1、編號(hào)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)大一年度項(xiàng)目立項(xiàng)報(bào)告項(xiàng)目名稱： 紋影成像系統(tǒng) 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 王家輝 學(xué)號(hào)： 1161140209 聯(lián)系電話：電子郵箱： wjh722F 院系及專業(yè)： 理學(xué)院物理系光電信息科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師： 姚鳳鳳 職稱： 副教授 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部制表填表日期： 年 月 日一、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性別所在院系學(xué)號(hào)聯(lián)系電話本人簽字王家輝男理學(xué)院物理系116114020915545563849王金夢(mèng)男理學(xué)院物理系116114021118846088081劉炎武男理學(xué)院物理系11611402121884

2、6935142王思元男理學(xué)院物理系116114022318846657105二、指導(dǎo)教師意見 簽 名： 年 月 日三、項(xiàng)目專家組意見 批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)： 元 組長(zhǎng)簽名： （ 學(xué)部蓋章 ） 年 月 日9（一）立項(xiàng)背景紋影成像是利用光在被測(cè)流場(chǎng)中的折射率梯度正比于流場(chǎng)的氣流密度的基本原理進(jìn)行測(cè)量的，廣泛用于觀測(cè)氣流的邊界層、燃燒、激波、氣體內(nèi)的冷熱對(duì)流以及風(fēng)洞或水洞流場(chǎng)。紋影儀，是根據(jù)光線通過不同密度的氣流而產(chǎn)生的角偏轉(zhuǎn)來顯示其折射率，是一種測(cè)量光線微小偏轉(zhuǎn)角的裝置。它將流場(chǎng)中密度梯度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浧矫嫔舷鄬?duì)光強(qiáng)的變化，使可壓縮流場(chǎng)中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區(qū)域成為可觀察、可分辨的圖像。紋影成像，

3、又稱紋影技術(shù)，包括黑、白紋影法，彩色紋影法和干涉紋影法，是用紋影系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)顯示和測(cè)量的最常用的光學(xué)方法。紋影法首先由Toepler于1884年提出，并應(yīng)用在光學(xué)玻璃折射率的檢測(cè)中。1952年 ，Holde和Norht在紋影系統(tǒng)上使用白光的分光棱鏡 ，實(shí)現(xiàn)了彩色紋影成像，擴(kuò)大了紋影技術(shù)的應(yīng)用范圍；1962年，Bland和pelick用紋影法研究了水的壓力和溫度效應(yīng)后指出，紋影法實(shí)用于水洞 的流場(chǎng)顯示；1974年 ，Merzkirch對(duì)可壓縮流場(chǎng)中的紋影技術(shù)進(jìn)行了分類，把涉及到在紋影系統(tǒng)上進(jìn)行的干涉紋影法的研究 ，包括光柵干涉、棱鏡干涉以及Moire條紋干涉等 ，均歸類于紋影技術(shù) ,并

4、得到同行的認(rèn)可。紋影技術(shù)作為非接觸式流場(chǎng)可視化手段已存在近百年，廣泛應(yīng)用于射流、空氣動(dòng)力學(xué)和傳熱等研究領(lǐng)域。 然而在實(shí)際應(yīng)用中，紋影通常僅作定性觀察和分析，極少作為定量化的測(cè)試手段。 這主要有個(gè)原因：首先，影響紋影圖像灰度的因素很多，如光源強(qiáng)度、玻璃透射率、測(cè)試區(qū)厚度等，導(dǎo)致難以建立圖像與待測(cè)物理量之間的定量關(guān)系；其次，紋影圖像反映折射率的一階導(dǎo)數(shù)場(chǎng)，提取數(shù)據(jù)困難。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是圖像處理技術(shù)的發(fā)展，紋影的定量化測(cè)量逐漸成為了可能。國(guó)外，Agrawal等利用彩色紋影得到了火焰的溫 度 場(chǎng) 。Hargather等對(duì) “”字 形 紋 影 、彩 色 紋 影和背景紋影（BOS）在平板傳熱實(shí)

