автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и расчет оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа

На правах рукописи

Имшенецкий Александр Ильич

РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

05.07.11 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в ГОУВПО Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук,

профессор Ринкевичюс Бронюс Симович

Официальные оппоненты: доктор техн. наук,

проф. Кощавцев Николай Федорович доктор техн. наук,

ст. научн. сотр. Вишняков Геннадий Николаевич Ведущая организация: Центральный институт

авиационного моторостроения им. П.И.Баранова

Защита состоится « » _2005 г. в ^^ часов в аудитории

на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете): 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. Ученый совет МЭИ (ТУ).

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

Автореферат разослан «

» _2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.Г. Буре

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Представленная диссертация посвящена разработке и расчету оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа, использующих явление рефракции лазерной плоскости в оптически неоднородных средах. Основными элементами данных систем являются: источники излучения -лазеры, блоки формирования лазерных пучков специальной формы (лазерных плоскостей), фотоприемные блоки на базе ПЗС матриц, компьютеры Pentium IV-ro поколения и пакеты прикладных программ. Разрабатываемые оптико-электронные системы предназначены для определения пространственных градиентов параметров исследуемого потока в выбранном сечении (2D-диагностика).

В настоящее время методы лазерной диагностики потоков переживают свое второе рождение, связанное с широким распространением цифровых видеокамер на ПЗС структурах и мощных компьютеров. Стало возможным решение задач механики жидкости и газа, которые раньше не могли быть решены в силу технических ограничений. Широкому внедрению этих методов препятствует отсутствие методики расчета основных элементов оптико-электронных систем и специализированных компьютерных программ обработки рефракционных картин.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка и расчет оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа, основных на использовании астигматических лазерных пучков и адаптированных для цифровых методов регистрации и обработка информации.

Цель определила основные научно-технические задачи, решаемые в данной диссертационной работе: анализ требований к элементам электронно-оптической системы, реализующей компьютерно-лазерный

рефрактометрический метод исследования неизотермических потоков, разработка алгоритмов и компьютерной программы расчета оптической системы формирования лазерной плоскости из осесимметричного гауссового пучка, методику выбора и расчета приемной цифровой системы, разработку алгоритмов и программы обработки рефракционных картин, экспериментальную проверку работы созданных оптико-электронных систем.

Связь с государственными программами и НИР

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при

выполнении научных работ по грантам РФФИ (проект №00-02-17520),

Минобразования РФ (проект № 1109 заД003 г), МКНТ (проект № 1.55 за 2004 г.)

roc национальна а I кислиатекА

с« о»

ЭЙЙ,

и ИНТАС (проект № 00-0135), а также при постановке лабораторных работ по курсу «Лазерная интерферометрия» на кафедре физики МЭИ (ТУ).

Методы исследований

Методы матричной оптики используются для расчета распространения гауссовых пучков через оптическую систему, компьютерные методы фильтрации и обработки рефракционных картин для анализа полученных результатов, а также методы физического эксперимента.

Научная новизна

1. Разработана методика расчета оптико-электронных систем, предназначенных для диагностики потоков, и состоящих из лазера, как источника излучения, системы формирования зондирующей лазерной плоскости, фотоприемной системы на ПЗС структуре, сопряженной с персональным компьютером и пакета программного обеспечения.

2. Разработаны алгоритм и специализированная компьютерная программа расчета параметров лазерных пучков специальной формы (включая астигматические), прошедших различные оптические элементы.

3. Разработан алгоритм и программа обработки рефракционных картин, полученных с помощью компьютерно-лазерного рефракционного (КОЛАР) метода, позволяющие бесконтактным способом диагностировать оптически неоднородный поток и находить как общее возмущение среды, так и конкретные параметры возмущения.

4. Разработана программа обработки рефракционных картин, получаемых в компьютерно-лазерном методе определения времени гомогенизации раствора в вихревом аппарате, широко используемом в химической технологии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный алгоритм и реализованная компьютерная программа расчета оптических систем с гауссовыми пучками позволяют определять оптимальные параметры зондирующей лазерной плоскости для исследования пограничных тепловых слоев.

2. Существуют и определены оптимальные параметры регистрирующей аппаратуры на основе ПЗС структуры для визуализации и последующей обработки изображений потоков жидкости и газа.

3. С применением оптимальной фильтрации определяется центр лазерного пучка и положение профиля лазерной плоскости при уровне мультипликативных и ад дитивных шумов до 70 % с погрешностью не более 3 % от размера пучка.

4. По совокупности изображений искажений лазерной плоскости, вызванных исследуемой средой, возможно определить временные параметры нестационарных процессов тепломассообмена.

5. Обработка видеозаписи рефракционных картин позволяет определить характеристическое время перемешивания двух жидкостей. Существуют и определены оптимальные параметры обработки видеозаписи для нахождения характеристического времени перемешивания исследуемого потока.

