纹影技术中光源的选择与设计方法

叶继飞，金 燕，吴文堂，蒋冠雷

（1.装备指挥技术学院基础部 北京 101416；2.装备指挥技术学院士官系 北京 102249）

纹影技术中光源的选择与设计方法

叶继飞1，金 燕2，吴文堂1，蒋冠雷1

（1.装备指挥技术学院基础部 北京 101416；2.装备指挥技术学院士官系 北京 102249）

在纹影技术应用过程中，纹影光源的性能一定程度上决定了拍摄结果的优劣。不同种类的光源，得到的拍摄效果不同，对于某种特定拍摄需求，光源的选择和设计也不同。如何选择和设计合适的纹影光源，对于最终拍摄结果的好坏至关重要。结合纹影技术在工程实际中的应用，分析了不同被测对象对光源的需求，总结了几种常见光源的应用情况及其特点，提供了一种光源参数设计的方法。在实验室典型超声速自由射流流场测量中，对卤钨灯、氙灯和激光3种纹影光源的应用进行了对比分析。所提出的纹影光源的选择与设计方法，具有一定的工程实验参考价值。

纹影；光源；曝光量；高速相机；自由射流

0 引 言

在众多流动显示技术中，纹影技术一直是最为清晰、直观的显示手段之一，广泛应用于各种高速流动现象的观测环境中。纹影显示技术是一种经典的流场显示手段，然而直至今日纹影技术从未停止过发展，各种不同的纹影技术层出不穷，如彩色纹影技术、聚焦纹影技术等［1－2］。特别是近代计算机技术与电子器件的革新与发展，为纹影系统装置的完善和改进，提供了更多的选择和手段。在纹影系统中，光源的光束质量、发光强度和光谱特性等属性，对整个系统的灵敏度和成像质量有着重要的影响［3］。根据不同的拍摄需求，选择不同属性的光源，结合相机工作方式和性能，进行感光度和曝光量设计，以期达到最佳的拍摄效果。

1 纹影光源的需求与特点

纹影系统包括光源、纹影镜、刀口机构、成像组件和相机等部分，其中光源是整个系统的信号输入端，影响整个系统的观测。纹影镜对于光束的准直受光源的分布形式的影响很大，相机的拍摄时序与光源的工作方式要协调配合，与整个系统的测量需求和最终获得的结果形式都有关系。特别是纹影系统的灵敏度与纹影镜焦距和刀口切割光源大小有直接关系，纹影镜焦距越大，刀口挡掉光源部分越大，纹影系统灵敏度越高；另外，阴影系统的清晰度与光源尺寸的大小也有密切关系，光源尺寸越小，准直镜焦距越大，清晰度越高。因此，纹影光源的选择与设计，对纹影系统来讲至关重要。

通常所面临的被观测流动现象，从基本的拍摄条件角度来分类，可以有如下几种情形：单次拍摄和连续拍摄、低速流动和高速流动，以及有自发光和无自发光流场。下面就这几种分类情况说明对应的纹影光源的需求和特点。

（1）单次拍摄和连续拍摄

单次拍摄是指对某一时间段内流场的特征感兴趣，相机只对于这一时间段内的流场进行一次曝光，所冻结流场为相机曝光时间内的光源通过流场的积分。对于光源来讲，需要在相机曝光时间内，实现足够的曝光量使指定感光度的相机底片得到最佳的曝光效果。

连续拍摄是指在一个时间序列内的被测流场都是需要获得的测量对象的情况下，相机以指定的拍摄频率和曝光时间进行多次曝光，每次曝光采集一幅图像，最终获得一个时间序列的纹影图像结果。纹影光源需要有对相机底片持续提供一定照度的能力，可以是连续光源，也可以是脉冲频闪光源。

（2）低速流动和高速流动

低速流动是指所关心的被测对象特征以相对较低的速度（速度快慢的界定与相机的捕获能力和曝光时间的长短有关）在被测区域内显现的流动现象。这里所特别说明的是，低速或高速的对象是指被测对象某一特征而不是被测对象本身。结合纹影系统来讲，无论是系统中装置的选择，还是系统参数的设计都有明显的不同。

对于低速流动现象的观测，流动现象特征随时间变化不剧烈，需要的时间分辨率不高，相对来讲，对于单次拍摄曝光时间可以设计的比较长，而往往低速流动状态下，所关心的时间序列较长，需要进行连续拍摄，因此纹影光源可以选择亮度不高的连续光源，或者是亮度相对较高的频闪光源。