5、驗(yàn)中的定量化進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示3種紋影技術(shù)在平板傳熱試驗(yàn)中都可以達(dá)到很好的精度。 國(guó)內(nèi)，葉繼飛等利用彩色紋影對(duì)密度場(chǎng)進(jìn)行了定量化測(cè)量。 周昊等采用背景紋影對(duì)火焰溫度進(jìn)行了定量化測(cè)量。對(duì)于紋影系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用則很有意義。不管什么飛機(jī)，包括隱身飛機(jī)，在空氣中飛行的時(shí)候，都會(huì)引起相對(duì)平靜的氣流的劇烈擾動(dòng)，就如同高速快艇在水面上飛馳，掀起一道白色的波浪一樣。飛機(jī)對(duì)氣流的擾動(dòng)，會(huì)形成巨大的尾渦流，這些渦流會(huì)在空中保持很長(zhǎng)一段時(shí)間，因此，機(jī)場(chǎng)上客機(jī)的飛機(jī)起飛必須間隔一段時(shí)間，以使后面的飛機(jī)避開前面飛機(jī)的渦流，避免發(fā)生飛機(jī)失控的事故。飛機(jī)的渦流是如此的巨大和持久，雖然用肉眼看不見，但是在紋影攝像機(jī)面前，就如

6、同平靜水面上的劃過的波浪一樣清晰。紋影攝影反隱身正是基于這個(gè)原理。紋影攝像機(jī)雖然看不見隱身飛機(jī)，但可以清晰的看見飛機(jī)飛行產(chǎn)生的空氣渦流軌跡，而這個(gè)渦流軌跡是無法用現(xiàn)有技術(shù)消除的，在攝像機(jī)上，就像藍(lán)天上飛機(jī)的尾氣云一樣明顯。任何飛機(jī)，都無法擺脫被發(fā)現(xiàn)的命運(yùn)。雖然隱身飛機(jī)對(duì)自己的尾氣進(jìn)行了很多技術(shù)處理，比如添加特殊的化學(xué)物質(zhì)來降低尾流的溫度，采用特殊的噴射途徑，使其迅速與周圍的空氣混合，如此等等。通過降低紅外信號(hào)特征，來實(shí)現(xiàn)難以被探測(cè)的目的。但是，它無法改變的是，尾流會(huì)加熱周圍的空氣，使飛機(jī)飛過的地區(qū)溫度明顯高于天空背景的溫度。因此，改進(jìn)紋影攝像機(jī)，使其工作的波段處于中遠(yuǎn)紅外的波段，在紅外紋影攝像

7、機(jī)面前，夜空中隱身飛機(jī)擾動(dòng)的氣流軌跡，就像夜空中流星的軌跡一樣明顯，隱身就根本無從談起。如果將紅外紋影攝像機(jī)，結(jié)合被動(dòng)光學(xué)測(cè)距技術(shù)，就可以對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行有效的定位，多個(gè)紋影攝像機(jī)連接成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，就能對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行持續(xù)的跟蹤，并引導(dǎo)自己的飛機(jī)和防空導(dǎo)彈消滅隱身飛機(jī)。目前，人們已經(jīng)在這方面已經(jīng)有了一些進(jìn)展，但是能使用的紋影成像系統(tǒng)還不甚完善精度也不夠，本組的主要目的就是做出一套完整的紋影成像的裝置并看到清晰精確的圖像。由此可見，紋影成像技術(shù)未來的研究趨勢(shì)主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的描述和對(duì)空氣密度改變的檢測(cè)。未來，紋影成像技術(shù)主要應(yīng)用于反隱身飛機(jī)，風(fēng)洞的氣流研究和高速激波的研究。 以上即為紋影成像系統(tǒng)的背

