автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований

10-4

Ж41

/V { / * / / Г)

Ма правах рукописи

Удалов Андрей Викторович

Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Москиа - 2010

Работа выполнена в ГОУВГЮ Московский энергетический институт (технический университет) на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

Научный руководитель: Кандидат технических наук, профессор

Евтихиева Ольга Анатольевна

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

старший научный сотрудник, Тавров Александр Викторович

Доктор физико-математических наук, профессор,

Знаменская Ирина Александровна

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУ11 «ВНИИОФИ»).

Защита состоится «22» нюкА. 2010 г. в 14 часов00 минут в аудитории_

Н-603 па заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) но адресу. 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 11 1250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.12, к.т.н., доцент

"ро С с И И С К АII

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

-Легальность

работы.

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций плотности вещества (жидкости или газа) при наличии в нем возмущения. Флуктуации плотности вещества приводят к флуктуациям показателя преломления.

В настоящее время существует много рефрактометрических методов, применимых к исследованию различных физических явлений. К наиболее известным относятся интерферометрия, спекл-интерферометрия, теневая фотография, а также теневые методы. К последним относится и все более часто применяемый теневой фоновый метод (ТФМ). Его отличительной особенностью по сравнению с другими рефрактометрическими методами является простота реализации, что позволяет применять его к очень широкому кругу задач, различных как по своей сути, так и по масштабу. В этом играет очень важную роль возможность использования естественных природных фонов.

Цель работы.

Цель данной работы состояла в разработке аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ и исследовании возникающих погрешностей измерения при разных параметрах фона, приемной системы, при различных масштабах исследуемых объектов.

Для достижения данной цели было необходимо решить следующие задачи:

- Разработать алгоритм генерации тестовых структурированных экранов с различными параметрами;

- Создать программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ для тестирования разрешающей способности и определения погрешностей;

- Разработать методику лабораторного тестирования;

-Исследовать влияние параметров программно-аппаратного комплекса

на погрешность результатов;

- Сделать выводы для оптимизации комплекса под необходимые условия измерения;

-Рассмотреть применимость ТФМ для измерений в реальных натурных исследованиях.

Научная новизна работы.

Впервые разработан многофункциональный алгоритм генерации структурированных экранов для применения в экспериментальных установках, позволяющий создавать структурированные экраны с широким спектром задаваемых пользователем параметров, таких как форма и размер «зерен», расстояние между зернами, величина разброса.

Разработана методика тестирования аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ для определения разрешающей способности и погрешности измерений.

Проведены экспериментальные исследования влияния параметров программно-аппаратного комплекса на погрешность определения смещений посредством ТФМ.

Впервые проведена оценка возможности применения ТФМ для натурных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту;

- Алгоритм комплексной генерации структурированных экранов с различной формой зерна и пространственным распределением по равномерному или гауссову законам статистического распределения позволяет создавать структурированные экраны, оптимизированные к конкретным условиям эксперимента.

- Разработанный программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ позволяет производить тестирование разрешающей способности и определения погрешностей.

- Разрабитанная методика экспериментального тестирования точности, разрешающей способности и чувствительности ТФМ позволяет оптимизировать установку для конкретного объекта исследования.

- Экспериментальные исследования ТФМ с естественными фоновыми экранами показали возможность применения разработанного комплекса в полевых условиях для крупномасштабных объектов.

Практическая ценность работы. Разработанный аппаратно-программный комплекс ТФМ может применяться для исследования широкого круга физических явлений. Подобный комплекс позволяет проводить измерения при изучении, например, явлений тепло- и массообмена, процессов испарения жидкостей, при визуализации обтекания твердых тел потоками газа. При этом ТФМ можно применять и в случае крупномасштабных объектов, например, для визуализации потоков воздуха, обтекающих элементы конструкций летательных аппаратов в полете или автомобилей при движении.

Алгоритм генерации структурированных экранов является многофункциональным ипозволяет быстро создавать фоновые экраны с зернами по параметрам, заданным пользователем. Такие экраны могут быть полезны не только в ТФМ, но и в других методах, где необходимо использование фоновых экранов.

Полученные результаты использовались при выполнении научных работ по грантам Минобрнауки и по контракту с Евросоюзом в ходе выполнения проекта по 6-ой рамочной программе.

Внедрение.

Результаты работы были использованы при создании макета экспериментальной установки и при подготовке описания лабораторной работы «Исследование теневого фонового метода» по курсу «Лазерная интерферометрия» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника» на кафедре физики им. В.А. Фабриканта.

Достоверность полученных результатов.

• Первоначальные экспериментальные исследования проводились ца тестовых экранах с известными параметрами и с заданной величиной смещения.

• После сравнения величин смещения, полученных экспериментально и заранее заданных, был разработан алгоритм проведения экспериментов для получения результатов с наименьшей погрешностью.