相对来讲，高速流动现象需要的时间分辨率较高，获取一幅数据的单次拍摄曝光时间较短，因此光源需要选择亮度较高的脉冲光源。如果对于高速流动现象的时间序列比较感兴趣，则需要采用亮度较高的、并且能够在感兴趣的时间序列内持续工作的脉冲频闪光源或高功率激光光源。同时相机的拍摄方式要与之相配合，以使得每一次单次拍摄得到足够的曝光量。

（3）有自发光和无自发光流场

自发光的被测对象通常是指被测流场内部有燃烧、爆炸或高温等现象，一般这种自发光光谱范围较宽，发光强度较大。当自发光在相机底片上大量曝光时，其对测量结果的影响较大，会使图像中有效信息淹没，甚至产生局部区域的过度曝光，使数据遭到破坏。

一般有如下几种方法来解决自发光带来的流场观测问题：一是利用自发光的光谱特性，选取某一单色光作为光源，采用单色滤光片将其它谱段的光滤掉，只保留光源单色光通过流场进入成像系统和相机。当然，自发光中与光源同谱段的光也会成像在底片上，但是由于滤光片已将其它光谱光滤掉，这部分透过光强度已经很低，通常可以忽略；二是利用纹影光路和自发光发光特点，使纹影镜及后面成像部分远离被测对象自发光区域，随着距离的增加，自发光的干扰呈指数减小，而纹影光路中通过被测区域的是平行光场，理论上可以是无穷远，距离的增加并不会对测量产生影响；另外，缩短曝光时间也是减小自发光干扰的手段之一，这里则需要亮度足够高的光源作为保障，使得在足够小的曝光时间内既使自发光在底片上的曝光量达到可以忽略的水平，又使得纹影光源提供的光能够实现足够曝光量。

2 光源的种类与选择

根据纹影光源的需求与特点可以知道，光源的选择有较大的余地，具体测量环境和需求不同，光源的选择及其工作方式的设计也不同。光源的分类方式有多种，按照光源的发光机理来分类，可以分为爆炸光源、放电光源和激光光源等；按照光源的工作方式来分类，可以分为连续光源、脉冲光源和频闪光源；按照光源光谱特性来分类，可分为单色光源和连续谱光源等等。比如，卤钨灯光源是一种常用的纹影光源，钨灯丝通电热辐射发光，通常以连续辐照的方式工作，光谱范围宽，属于连续谱光源。

常用的纹影光源主要有如下几种：爆炸光源、卤钨灯光源、激光光源、氙灯光源、发光二极管，以及电火花等其它击穿介质方式发光的光源。

（1）爆炸光源。早期为了实现较高亮度的点光源照明，采用的是爆炸光源，这种光源虽然亮度较高、光谱范围较好，但是其成本偏高且具有一定的破坏性，使得实验装置只能使用一次，拍摄过程对同一条件无法重复。随着光电子技术的发展，逐渐用其它工作方式的光源取代爆炸光源，现在很少采用这种方法。

（2）卤钨灯光源。卤钨灯光源属于热辐射光源，发光亮度较普通照明光源较高，光谱连续平滑，只需简单的调压即可连续工作，亮度连续可调，使用寿命较长，灯丝形状可以设计，是比较常用的纹影光源。根据实验经验，卤钨灯（300W，24V）比较适宜应用于百微秒级曝光量的测量中，当流场特征变化更快时，曝光时间更短情况下，卤钨灯则不能提供足够的照度。

（3）氙灯光源。氙灯光源属于放电光源，具有亮度更高，光谱范围较宽、光学及电学参数容易调节，以及可重复使用等优点。氙灯可以连续工作，也可以脉冲方式工作，是利用氙气在高压、超高压下的放电现象制成的光源［4］。对于纹影系统中的氙灯光源来讲，亮度满足曝光需求是首要的，其次考虑氙灯发光脉宽、控制电源以及同步控制等方面的问题。目前，氙灯作为纹影光源的应用比较广泛，特别是脉冲氙灯光源，具有更高的亮度，实验室所采用的脉冲氙灯光源（长弧氙灯）可以满足纳秒级的曝光需求，连续氙灯（短弧氙灯）的亮度则在微秒级的曝光时间上。氙灯最主要的问题是放电弧光不稳定，发光面积较大，静态和动态下都会产生一定的模糊［4］。当然，可以通过增加光阑的方法减小光源发光面积，但会损失一定的光通量。