8、景與意義。（二）項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 為了更簡(jiǎn)單的解釋紋影成像的原理，這里假設(shè)折射率對(duì)y的偏導(dǎo)n/y<0,并且對(duì)x，z的偏導(dǎo)數(shù)為零。如上圖一組平行光射入，在不同高度的光線進(jìn)入不同的折射率介質(zhì)時(shí)，由于光速不同，根據(jù)惠更斯原理有光線的波陣面會(huì)偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致光線傳播方向發(fā)生片狀，偏轉(zhuǎn)的角度設(shè)為，則由圖中幾何關(guān)系有=c/n2-c/n1y而t=z n/c，代入后化簡(jiǎn)得=nn1n2n1-n2yz又n1n2n，所以ddz=1nny由于是小角度，所以有=dy/dz,代入有2yz2=1nny上式說明了光路的彎曲與介質(zhì)折射率梯度之間的關(guān)系。在紋影圖像上的某些特定的位置可以找到這些由于光線彎曲而生成的“像”。其對(duì)應(yīng)光

9、線的方向可通過上式積分得到y(tǒng)=1nnyz接下來是具體實(shí)施方案和研究?jī)?nèi)容。紋影成像系統(tǒng)研究的內(nèi)容具體系統(tǒng)如圖（1）。圖（1）（三）實(shí)施方案及進(jìn)度安排紋影光路圖    實(shí)驗(yàn)使用平行光，反射式的光學(xué)成像帶有軸外光線成像造成的慧差和像散兩類相差，采用“Z”形光路布置，并調(diào)整刀口，可以減少或消除這兩類像差。 紋影系統(tǒng)調(diào)節(jié)  光路（1） 點(diǎn)光源由燈泡和凸透鏡組成，聚焦光束經(jīng)過平面反射鏡1反射到凹面反射鏡1上，（2）光程為凹面反射鏡的焦距，平行光經(jīng)過隔離段入射到另一邊的凹面反射鏡2，它將光束反射到平面反射鏡2，再反射到攝像機(jī)。 調(diào)節(jié)步驟（1）調(diào)整凹

10、面反射鏡和隔離段的水平位置，使兩凹面反射鏡的中心線與隔離段中心線在同一水平面上；（2）打開電燈，調(diào)節(jié)凸透鏡及平面反射鏡1的位置，使聚焦光束到凹面反射鏡的 距離為凹面鏡焦距；調(diào)節(jié)凹面反射鏡1的俯仰度，使反射光照在凹面反射鏡2的中間位置；（3） 調(diào)節(jié)凹面反射鏡2的俯仰度以及平面反射2的位置使平面鏡能將光反射到照相機(jī)上；（4）調(diào)整照相機(jī)的位置以獲取適當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量。  注意事項(xiàng)（1）凹面反射鏡1、2的水平中心線與隔離段中心線必須在一個(gè)平面上，這是難點(diǎn)所在，可利用水平儀，激光等設(shè)備輔助調(diào)節(jié)。（2）保證凹面反射鏡1和2上的光斑（圓）一樣大，即光線平行。（3）點(diǎn)光源入射路線與反射路線需成

11、等腰三角形構(gòu)造，這要求平面反射鏡1的角度需適中。進(jìn)度安排：2016.112016.12查閱文獻(xiàn)，了解工作原理，進(jìn)行可行性論證2016.122017.02進(jìn)行光路圖的設(shè)計(jì)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)整理2017.022017.04進(jìn)行裝置的制作與組裝，并進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)2017.042017.05用已組裝出的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并拍攝照片2017.052017.06總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫結(jié)題報(bào)告。（四）中期及結(jié)題預(yù)期目標(biāo)中期預(yù)期目標(biāo)為：做出較為完整的系統(tǒng)和完成光路圖的設(shè)計(jì)結(jié)題目標(biāo)為：可以看到清晰的紋影圖像并有實(shí)際應(yīng)用。(五）經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃購(gòu)買儀器、鏡片、平行光源等：1500元。其他（工具費(fèi)用，軟件注冊(cè)費(fèi)用）：1000元(六)主要參考文獻(xiàn)1:Nicolas Degen An Overview on Schlieren Optics and its Applications2012-7-142:Visualizing the invisible: the construction of three low-cost schlieren imaging systems for the undergraduate laboratory 2008-6076173:Nicolas Degen An Overview on Schli