高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

杨富荣，陈 力，苏 铁，鲍伟义，齐新华

（中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

杨富荣，陈 力，苏 铁，鲍伟义，齐新华

（中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

根据高速流动显示实验研究对高帧频图像采集设备的需要，基于分幅式光路设计原理，结合快响应像增强器和低照度CCD相机，研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机。利用高帧频数字相机，开展了高速流动显示实验研究：基于高帧频数字相机，结合纹影技术，在激波管上针对方块、凹槽模型，开展了高速流动显示实验，获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像，观察到湍流涡随时间演化发展的过程。结合一台输出功率为8W的连续激光光源和高帧频数字相机，建立了一套高速片光散射流动显示系统，获取了喷流的米氏散射序列图像。实验证明，基于高帧频数字相机的纹影及片光散射技术具备开展高速流动显示实验研究的能力。

高速相机；纹影；散射；流动显示；序列图像

0 引 言

非定常复杂流动一直是空气动力学研究的重点和难点，作为观察复杂流动现象，研究复杂流动特性，探索复杂流动规律最直观、最有效的流动显示技术，长期以来一直受到人们的高度重视，并在实验空气动力学复杂流动特性研究中发挥了重要作用［1－6］。

近年来，超声速、高超声速飞行器的研究引发了世界范围内的广泛关注，相应的流动特性成为各国研究的热点［7－9］。由于流场特征随时间变化极快，传统基于工业相机的阴影、纹影等常规流动显示技术，受采集相机拍摄帧频不够高或空间分辨率不够的限制，其流动显示结果远不能反映高速流场复杂的时间、空间特性，为完成此类高速非定常复杂流场的流动显示，迫切需要特殊的高帧频相机获取高时间、高空间分辨率的流场图像用于其流动规律研究。

根据高速复杂流动显示的特点，设计了一套2MHz帧频，最高空间分辨率为1628×1236像素的高帧频数字相机，结合纹影和片光散射技术，开展了高帧频数字相机在高速流动显示中的应用研究，获取了高时间分辨、高空间分辨高速流场变化的序列图像，清楚观察到运动激波与复杂几何边界相互作用以及高速射流瞬态结构的演变过程。

1 高帧频数字相机实现原理

高帧频数字相机的实现原理如图1所示，利用7片半反半透分光片将被测图像分为光学强度相等、光学信息与被测图像完全一致的8等份，并保持图像的空间信息，对于空间上分离的每一路图像，分别用一个门控选通像增强器和CCD相机记录，待测流场的影像成像于像增强器的光阴极，当控制像增强器开关的高压脉冲电源送入时，像增强器感光，光阴极受光产生光电子，光电子经微通道板倍增加速后轰击荧光屏形成图像。像增强器荧光屏与CCD相机之间严格避光，每一路CCD相机的实际曝光时间完全由像增强器感光时间确定，像增强器的最小选通工作时间决定了相机的成像快门时间，相邻两路像增强器的感光间隔决定了相机的拍摄帧频。在系统使用过程中，由同步控制系统给出流场和高帧频相机的运行信号。延时触发器收到同步信号后，按照需要的拍摄帧频和快门时间设置高压脉冲电路的工作时序和脉冲宽度，控制各通道像增强器的感光时刻和选通工作时间。结合高速负高压控制电路，设计了一台帧数为8帧，最高帧频2MHz的高帧频数字相机，相机的分辨率达到1628×1236像素。

图1 高帧频数字相机原理图Fig.1 Schematic of high－speed multi－frame digital camera

2 在流动显示中的应用

2.1 在纹影技术中的应用

纹影技术是研究流场的最直观最有效的手段之一，传统纹影以胶片或普通工业CCD记录图像，受时间或空间分辨率不够的限制，无法反映随时间变化极快的超声速、高超声速流场的演变过程。为获取高速流场的瞬态结构以及高时间和空间分辨的序列图像，将高帧频数字相机代替传统胶片或普通工业相机记录图像，建立了一套兆赫兹帧频的高速纹影系统，图2为高速纹影实验的光路示意图。

图2 高速纹影光路布置示意图Fig.2 Optical diagram of high－speed schlieren

在中国空气动力研究与发展中心某激波管上，针对图3所示的方块和凹槽模型，利用高帧频数字相机，开展了高速纹影流动显示实验。图4为以图3（a）所示的方块模型为研究对象，利用高速纹影技术拍摄的8帧序列图像，实验气体为干燥的空气，压力为0.1MPa，高压段驱动气体为氮气，压力为0.65MPa，实验温度为295K；高帧频数字相机的拍摄帧频设置为33kHz，每帧图像的快门时间为2μs，选择这个帧频的目的在于记录的序列图像能明显反映出流场的变化过程。从8帧序列图像可以清楚的观察到运动激波与模型相互作用的过程，前两帧图像激波还未到达方块模型，在空间自由传播，由于拍摄时间间隔30μs已知，由两帧图像可以推算出运动激波的传播速度约为438m／s。

图3 实验模型Fig.3 Experiment model

利用高速纹影技术，拍摄的凹槽模型不同时刻的8帧序列图像分别如图5和6所示。图5的拍摄帧频为16.7kHz，快门时间20μs，从序列图像可以清楚地看到流场的建立过程以及凹槽模型启动涡的产生、稳定、发展及破碎过程。