• Экспериментально полученные результаты соответствуют результатам, полученным другими методами.

Апробация работы:

Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2004 по 2009 гг.:

■ IX, X, Международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков»; Москва, 2005,2007,2009 гг.;

■ 10,13,14 Международных научно-технические конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2004-2008 гг.

■ Ш Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003». Санкт-Петербург, 2003.

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе без соавторов - 2 работы. Из них 1 статья в реферируемом журнале из списка ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается выбор научного направления и актуальность работы. Приведены цель и основные задачи диссертации. Кратко рассмотрены бесконтактные оптические методы исследования потоков. Сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются принципы работы основных рефрактометрических методов, произведена их классификация. Представлен краткий исторический обзор по теневым методам, рассмотрен принцип работы теневого фонового метода, а также его разновидностей, таких как стерео-ТФМ, томографический ТФМ. Показано, что ТФМ может применяться для исследования как микроскопических явлений, например, процессов испарения жидкостей, так и макроскопических, например, потоков воздуха от лопастей несущего винта вертолета в полете.

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций плотности вещества, которые приводят к флуктуациям показателя преломления.

Появление какой-либо неоднородности в жидкости или газе создает градиент плотности в ней. Нарушение оптической однородности среды

выражается в неодинаковости по ее объему показателя преломления п. Часто оптическими неоднородностями в средах являются дефекты структуры вещества или включения одного вещества в другое, с иным п (туманы, дымы, суспензии, эмульсии, коллоидные растворы, молочные стекла и прочее). Оптические неоднородности могут быть в чистых веществах - при хаотическом тепловом движении частиц в большом числе микрообъемов среды плотность, концентрация (в растворах) и оптическая анизотропия, обусловленная преимущественной ориентацией молекул, претерпевают кратковременные отклонения от средних значений (флуктуации), в результате чего в этих микрообъёмах меняется показатель преломления. Искривление оптических лучей вследствие неоднородности среды — явление, которое можно достаточно часто наблюдать в природе. Иллюстрацией этого может служить, например, «расплывание» очертаний автомобиля вдалеке на раскаленном от летнего чноя шоссе.

Связь между плотностью и показателем преломления в среде определяется формулой:

гп-ад,

р

где О(Х) - число Глэдстоуна-Дэйла, X - длина волны, р- плотность среды.

При распространении излучения в неоднородной среде следует учитывать не только сравнительно быстрые изменения показателя преломления, проявляющиеся в турбулентности среды и приводящие к случайным изменениям параметров оптического сигнала, но и медленные изменения этого показателя, носящие систематический характер и вызывающие рефракцию - искривление оптических лучей. Появление какой-либо неоднородности в жидкости или газе создает градиент плотности в ней.

Во второй главе рассматривались основные характеристики разработанного аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ для исследования погрешностей результатов измерений, моделирование работы метода. Был приведен алгоритм генерации структурированных экранов, приведены примеры таких экранов. Были подробно рассмотрены все пользовательские параметры, задающие характеристики структурированных экранов с зернами. Также, были представлены характерные параметры приемной системы разработанного комплекса. Освещены вопросы кросскорреляционной обработки ТФМ изображений, показано, что параметры обработки оказывают большое влияние на конечный результат, приведены примеры (в виде графиков) того, что неправильно выбранные параметры обработки могут привести к результатам с большой погрешностью. Рассмотрен вопрос нормировки экспериментальных изображений, приведено описание разработанной универсальной нормировочной миры, позволяющей проводить измерения практически с любым объективом.

В теневом фоновом методе используется сравнение исходного и искаженного изображений структурированных фоновых экранов. Чтобы выполнить визуализацию потока, обычно берутся два снимка фонового

экрана со структурой с множеством мелких неповторяющихся деталей и высоким оптическим контрастом. Одно из этих изображений регистрируется, когда в канале передачи нет возмущений. На другом снимке среда в канапе передачи возмущена (включает интересующие нас неоднородности). Далее выполняется обработка этих двух изображений на основе кросскорреляционного метода. В большинстве случаев оптическая неоднородность приводит к смещению элементов экрана в его изображении. В данном случае, влияние оптической неоднородности на изображение экрана моделировалось путем линейного смещения экрана в его плоскости. Схема типичной установки для ТФМ представлена на рис. 1.

.......

Рис. 1. Пример экспериментальной реализации ТФМ: 1- структурированный экран, 2 - лампа накаливания, 3 - оптическая неоднородность 4 - цифровая видеокамера, 5 - компьютер с ПО для обработки.

Для получения наиболее точных измерений, необходима адаптация системы под условия эксперимента. Такая адаптация может быть проведена для оптимизации чувствительности и разрешения системы. Пространственное разрешение является очень важным параметром для установок ТФМ, и его, безусловно, необходимо учитывать для достижения положительных результатов. Основными параметрами системы являются:

1. Параметры объектива: фокусное расстояние, размер апертуры, увеличение системы (/", Д (¡)\ расстояние между линзой объектива и фоновым экраном (Ь).