Практическая ценность работы

Практическую значимость работы определяют следующие результаты:

• разработана компьютерная программа Laser Sheet v. 5 расчета оптической системы, преобразующей осесимметричный лазерный пучок в сильно астигматический пучок (лазерную плоскость);

• разработана компьютерная программа Image Center обработки рефракционных картин для KOJIAP метода диагностики потоков жидкости;

• разработана компьютерная программа Width Measure обработки рефракционных картин для определения времени перемешивания жидкостей в вихревых потоках.

Апробация работы

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- VI МНТК "Оптические методы исследования потоков", Москва, 2001;

- 2-й МНТК "0птика-2001", Санкт-Петербург, 2001;

- II International Conference on Laser Optics for Young Scientists, Saint-Petersburgh, 2003;

- VII МНТК "Оптические методы исследования потоков", Москва, 2003;

- XIV школе-семинаре молодых ученых и специалистов, Рыбинск, 2003;

- НТК "Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений", г. Жуковский, 2004;

-НТК "Лазеры. Измерения. Информация", Санк1-Петербург, 2004;

- XI МНТК "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2005;

- И Российской НТК "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках", Москва, 2005.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе: одна статья в реферируемом журнале, 4 работы в трудах конференций, 6 тезисов докладов на конференциях, одно программное средство учебного назначения, 4 публикации выполнены без соавторов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит т введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 4 приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 1 таблицу и 4 приложения.

Содержание работы

Во введении обосновывается выбор научного направления, сформулированы цель и основная задача работа. Показана актуальность и научная новизна исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту. Кратко рассмотрены оптические методы исследования потоков.

В первой главе рассмотрены существующие рефракционные методы и конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Оптические методы исследования потоков, основанные на рефракции световых лучей в оптически неоднородных средах, в последние годы переживают возрождение. Это обстоятельство связано с тремя причинами: широким распространением дешевых малогабаритных полупроводниковых лазеров видимого диапазона; доступностью цифровых видеокамер с числом разрешаемых элементов свыше 106; появлением компьютеров Pentium четвертого поколения с тактовой частотой свыше 2 ГТц, объемом жесткого диска более 10 Гб и оперативной памятью свыше 256 Мб.

Рассмотрены основы KOJTAP метода. На рисунке 1 показана типичная схема экспериментальной установки по методу KOJIAP. Она состоит из гелий-неонового лазера 1, аргонового лазера 2, оптической системы 3 формирования вертикальной ЛП, оптической системы 4 формирования горизонтальной ЛП, делительного кубика 5, поворотной призмы 6, исследуемого потока 7, полупрозрачного экрана 8, цифровой камеры 9, персонального компьютера 10 и программного обеспечения 11. На рисунках 2 а, б приведен пример визуализации неоднородного турбулентного потока с помощью такой системы. Компьютерная обработка рефракционных картин позволяет определять характеристики отдельного потока при помощи разработанных программ.

В первой главе показано, что в качестве источника излучения необходимо использовать лазерный пучок специального вида - лазерную плоскость, а регистрацию нестационарных рефракционных картин осуществлять цифровой видеокамерой; сформулированы основные требования к параметрам компьютера и программному обеспечению. Оптимальным для работы является компьютер со следующими характеристиками: процессор Pentium IV с тактовой частотой 2 ГГц; оперативная память 512 Мб; объем жесткого диска 80 Гб; специальная видеокарта, с собственным объемом оперативной памяти порядка 32 Мб, наличие пишущего CD дисковода и протоколов передачи данных USB 2.0 и IEEE 1394 (Fire ware).

а) б)

Рисунок 2 - Визуализация неоднородного турбулентного потока КОЛАР методом: а) одной лазерной плоскостью, б) двумя скрещенными лазерными плоскостями

Программные средства должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• высокое быстродействие (зависит от оптимизации алгоритма, выбранного компилятора и тактовой частоты процессора)

• возможность обработки как 8 битовых изображений, так и 6,10,12 битовых;

• встроенная возможность фильтрации изображений от шумов;

• возможность потоковой обработки видеороликов;

• возможность нормировки получаемых результатов в общепринятые физические величины.

Во второй главе приведены теория и результаты расчета оптических систем формирования лазерных пучков специального вида - лазерных плоскостей из осесимметричных гауссовых пучков.

Детально проанализирована получившая наибольшее распространение в аэрогидродинамическом эксперименте трехлинзовая система, состоящая из одной сферической линзы и двух цилиндрических, которая представлена на рисунке 3. Здесь излучение лазера 1 проходит сферическую линзу 2, фокусирующую лазерный пучок в центр исследуемого потока 5 или уменьшающую расходимость лазерного пучка. Короткофокусная цилиндрическая линза 3 расширяет пучок в одной плоскости, а вторая цилиндрическая линза 4 уменьшает расходимость пучка или делает его параллельным.