（4）激光光源。激光光源具有亮度高、方向性强、单色性好和易于准直等优点，能够连续提供强度很高的、单色性很好的激光光束。在成像系统前面加入与激光光源波长对应的窄带滤光片，可以过滤流场内部或其它波长杂散光的干扰，而进入成像系统和相机，与激光波长相近的自发光或杂散光，其强度与激光强度相比是微弱的，影响通常可以忽略［5］。作为纹影激光光源，主要考虑的是激光功率，即激光强度的问题。功率低得到的亮度可能不够，功率高时则需要采用额外的衰减装置，其成本相对较高。实验室采用50mW（532nm）激光光源，获得的比较适宜的曝光量是在微秒量级时间尺度上。激光光源主要问题是，激光相干性好，易产生衍射光斑，一定程度上干扰图像中有用信息，不利于图像的数据处理。为减小衍射的影响，激光光源刀口通常需要采用渐变密度片，这使得系统灵敏度有所降低，但是系统的其它性能有所提高，如测量范围相对扩大等，需要综合需求权衡考虑设计。

（5）电火花和击穿介质发光光源。电火花光源属于一种脉冲放电光源，利用高电压击穿空气时的发光现象照明。其突出特点是，发光亮度高，光谱范围较宽。另外，也有采用激光聚焦击穿空气的等离子体发光实现照明的，其亮度可以通过注入激光能量的大小来实现一定范围内的调节。电火花光源和激光击穿光源发光时间都比较短，可以实现百纳秒到微秒量级的闪光，峰值亮度很高，光色接近白光，发光可控性较好，易于同步控制。其主要的问题与脉冲氙灯一样，发光面积较大，发光在时间和空间上都存在不稳定性，光源经过纹影镜准直效果较差，不利于成像。

（6）发光二极管。随着半导体技术的不断发展，发光二极管（LED）作为纹影光源成为一种新的趋势［6］。其特点是单色性好，发光面积小，近似点光源，易于准直，成本低廉，可实现任意开关控制，并且发光二极管通常封装在类似透镜的塑料中，其发散角在15°左右，正好适合纹影光源使用［7］。另外，LED光源主要的优势在于其光能上升沿和下降沿较陡，实验室采用的美国CREE Q5－WC单管正白光LED，额定功率1W，光通量约100lm，其光能上升时间和下降时间只有约20μs。主要的缺点是单个发光二极管亮度不够（光通量一般只有几十流明），通常需要集束成一定形状使用。对于典型的纹影系统而言，所需要的光源是线光源，发光二极管集束成线形，既能够适合纹影系统要求，又能够实现亮度增强。如何更好地应用发光二极管作为纹影系统光源，集束形状的设计是关键。

3 光源参数设计与分析

光源参数的设计与光源的种类和特点、拍摄需求，以及相机工作模式等诸多因素都有关系。光源的设计参数主要有额定功率、发光效率以及光谱范围等。为了获得最佳的曝光量，需要多对光源的各项参数进行设计和计算。不同种类的光源的设计参数略有区别，这里以较为常见的氙灯光源为例，假定拍摄条件来选取和设计光源参数。

由于数字式高速相机的技术越来越成熟，分辨率越来越高，动态范围越来越大，而且体积小、工作方式灵活、易于操作和数据采集，逐渐取代了胶卷底片式的高速相机。为了沿用传统胶卷相机的行业标准，一些数字相机中的参数与传统胶卷相机是对应的。其中，较为重要的是感光度（ISO），在传统胶卷相机上，ISO代表感光速度的标准，在数字相机中ISO定义和胶卷相同，代表着感光元件的感光速度，ISO数值越高就说明该感光材料的感光能力越强。

感光度S的计算公式为

式中，H为曝光量，单位是勒克斯·秒（lx·s）。曝光量的计算公式为

其中，L为照度，单位是勒克斯（lm／m2），t为曝光时间。假定相机CCD或COMS的尺寸大小为a，所需到达相机感光底片的光通量φ1为

其中，光通量单位为流明（lm）。光源光路整形部分、纹影系统的反射以及发光时间与曝光时间的不同等方面，都会带来光损失。假定到达相机的光通量与总发光光通量的比值为α，光源总的辐射光通量φ0为

不同波长的光，单位时间能量辐射的光通量不同。假定辐射通量转化为光通量的效率为η1，单位为流明每瓦（lm／W），由于氙灯光谱特征，其光功率转化为光通量的效率较低，通常取30～60lm／W。因此，所需要的光功率P1和能量J1为

其中，τ为光源发光时间。

就不同种类、不同型号的氙灯而言，通电功率转化为辐射光功率的效率是不同的。假定所选取的某种氙灯电通量转化为辐射通量的效率为η0，则氙灯驱动器电源所提供的总的电功率和能量为