2. Параметры структурированного экрана {И, с, g, р, у)

3. Параметры обработки: размер области опроса и величина шага в кросскорреляционном алгоритме (IV,

4. Параметры матрицы видеокамеры: физический размер 1 пикселя ПЗС матрицы, спектральная чувствительность.

5. Обобщенные параметры: размер области опроса на фоновом экране; чувствительность системы; разрешение системы.

Все параметры системы можно представить в виде сводной таблицы 1.

Таблица 1- Параметры элементов установки, влияющие на работу

комплекса ТФМ

В лабораторных условиях для ТФМ в качестве структурированных экранов обычно используются бумажные или пластиковые плакаты с нанесенными на них точками, «зернами» различной формы или полосами.

Одной из наиболее важных задач в ТФМ является создание структурированного экрана с необходимой пространственной частотой, формой и разбросом «зерен». Для создания таких экранов с наиболее широким спектром параметров была разработана специальная программа <ЮЕМ8С11ЕЕК» в среде МаАсас!. Блок-схема программы представлена на рисунке 2.

Блок Ввода Блок Вычислений Блок Вывода

Рис. 2. Блок-схема работы программы «ОЕМБСКЕБЫ»

Пользовательские параметры - шаг (регулировка частоты «зерен»), размер окна разброса (величина максимально возможного отклонения «зерна» рт «центра», разброс производится по равномерному или гауссовому статистическому закону), размер самого «зерна», а также два параметра, отвечающие за форму «зерна». Максимально возможный размер экрана - рт 2000^1500 до 4000x3000 пике, (в зависимости от скорости работы персонального компьютера, на котором установлена программа). Программа позволяет создавать «зерна» самой разнообразной формы (ромб, крест, диагональный крест, квадрат, восьмигранник, прямоугольник).

Некоторые фрагменты структурированных экранов, созданных с помощью данной программы представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Примеры фрагментов структурированных экранов: а - с частым мелким «зерном», б - с редким крупным «зерном»

Помимо генерации изображений экранов, важным этапом в ТФМ является кросскорреляционная обработка. Формула корреляции представляется в виде [Методы компьютерной обработки изображений: Учебное пособие для вузов (под ред. Сойфера В.А.) Изд. 2-е, испр., Физматлит, 2003]:

где N - число строк в матрице, М - число столбцов в матрице, -Рщ?, Сгщ? -произвольные случайные последовательности (т.е. обрабатываемые изображения), а ць Цб - средние этих случайных последовательностей, соответственно.

Проведена оценка влияния параметров обработки на конечный результат. Фоновый экран смещался микрометрическим винтом в диапазоне 0 - 0,3 мм с шагом 20 мкм (15 измеренных значений). Для более точных результатов, этот эксперимент повторялся трижды (3 серии измерений). Затем для каждого сдвинутого изображения фонового экрана проводилась кросскорреляционная обработка. Параметры обработки следующие: размер окна опроса 256x256, шаг 128x128. Значение погрешности для двух разных случаев представлено на рисунке 4.

а)

б)

N М

Зависимость № 1 обозначает величину относительной погрешности для смещения, зафиксированного при окне опроса 256x256, шаге 128x128, Зависимость № 2 - при окне 128x128, шаге 64x64. Допустимое и стабильное значение погрешности начинается со смещений 0,10 мм (кривая № 2, не более 2%), и 0,15 мм (кривая № 1, не более 5%). Фактически, больпще размеры окна опроса и величины шага дают лучшие результаты. Это может быть объяснено следующим: размер зерен фонового экрана и расстояния между зернами слишком велики для проведения измерений с данном увеличением объектива видеокамеры. Таким образом, другой объектив, с большим увеличением, позволит получить более хорошие результаты для малых смещений.

Искусственно сгенерированные экраны применяются в основном в лабораторных условиях: при тестировании работы комплекса или для исследования мелкомасштабных объектов. При исследовании крупномасштабных объектов в натурных экспериментах чаще всего применяются естественные фоны, то есть лес, песок, трава и т.п.

X, мм

Рис. 4. Зависимость погрешности измерения смещения экрана при различных размерах окна опроса и шага

В стандартной установке ТФМ экран, объект и видеокамера обычно стоят на одной линии. Однако, часто возникает необходимость установки камеры под углом к объекту. Для моделирования поворота камеры использовалась специально разработанная программа АЫОЬЕМОБ. Данная программа позволяет любое изображение поворачивать на произвольный угол. Это достигается путем локального искажения элементов исходного изображения в соответствии с заданным углом поворота.

В данной модели использовались изображения структурированного экрана с точками и естественного фонового экрана с травой. Изображения сдвигались на 30 пикселей. Далее, производился их поворот на 15, 30, 45, 60, 75 градусов. Внешний вид повернутых несмещенных изображений представлен на рисунке 5.

