到了明顯的提高。請結(jié)合參照圖8，使用本發(fā)明提供的信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)成像的方法有以下幾個步驟Sl 開啟納米粒子發(fā)生器6，向風(fēng)洞實驗段3投放納米示蹤粒子，納米粒子發(fā)生器6 一直保持開啟狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)洞實驗段3內(nèi)充滿納米示蹤粒子后繼續(xù)后續(xù)步驟。S2 S5 打開激光器4，通過導(dǎo)光臂41將激光引導(dǎo)至風(fēng)洞實驗段3上，照亮風(fēng)洞實驗段3中的流場。之后，第一導(dǎo)光臂400兩側(cè)的固定螺釘413松開，多次轉(zhuǎn)動1/2波片412， 尋找到所獲得圖像信噪比最高點時止。1/2波片412的調(diào)節(jié)方法在結(jié)構(gòu)部分已詳細(xì)描述，在此不再詳細(xì)描述。S6 通過固定螺釘413將1/2波片412的固定在圖像信噪比最高點處，并將高信噪比的流動顯示圖像從CXD相機2緩存中傳輸至計算機系統(tǒng)1中儲存。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)，包括激光器G)，其特征在于，所述激光器 (4)安裝有與入射激光波長相應(yīng)的1/2波片012)，所述1/2波片012)可繞所述1/2波片 (412)的軸向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(4)包括導(dǎo)光臂(41)，所述導(dǎo)光臂Gl)任意位置處設(shè)置套筒(40)，所述1/2波片(412)安裝于所述套筒GO)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)光臂包括相連的第一導(dǎo)光臂 (400)和第二導(dǎo)光臂001)，所述套筒00)容于所述第一導(dǎo)光臂G00)內(nèi)并與所述第二導(dǎo)光臂(401)相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一導(dǎo)光臂(400)的內(nèi)壁周向設(shè)置面向所述第二導(dǎo)光臂G01)的一側(cè)開放的第一凹槽G03)；所述第二導(dǎo)光臂G01)的外壁周向設(shè)置面向所述第一導(dǎo)光臂(400)的一側(cè)開放的第二凹槽；所述第一凹槽(40 可轉(zhuǎn)動套設(shè)于所述第二凹槽外，所述套筒GO)的相對兩端分別頂接于所述第一凹槽G03)的側(cè)壁和所述第二導(dǎo)光臂G01)的一端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述套筒00)包括第一套筒(404)和收容于所述第一套筒G04)內(nèi)的第二套筒005)；所述第一套筒G04)內(nèi)壁設(shè)置一側(cè)開放的凹槽，所述第二套筒(40 收容于所述凹槽內(nèi)，所述1/2波片(41 的兩相對側(cè)分別頂接于所述第二套筒G05)的一端和所述凹槽內(nèi)側(cè)的凸臺011)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述凹槽上和所述第二套筒(405)的外壁設(shè)置相互配合的螺紋，所述第二套筒(40 通過螺紋與所述第一套筒(404)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一套筒004)的側(cè)壁設(shè)有通槽 002)，所述通槽002)的周向兩側(cè)設(shè)有兩個螺孔，所述套筒GO)的側(cè)壁遮擋所述通槽 (402)和所述螺孔；所述第一導(dǎo)光臂(400)還包括分別穿過所述螺孔的兩固定螺釘013)， 所述固定螺釘G13)的一端頂接于所述套筒G0)的側(cè)壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括計算機系統(tǒng) (1)、CCD相機O)、風(fēng)洞實驗段(3)、同步控制器(5)和納米粒子發(fā)生器(6)；所述納米粒子發(fā)生器(6)產(chǎn)生的納米級粒子為T^2 ；所述激光器的出射口處還設(shè)置有片光器。
9.一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟，開啟納米示蹤粒子發(fā)生器(6)向風(fēng)洞實驗段(3)投放納米示蹤粒子；同步控制器(5)發(fā)出控制信號打開激光器(4)照亮風(fēng)洞實驗段(3)流場；CCD相機( 收到所述同步控制器( 發(fā)出的控制信號后拍攝曝光，獲得圖像，并判斷所獲得圖像信噪比；如果所獲得圖像不能清晰辨認(rèn)風(fēng)洞實驗段⑶中流場精細(xì)結(jié)構(gòu)，則調(diào)節(jié)1/2波片(412) 的位置，使得激光透過所述1/2波片(412)照射風(fēng)洞實驗段(3)后再次在所述CCD相機(2) 上成像，并判斷圖像信噪比；直到所獲得圖像能清晰辨認(rèn)風(fēng)洞實驗段(3)中流場精細(xì)結(jié)構(gòu)，則固定1/2波片(412) 位置，并將C⑶相機( 所獲得圖像傳輸至計算機系統(tǒng)(1)儲存。
全文摘要
本發(fā)明提供一種信噪比增強的NPLS流動顯示系統(tǒng)及其成像方法，其中該NPLS系統(tǒng)，包括激光器，激光器安裝有與入射激光波長相應(yīng)的1/2波片，1/2波片可繞1/2波片的軸向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)。利用激光瑞利散射的原理，使用該系統(tǒng)時通過調(diào)節(jié)1/2波片改變?nèi)肷浼す獾钠穹较?，從而改變散射光強的空間分布的方向性，使得散射光強最大的方向?qū)?zhǔn)CCD相機以使其接收到的散射光信號最強，從而大幅度提高NPLS系統(tǒng)所得圖像的信噪比。
文檔編號G01M10/00GK102435415SQ201110260649
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者何霖, 易仕和, 朱楊柱, 田立豐, 趙玉新, 陳植 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)