将每帧图像的快门时间缩短到3μs，相邻两图像的拍摄间隔设置为20μs（帧频50kHz），图6给出了相应的实验结果，从图中不仅可以清楚地看到运动激波与凹槽边界相互作用的演化过程，还能够观察到由模型上拐角浅凹槽引起的小涡的破碎过程，以及由模型下拐角深凹槽引起的大涡结构壮大、传播、简并及破碎的演化过程。

图4 帧频33kHz序列纹影图像Fig.4 Schlieren images at frame rating of 33kHz

图5 帧频16.7kHz序列纹影图像Fig.5 Schlieren images at frame rate of 16.7kHz

图6 帧频50kHz序列纹影图像Fig.6 Schlieren images at frame rate of 50kHz

2.2 在片光散射技术中的应用

高速纹影技术反映了在光线传播路径上密度的积分信息，为完成某一截面的流动显示，可通过片光散射技术来实现。片光散射技术是随着激光技术的进步而发展起来的一种流动显示技术，其通过流场中的气体分子或者外加的示踪粒子对激光片光的散射实现对流场密度分布的测量，近年发展起来的片光流动显示技术，如PLIF［10］（Planar Laser－induced Fluorescence，平面激光诱导荧光）、FRS［11］（Filtered Rayleigh Scattering，滤波瑞利散射），NPLS［12］（Nano－based Planar Laser Scattering，基于纳米技术的平面激光散射），在高速流场的瞬态测量中发挥了重要的作用，但这些技术多采用脉冲激光光源，每次只能获取1幅或者2幅流场图像，对了解高速流场的发展变化历程提供的信息量还不够丰富。

利用高帧频数字相机，结合一台输出功率为8W的连续激光光源，组成了一套高速片光散射测量系统，采用大功率连续激光光源，既可增强流场散射信号的强度，提高散射图像的信噪比，又保证了流场的瞬态冻结时间以及相邻图像的拍摄间隔不受光源限制，完全由高帧频数字相机确定，可根据实验条件和拍摄需求灵活选取和调节。图7给出了高速片光散射测量系统的示意图，连续激光器输出的大功率激光经片光系统形成一厚度约0.5mm的片状光源后照射待测流场区域，流场分子或者示踪粒子的散射激光由高帧频数字相机记录，通过设置合适的拍摄帧频，获得高时间和空间分辨的8帧流场序列图像。

利用高速片光散射技术，开展了喷流散射测量实验，实验中片激光经过喷管射流散射后被高帧频数字相机所探测，在来流中加入微量的水，以提高散射信号的强度。图8是利用高速片光散射系统，以10kHz帧频拍摄的喷管出口附近射流的8帧序列图像，从图中可以清楚看到射流边缘的涡状结构；从第3、4、5、6帧序列图像中，可以清楚地看到射流左上边缘一个逆时针方向旋涡的形成过程，从第6、7、8帧序列图像中，可进一步看到该旋涡翻卷发展的变化过程；同时，从序列图像中，也能够观察到右边缘顺时针旋涡的发展演化情况。

图7 高速片光散射示意图Fig.7 Schematic of light scattering

图8 帧频10kHz片光散射序列图像Fig.8 Scattering images at frame rate of 10kHz

3 结 论

根据分幅式光路设计原理，结合快响应像增强器和低照度CCD相机，研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机，并以此为基础，建立了一套高速纹影及片光散射流动显示系统，开展了高帧频数字相机在高速流动显示中的应用研究。利用高速纹影技术，在中国空气动力研究与发展中心某激波管上，开展了运动激波与复杂边界相互作用的流动显示实验，获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像，清楚地观察到湍流涡随时间演化发展的过程。利用高速片光散射系统，开展了喷流米散射测量实验，得到了喷流随时间演化的8帧序列图像，观察到喷流边缘的涡结构及其翻卷发展的过程。通过实验，初步展示了高帧频数字相机在超声速、高超声速流场流动显示研究中的应用前景。

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杨富荣（1962－），男，江西莲花人，副研究员。研究方向：光谱诊断，流动显示。通讯地址：四川省绵阳市迎宾路69号（621000），E－mail：chenli＿03＠163.com

The application of high－speed multi－frame digital camera in high－speed flow visualization

YANG Fu－rong，CHEN Li，SU Tie，BAO Wei－yi，QI Xin－hua
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

The high－speed photography is an essential diagnostic tool in research on supersonic flow visualization.In order to obtain instantaneous and sequential images in high－speed flow，a MHz rate high－speed digital camera was developed using CCD cameras and image intensifiers acquiring images from corresponding beam－splitters.The application of high－speed multi－frame digital camera in high－speed flow visualization is discussed.With the help of high－speed multi－frame digital camera，a series of high－speed schlieren visualization experiments have been performed in a shock tube，and the sequential images clearly indicate the interaction between shock－waves and complex boundary.The 8－frame sequential Mie scattering images of jet were obtained by a new high－speed sheet laser scattering imaging system consisting of the high－speed multi－frame digital camera and a 8Wcontinuous－wave laser.From these sequential images we can clearly see the developing，growing and merging processes of streamwise vortices.It has been proved by experiments that high－speed multi－frame digital camera－based schlieren and laser scattering techniques can be used to explore the structure and physics in high－speed flow.

high－speed camera；schlieren；scattering；flow visualization；sequential images

V211.7

A

1672－9897（2012）05－0065－04

2011－06－03；

2012－05－10