Далее, для каждого угла проводилась кросскорреляционная обработка смещенного и несмещенного изображений в специализированной программе при окне опроса 64x64 пике., шаге 32x32 пике. Результаты обработки для экрана с «зерном» восьмигранной формы представлены на рисунке 6. Представлены результаты для двух способов обработки: обычная обработка, без учета наличия углового смещения, и обработка с учетом угла поворота.

10° 30° 43° 60° 76°

Рис. 5. Внешний вид повернутых изображений для различных углов наблюдения: а - экран с изображением травы, б - структурированный экран

5т, мм

Рис. 6. Зависимость измеренного смещения от угла для экрана с «зернами» восьмигранной формы с компенсацией угла - штриховая линия и без компенсации - сплошная линия

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований различных структурированных экранов. Для экспериментальных исследований со структурированными экранами с зернами было показано, что параметры объектива и видеокамеры, а также параметры экранов следует подбирать в зависимости от объекта

исследования. Для исследования мелких объектов требуется объектив с большим увеличением и экран с мелким зерном (~ 1 - 5 пике.) с малым расстоянием между зернами 5 - 15 гшке.), а в случае крупномасштабных объектов необходимо использовать телескопический объектив и экраны с крупным зерном 7 - 11 пике, и более) с большим расстоянием между зернами 15-25 пике.). Показано, что при неправильном подборе параметров экрана и видеокамеры могут возникнуть большие погрешности при обработке экспериментальных изображений.

Создан большой банк фотографий естественных фонов. В случае экспериментальных исследований с естественными фонами было показано, что результирующее (измеренное) значение сдвига зависит от структурных особенностей каждого конкретного фона. Одним из важнейших параметров естественного фона является его Фурье-образ, позволяющий делать вывод о количественных характеристиках данного экрана. Целью данной работы было исследовать много разных фонов на возможность проведения ТФМ измерений с ними. Внешний вид некоторых из них представлен ниже в левой колонке таблицы 2, Фурье-образ - в правой колонке.

Таблица 2. Внешний вид и Фурье-образ некоторых структурированных ____________и естественных фоновых экранов

Таблица 2. Внешний вид и Фурье-образ некоторых структурированных ___и естественных фоновых экранов (продолжение)

Для определения того, какие же фоны лучше подходят для проведения исследований, было выполнено следующее исследование. Для каждого из фонов производилась оценка влияния величины задаваемого смещения на величину измеренного смещения. Для этого изображение фона смещалось микрометрическим винтом в диапазоне от 0 до 0,1 мм с шагом 10 мкм. Далее, для каждого изображения смещенного экрана проводилась кросскорреляционная обработка в программе. Сплошной линией показаны значения, полученные при величине окна опроса w = 128 и шаге 5 = 64, штрих-пунктирной - при величине окна опроса w = 256 и шаге s = 128. На рисунках 7-8 приведены полученные результаты для одного из экранов (с изображением песка).

Sml, мм

о.и

0.1 0.09 0.08 0.07 0 06 0.05 0 04 0 03 0 02 00)

1 мм

Рис. 7. Измеренное смещение (5т2) для экрана с изображением песка (сплошн. - и>=128, 5=64; пунктир. - м>=256,5=128) при заданном исходном

сдвиге (Ят/)

(7,% 10

9

8

7

б

5

А

3

2

1

1 8т2, мм

Рис. 8. Погрешность (сг) смещения (8т2) для экрана с изображением песка (сплошн. - ту=128, 5=64; пунктир. - и>=256, я=128)

Было показано, что фоновые экраны с травой и песком дают наименьшее отклонение от задаваемого сдвига (т.е. наилучшие результаты), величина погрешности не превышает 7% при любом значении сдвига. Для фоновых экранов с изображением кирпичных стен величина погрешности составляет до 20%.

Оказалось, что наихудшие результаты показали фоновые экраны с изображением гальки. Также в этом случае не удалось однозначно определить, какие параметры обработки следует использовать для наилучших результатов, так как во многих случаях оба графика расположены близко друг к другу.

Так как фоны сильно отличаются друг от друга, полученные результаты также сильно различны, но все же они позволяют утверждать, что ТФМ можно использовать для исследования макроскопических объектов, используя в качестве фоновых экранов панорамные фоны природных ландшафтов, построек и облаков.

Согласно полученным результатам, угол, под которым происходит съемка камерой, является важным параметром, который однозначно нужно учитывать при экспериментальных исследованиях. Очевидно, что наилучшие результаты получаются при случае, когда камера расположена нормально к фоновому экрану. Даже при достаточно больших углах наблюдения можно проводить обработку данных, но в таких случаях следует учитывать, что значение ошибки в некоторых случаях может достигать более 30%.