假定氙灯以脉冲方式工作，脉冲电源电压设置为U，电容为C，放电脉宽即为发光时间τ。电功率和能量为

由上可知，对于给定纹影系统、相机和脉冲氙灯，设定相机感光度和曝光时间，即可以确定脉冲氙灯放电电压。相反地，确定相机和光源参数情况下，可以选择最佳的曝光时间。

实验室针对超声速自由射流现象典型流动情况，选取了几种光源进行对比拍摄。超声速喷嘴为美国Parker公司的脉冲式超声速喷嘴，由耐冲击腐蚀不锈钢材料构成，可提供重复性良好的高速脉冲射流，最短开关时间可达180μs，最大工作压强可达8.5 MPa，最高脉冲喷射频率可达250Hz，其实物及机械装配图如图1所示。工作时，电枢通电，形成电磁铁，将主弹簧压缩，拉起提升阀门，高压气体通过射流出口射出；电枢断电后，主弹簧恢复，推动提升阀门，压紧射流出口，射流中断。

整个实验系统工作示意图如图2所示，纹影系统采用经典的“Z”字形方式布置，纹影镜为Φ300mm球面反射镜，焦距3000±10mm；高速相机为PCO公司的HSFC－PRO型超高速增强型分幅相机，最小曝光时间可达3ns；光源选取连续卤钨灯、脉冲氙灯和激光光源3种进行比对。

图1 超声速喷嘴实物与装配图Fig.1 Supersonic nozzle and mechanical drawing

图2 超声速自由射流流场测量实验系统示意图Fig.2 Sketch of supersonic free jet experiment system

连续卤钨灯光源选取300W、24V卤钨灯，工作电压连续可调；脉冲氙灯控制器采用HSP－2－200型闪光仪，可控交流调压、电容储能放电方式工作，发光时间约为300μs（半高宽）；激光光源为连续式半导体激光器，中心波长532nm，能量50mW。不考虑射流流动的拍摄需求，获得的较好的图像曝光量情况下，卤钨灯光源曝光时间为100μs，脉冲氙灯光源和激光光源曝光时间都为500ns。实验照片如图3所示。

从实验结果来看，分析如下：（1）要达到较好的曝光效果，连续卤钨灯光源需要的曝光时间较长，要达到百微秒量级，激光光源和脉冲氙灯光源亮度相近，曝光时间在百纳秒量级；（2）曝光时间不同，成像效果明显不同，特别是对于流动速度较快的现象，曝光时间长使得流场产生了积分效应，射流马赫盘结构清晰，而其后流场明显模糊，对于较短曝光时间，湍流结构相对清晰，而马赫盘等激波结构不明显；（3）卤钨灯光源和激光光源分布形式较好，获得的灵敏度高，密度梯度变化清晰可见，而脉冲氙灯光源发光面较大，使得流场模糊，获得的密度梯度变化相对较弱；（4）不同种类光源各有特点，特别是激光光源，所拍摄的照片明显有衍射条纹，对数据的分析有一定的影响；另外，值得关注的是刀口对于成像效果影响也比较大，没有刀口即阴影观测情况，相对加入刀口的纹影观测而言，马赫盘后相对较弱的密度梯度变化不容易观测。

图3 不同光源拍摄实验结果照片Fig.3 Photographs of experiments with different light sources

4 结 论

结合典型的纹影技术应用环境，对适合纹影测量的流动对象进行了归纳和总结，提出几种典型情况下纹影光源的需求和特点；针对几种常用纹影光源，分析了各自应用的优缺点和适用条件；介绍了已知其它环境参量选取光源和设计光源参数的方法。以实验室典型超声速射流流动现象的纹影显示实验为例，对卤钨灯、氙灯和激光3种光源的实验结果进行了对比分析。所提出的方法对指导纹影实验具有一定的参考价值。

［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，谢爱民，吕治国，等.聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用［J］.实验流体力学，2009，23（3）：75－79.

［3］冯天植，刘成民，赵润祥，等.纹影技术述评［J］.弹道学报，1994，5（2）：89－95.

［4］赵 娟，曹科峰，曹宁翔，等.脉冲氙灯放电闪光仪［J］.研究与开发，2009，28（6）：52－58.

［5］王昌建，徐胜利，费立森，等.弯管内爆轰波传播的流场显示和数值模拟［J］.力学学报，2006，38（1）：9－15.

［6］吴国俊，何俊华，吴玲玲，等.发光二极管在高速纹影仪中的应用［J］.中国激光，2009，36：117－119.

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

叶继飞（1981－），男，吉林辽源人，讲师，博士研究生。主要从事复杂流动显示技术方面的研究。通讯地址：北京怀柔3800信 箱 86 号 （101416）；联 系 电 话：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－halogen 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

国家自然科学基金项目（90916015）