В четвертой главе приведены результаты натурных исследований потоков. Первая модель потока состояла из электромотора с пропеллером и фена. В ходе данного эксперимента проводились исследования потоков от пропеллера, приводимого в движение электромотором. При этом съемка

потоков воздуха пропеллером проводилась из двух положений камеры. В первом случае камера располагалась в горизонтальной плоскости. В данном случае экспериментальная установка состоит из следующих элементов: 1 -структурированный экран, 2 - электромотор с пропеллером, 3 -промышленный фен, 4 цифровая видеокамера, 5 - персональный компьютер с программным обеспечением для кросскорреляционной обработки. Схема установки представлена на рисунке 9.

В начале эксперимента проводилась съемка фонового экрана, когда электромотор и фен были выключены. В данном случае фен моделирует тепловое воздействие двигателя вертолета. Далее, в первой части эксперимента проводилась съемка вращения пропеллера, фен остается выключенным. Частота вращения пропеллера 1500 об/мин. Съемка производится камерой с частотой 2000 кадров в секунду, время между двумя соседними кадрами 0.5 мс. экспозиция 495 мкс. Обработка производилась в программе кросскорреляционной обработки с окном опроса 32x32 пике, и шагом 16x16 пике.

В случае включения фена (температура нагрева рабочего элемента достигала 650°С), температура нагретого воздуха вблизи лопастей пропеллера достигала 70°С, что было зафиксировано термопарой, расположенной у центра пропеллера. На рисунке 10 представлены результаты обработки для случая с включенным феном.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки: 1 - структурированный экран, 2 - вращающийся пропеллер, 3 - строительный фен, 4 - цифровая видеокамера, 5 - компьютер

Рис. 10. Результаты обработки для двух произвольных кадров, поток вверх от

пропеллера, фен включен.

Из результатов модельных испытаний видно, что присутствие температурного поля значительно облегчает обнаружение возмущения, вносимого пропеллером. В полете из-за работы двигателя практически всегда наблюдается тепловое поле, которое помогает визуализировать потоки вокруг самолета или вертолета.

Во второй модели потока применялся фен и естественный фон - трава. Схема эксперимента представлена на рисунке

Рис. 11. Схема эксперимента: 1- трава, 2 - промышленный фен, 3 - цифровая видеокамера, 4 - компьютер с ПО для обработки.

Сначала делался опорный кадр при выключенном фене. Затем фен включался, начинался постепенный нагрев потока воздуха. Далее в течение пяти минут производилась съемка струи нагретого воздуха от него. Измерение температуры горячего воздуха происходило на расстоянии 8 мм от центра горловины фена с помощью термопары типа хромель-копель. Распределение температуры в сечении центра горловины фена представлено на рисунке 12.

500 400 300 200 100

о

0 5 10 15 20 25 30 35

X, ММ

Рис. 12. Распределение температуры в струе горячего воздуха в центральном сечении горловины фена от координаты.

За время работы температура воздуха вследствие нагрева фена увеличивалась от 18 до 500°С. Результаты обработки ТФМ-изображений для разных моментов времени представлены на рисунке 13.

ш!

1 II

Рис. 13. Результаты обработки для горячей струи от фена в различные

моменты времени

1 п

Из рисунков видно, что создаваемый конусообразный поток горячего воздуха вносит сильный градиент показателя преломления, при этом в центре потока присутствует «пустота», вызванная тем, что в этом месте съемка производится нормально к градиенту показателя преломления и отклонения оптических лучей не происходит.

В заключении представлены основные результаты работы. Даны рекомендации по проведению натурных исследований с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса на основе теневого фонового метода. Показано, что с помощью данного комплекса возможно исследование крупномасштабных неоднородностей с погрешностью не болре 5% при соблюдении разработанных рекомендаций.

Основные результаты работы

■ Разработан многофункциональный алгоритм генерации структурированных экранов с различными параметрами, задаваемыми пользователем.

■ Создан программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ для тестирования погрешности измерений оптических неоднородностей с учетом различных условий.

■ Разработана методика тестирования комплекса ТФМ для определения разрешающей способности и погрешности измерений.

■ Показано, что для исследования мелких объектов необходим короткофокусный объектив и экран с мелким зерном с малым расстоянием между зернами, а в случае крупномасштабных объектов необходимо использовать длиннофокусный объектив и экраны с крупным зерном или естественные фоны.

■ При углах наблюдения менее 20° погрешность определения смещений не превышает 2%.

» Показано, что при оптимальных параметрах измерительного комплекса на основе ТФМ для крупномасштабных неоднородностей возможно получение результатов обработки с погрешностью не более 5%.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Евтихиева O.A., Скорнякова U.M., Удалов А.В, Исследование погрешности теневого фонового метода // Метрология. - 2009, №10. С. 33 -40.

2. Михалев A.C., Удалов A.B., Скорнякова ELM.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

3. Удалов A.B. Автоматическая генерация структурированных с заданными статистическими параметрами для теневого фонового метода. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 494.

4. Удалов A.B. Возможности применения естественных фоновых экранов для теневого фонового метода. Десятая международная научно ■ техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2009. С. 264.

5. Удалов A.B., Скорнякова Н.М. Цифровая фильтрация дифракционных картин // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2004. М.: С. 170.

6. Удалов A.B., Евтихиева O.A. Визуализация ультразвуковых полей. // Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2007. М.: С. 168.

7. Удалов A.B., Евтихиева O.A. Влияние параметров фоновых экранов на точность теневого фонового метода // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2008. М.: С. 161.

Подписано в печать Л tb- & Г Зак. jÄf Тир. WC п л Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

¡0 - 1 47 8 0

с/

а

к.

2008176701

Содержание.

Введение.

1 Рефрактометрические методы диагностики.

1.1 Принцип рефрактометрических исследований.

1.2 Теневая фотография.

1.3 Шлирен-методы.

1.4 Интерферометрия.

1.5 Спекл-интерферометрия.

1.6 КОЛАР.

1.7 Теневой фоновый метод (ТФМ).

1.8 Области применения ТФМ.

1.9 Выводы по главе.

2 Комплекс теневого фонового метода.

2.1. Структурная схема теневого фонового метода.

2.3 Приемная система.

2.4 Обработка картин ТФМ.

2.5 Моделирование влияния угла наблюдения.

2.6 Выводы по главе.

3 Влияние параметров фонового экрана.

3.1 Статистическое распределение зерен на фоновом экране.

3.2 Естественные фоновые экраны и их спектральные характеристики.

3.3 Влияние параметров объектива.

3.4 Влияние угла наблюдения.

3.5 Влияние параметров обработки.

3.6 Выводы по главе.

4 ТФМ в натурных испытаниях.

4.1 Модельный эксперимент с пропеллером.

4.2 Натурные испытания различных объектов.

4.3 Выводы по главе.

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций плотности вещества (жидкости или газа) при наличии в нем возмущения. Флуктуации плотности вещества приводят к флуктуациям показателя преломления.

В настоящее время существует много рефрактометрических методов, применимых к исследованию различных физических явлений. К наиболее известным относятся интерферометрия, спекл-интерферометрия, теневая фотография, а также теневые методы. К последним относится и все более часто применяемый теневой фоновый метод (ТФМ). Его отличительной особенностью по сравнению с другими рефрактометрическими методами является простота реализации, что позволяет применять его к очень широкому кругу задач, различных как по своей сути, так и по масштабу. В этом играет очень важную роль возможность использования естественных природных фонов.

Цель работы.

Цель данной работы состояла в разработке аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ и исследовании возникающих погрешностей при разных параметрах фона, приемной системы, при различных масштабах исследуемых объектов.

Для достижения данной цели было необходимо решить следующие задачи:

Разработать алгоритм генерации тестовых структурированных экранов с различными параметрами;

Создать программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ для тестирования разрешающей способности и определения погрешностей;

Разработать методику лабораторного тестирования;

-Исследовать влияние параметров программно-аппаратного комплекса на погрешность результатов;

- Сделать выводы для оптимизации комплекса под необходимые условия измерения;

-Рассмотреть применимость ТФМ для измерений в реальных натурных исследованиях.

Научная новизна работы.

Впервые разработан универсальный алгоритм генерации структурированных экранов для применения в экспериментальных установках, позволяющий создавать структурированные экраны с широким спектром задаваемых пользователем параметров, таких как форма и размер «зерен», расстояние между зернами, величина разброса.

Разработана методика тестирования аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ для определения разрешающей способности и погрешности измерений.

Проведены экспериментальные исследования влияния параметров программно-аппаратного комплекса на погрешность определения смещений посредством ТФМ.

Впервые проведена оценка возможности применения ТФМ для натурных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Алгоритм комплексной генерации структурированных экранов с различной формой зерна и пространственным распределением по равномерному или гауссову законам статистического распределения позволяет создавать структурированные экраны, оптимизированные к конкретным условиям эксперимента.

- Разработанный программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ позволяет производить тестирование разрешающей способности и определение погрешностей.

- Разработанная методика экспериментального тестирования точности, разрешающей способности и чувствительности ТФМ позволяет оптимизировать установку для конкретного объекта исследования.

- Экспериментальные исследования ТФМ с естественными фоновыми экранами показали возможность применения разработанного комплекса в полевых условиях для крупномасштабных объектов.

Практическая ценность работы. Предложенный комплекс ТФМ может применяться для исследования широкого круга физических явлений. Подобный комплекс позволяет проводить измерения при изучении, например, явлений тепло- и массообмена, процессов испарения жидкостей, при визуализации обтекания твердых тел потоками газа. При этом, ТФМ можно применять и в случае крупномасштабных объектов, например, для визуализации потоков воздуха, обтекающих элементы конструкций летательных аппаратов в полете.

Алгоритм генерации структурированных экранов является универсальным, т.к. позволяет быстро создавать фоновые экраны с зернами с необходимыми параметрами. Такие экраны могут быть полезны не только в ТФМ, но и в других методах, где необходимо использование фоновых экранов.

Полученные результаты использовались при выполнении научных работ по грантам Минобрнауки и по контракту с Евросоюзом в ходе выполнения проекта по 6-ой рамочной программе.

4.3 Выводы по главе

Из результатов модельных испытаний видно, что при отсутствии температурных возмущений с помощью теневого фонового метода возмущения, вносимые пропеллером, обнаруживаются слабо и с погрешностью, порядка 20%. Из проведенных измерений с двигателем автомобиля были сделаны выводы о том, что на результаты оказали большое влияние погодные условия. Видно, что нагретый воздух над двигателем создает сильную оптическую неоднородность, при этом на белом фоне стоящего на заднем плане грузовика созданный градиент плотности заметен

91 хуже, чем на фоне деревьев и кустов. Это позволяет еще раз сделать вывод о том, что для метода важно использовать естественные фоны с мелкой структурой, а такой фон, как, например, ровная белая стена здания не позволит раскрыть возможности метода.

Заключение

В первой главе были рассмотрены принципы работы основных рефрактометрических методов, произведена их классификация. Был представлен краткий исторический обзор теневых методов, рассмотрен принцип работы теневого фонового метода, а также его разновидностей, таких как стерео-ТФМ, томографический ТФМ. Было показано, что ТФМ может быть использован для исследования как микроскопических явлений, например, процессов испарения жидкостей, так и макроскопических, например, потоков воздуха от лопастей несущего винта вертолета в полете.

Во второй главе рассматривались основные характеристики разработанного комплекса для исследования погрешности метода. Был приведен алгоритм генерации структурированных экранов, рассмотрены параметры фоновых экранов. Были подробно рассмотрены все пользовательские параметры, задающие характеристики структурированных экранов с точками. Также, были представлены характерные параметры приемной системы разработанного комплекса. Освещены вопросы кросскорреляционной обработки ТФМ изображений, показано, что параметры обработки имеют большое влияние на конечный результат, приведены примеры (в виде графиков) того, что неправильно выбранные параметры обработки могут привести к неточным результатам. Также было уделено внимание вопросу нормировки, приведено описание многофункциональной нормировочной миры, позволяющей проводить измерения практически с любым объективом.

В третьей главе были представлены результаты экспериментальных исследований различных фоновых экранов.

Было показано, что для экспериментальных исследований со структурированными экранами с «зернами» различной формы параметры объектива и видеокамеры, а также параметры экранов следует подбирать в зависимости от объекта исследования. Для исследования мелких объектов требуется короткофокусный объектив и экран с мелким «зерном» (~ 1— 5 пике.) с малым расстоянием между «зернами» 5 — 15 пике), а в случае крупномасштабных объектов необходимо использовать объектив без удлинительных колец и экраны с крупным «зерном» (~7 — 11 пике, и более) с большими расстояниями между «зернами» (-45 — 25 пике.). Показано, что при неправильном подборе параметров экрана и видеокамеры могут возникнуть серьезные затруднения при обработке экспериментальных изображений.

В случае экспериментальных исследований с естественными экранами было показано, что результирующее (измеренное) значение сдвига зависит от структурных особенностей каждого конкретного фонового экрана. Было показано, что фоновые экраны с травой и песком показали наименьшее отклонение от заданного смещения на микрометрическом винте, величина погрешности не превышает 7% при любом значении сдвига в рассмотренном диапазоне. Для фоновых экранов с изображением кирпичных стен величина ошибки составляет не более 20%.

Так как фоновые экраны сильно отличаются друг от друга, полученные результаты также сильно различны, но они позволяют утверждать, что ТФМ можно использовать для исследования макроскопических объектов, используя в качестве фоновых экранов панорамные фоны природных ландшафтов, построек и облаков.

Также можно сделать вывод о том, что угол поворота камеры влияет на результат измерения. Показано, что наилучшие результаты получаются в случае, когда камера расположена нормально к фоновому экрану. Однако, даже при достаточно больших углах, можно проводить обработку данных. Но в таких случаях следует учитывать, что значение погрешности в некоторых случаях будет очень велико.

В четвертой главе были проведены экспериментальные исследования с использованием комплекса теневого фонового метода на объектах различных размеров, начиная от промышленного фена и электромотора с пропеллером до автомобилей.

Итак, впервые было произведено комплексное исследование различных параметров комплекса ТФМ, оценена степень влияния этих параметров на точность метода. Были проведены экспериментальные исследования с множеством искусственных и естественных фоновых экранов, сделаны выводы о целесообразности использования тех или иных экранов в различных случаях.

Благодарности

Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту Евтихиевой О.А. за постоянный интерес к проведению работы и внимательное руководство.

Автор также благодарен профессору Ринкевичюсу Б.С. и доценту Скорняковой Н.М. за консультации по теме работы, а также справедливую и своевременную критику недостатков работы. Автор благодарен ведущему научному сотруднику Толкачеву А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований и неоценимую помощь в обсуждении полученных результатов.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры физики им. В.А.Фабриканта, которые активно способствовали проведению исследований и получению практических результатов.

1. Евтихиева О.А., Расковская И. Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография - М: Физматлит, 2008 - 176 с.

2. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Лазерная рефрактография оптически неоднородных сред // Квантовая электроника. — 2007, №12. С.1176-1180.

3. Meier G. Е. A. Computerized background-oriented schlieren // Experiments in Fluids. 33.2002. P. 181-187.

4. Информационная оптика / H.H. Евтихиев, О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец и др. Под ред. Н.Н. Евтихиева. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

5. Якушенков Ю.Г. «Теория и расчет оптико-электронных приборов», М: 1998.

6. W. Merzkirch. Flow Visualization, Academic Press, New York and London, 1974.

7. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Попов H.A. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика высоких температур. 2005. Том 43. №6. С. 820-827.

8. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Луцкий А.Е. Экспериментальная реализация двумерной задачи о распаде разрыва при импульсной ионизации потока с ударной волной // Доклады академии наук. 2008. Том 420. №5. С. 619-622.

9. Тавров А.В. Физические и технические основы ахроматической интерференционной коронографии. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. Институт Космических Исследований. 2009. На правах рукописи. 250 с.

10. Ландсберг Г. С. Оптика, 6 изд., М., 2003.

11. Толоквинин А.А. Щеглов П.В. Успехи физических наук. Том 129, вып.4 декабрь 1979.

12. Ринкевичюс Б. С. Лазерная диагностика потоков / Под ред. В. А. Фабриканта. М.: МЭИ, 1990. - 287 с.96

13. Евтихиева О.А., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Компьютерно-лазерный рефракционный метод исследования оптически неоднородных потоков // Измерительная техника. — 2004, №6. С. 15 — 19.

14. Васильев JI.A. Теневые методы. М.: Наука, 1968. - 400 с.

15. Ф. Клинге, Ю. Компенханс. Современное развитие и применение Теневого фонового метода, ТФМ. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. с 22.

16. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer-Verlag, 2001. - 376 p.

17. Левин Г.Г., Вишняков Т.Н. Оптическая томография. М.: Радио и связь, 1989.-224 с.

18. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. — М.: Сов. Радио.-1979.-312 с.

19. Попова E.M., Толкачев A.B., Скорнякова Н.М. Применение фонового теневого метода для исследования естественной конвекции. Труды VII

20. МНТК «Оптические методы исследования потоков». М.: Изд-во МЭИ, 2003. С. 126-129.

21. Klinge F., Kirmse Т., Kompenhans J. Application of Quantitative Background Oriented Schlieren (BOS): Investigation of a Wing Tip Vortex in a Transonic Wind Tunnel // Proceedings of PSFVIP-4 June 3-5, 2003, Chamonix, France. F4097.

22. ISFV13 13th International symposium on flow visualization FLUVISU12 -12th French Congress on Visualization in Fluid Mechanics, July 1-4, 2008, Nice, France 263-080422

23. S. Loose, H. Richard, J. Bosbach, M. Thimm, W. Becker, M. Raffel. Optical measurement techniques for high Reynolds number train investigations // Received: 22 October 2005 / Revised: 15 December 2005 / Accepted: 17 December 2005, Springer-Verlag 2006.

24. S. Loose, H. Richard, T. Dewhirst, M. Raffel. Background oriented schlieren (BOS) and particle image velocimetry (PIV) applied for transonic turbine blade investigations //

25. Очков В. A. Mathcad 12 для студентов и инженеров. С.-Пб.: БХВ-Петербург, 2005.

26. Евтихиева О. А., Скорнякова Н.М., Удалов А.В. Исследование погрешности теневого фонового метода // Метрология. 2009, №10. С. 33

27. Михалев А.С., Удалов А.В., Скорнякова Н.М.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях. // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

28. Удалов А.В. Автоматическая генерация структурированных экранов с заданными статистическими параметрами для теневого фонового метода. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 494.

29. Удалов А.В. Возможности применения естественных фоновых экранов для теневого фонового метода. Десятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2009. С. 264.

30. Удалов А.В., Скорнякова Н.М. Цифровая фильтрация дифракционных картин. // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2004. М.: С. 170.

31. Удалов А.В., Евтихиева О.А. Визуализация ультразвуковых полей. // Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2007. М.: С.168.