2 3 4

2 3 4

Рисунок 3 - Типовая оптическая система создания лазерной плоскости, а — вид сбоку; б - вид сверху. 1 - лазер; 2 - сферическая линза; 3,4 - цилиндрические линзы; 5 - лазерная плоскость

Выполнено исследование также однолинзовой и двухлинзовой систем формирования лазерной плоскости. Приведены алгоритм и программная реализация методики расчета лазерной плоскости. Расчет производится по формулам толстой линзы. На рисунке 4 приведен внешний вид программы расчета ЬавегвЬее! у.5.0. Основными достоинствами данной программы являются интуитивно понятный интерфейс, полностью задаваемые параметры исследуемой оптической системы, графическое и численное представление

результатов расчета, возможность изменения шага вычислений, передача данных расчета в файл.

Приведены результаты тестирования программы. Были проведены экспериментальные исследования толщины лазерной плоскости после прохождения трехлинзовой оптической системы. На основании снятых зависимостей строился профиль лазерной плоскости. Сравнение экспериментальной и смоделированной зависимостей представлено на рисунке 5. Видно, что наблюдается удовлетворительное совпадение результатов. Расхождения в дальней зоне обусловлены наличием аберраций, которые не учитываются в программе.

Рисунок 4 - Внешний вид программы ЬазегёЬее! у5.0 и основных окон настроек

Разработанная компьютерная программа габаритного расчета оптической системы формирования лазерной плоскости для гауссовых пучков ЬаяегвЬее! у.5 позволяет быстро анализировать различные схемы и находить оптимальный вариант в зависимости от условий эксперимента.

В третьей главе производиться выбор приемной цифровой системы. Произведен анализ характеристик цифровых фотоприемных систем. Показаны особенности представления зависимостей в дискретном виде. На рисунке 6, в качестве примера, изображена непрерывная аналоговая функция, описывающая распределение плотности мощности по сечению гауссова пучка и то же самое распределение, но в дискретном виде с 32 уровнями квантования. Шаг дискретизации должен выбираться достаточно малым для того, чтобы уменьшить погрешность вычислений. Однако следует помнить, что чем меньше шаг дискретизации, тем больше количество пикселей изображения и тем больший объем памяти занимает изображение в компьютере. Так, например, изображение в 512*512 пикселей квантованное на 256 уровней займет 0,25 Мб, а изображение в 2048*2048 пикселей, также квантованное на 256 уровней займет 4 Мб памяти.

Проведено экспериментальное исследование различных цифровых приемных систем с изменяемыми параметрами. На его основе показано, как качество изображения зависит от количества уровней пространственной дискретизации. Минимально допустимое качество получается при не менее одного мегапикселя на изображение. Ручная выдержка, устанавливаемая на видеокамере или цифровом фотоаппарате должна строго соответствовать освещенности на объекте, что бы не получить переэкспонирование или затемнение кадра.

- 0,8

отн. ед.

0.7

0.6 0.5 0,4 0.3 0,2

0

-3 -2,4 -1,8 -1,2 -0,6 0 0,6 1.2 1.8 2.4 3

х, от ед.

Рисунок 6 - Аналоговое и дискретное представление распределения плотности мощности в лазерной плоскости в поперечном сечении

В четвертой главе проведен анализ методов и алгоритмов обработки дискретных изображений. Выделены алгоритмы фильтрации и обработки, наиболее подходящие для рефракционных изображений: нелинейные преобразования сигналов изображения с целью согласования амплитудных характеристик отдельных устройств (преобразователя изображения, устройства воспроизведения и т.п.); коррекция сигнала по полю изображения (для выравнивания неоднородностей, вызванных дефектами освещения и чувствительности преобразователя изображения); фильтрация в пространственно-частотной области; интерполяция в поле изображения; временное суммирование изображений; сегментация изображения; выравнивание яркости по полю изображения; операция сопоставления с порогом. В диссертации приведены примеры воздействия различных видов фильтрации и обработки на рефрактометрические изображения.

Приведен алгоритм работы и описание программы Image Center. Блок нахождения центра лазерного пучка любой открывать файлы основных графических форматов, делать предварительные просмотры этих изображений, отображать распределение яркости изображения по основным (горизонтальным и вертикальным) сечениям, фильтровать изображение от шумов различных видов, вычислять центр пятна, полученного от лазера,, выводить на экран результаты вычислений как в визуальном, так и в цифровом формате.

Внешний вид выходного окна программы представлен на рисунке 7. Конструктивно разработанная программа представляет собой блоки представления графической информации (1 - 3), гистограмму интенсивности по выбранному уровню (4), окно управления параметрами фильтрации (5) и кнопки для выполнения расчетов по нахождению центра лазерного пучка (6).

и

Рисунок 7 - Внешний вид выходного окна блока нахождения центра лазерного пучка программы Image Center

Второй блок программы Image Center позволяет определять профиль лазерной плоскости. Внешний вид этого блока представлен на рисунке 8. Области 1 и 4 показывают изображение исходных лазерных плоскостей, полученных экспериментально. В областях 2 и 5 представлен результат предварительной фильтрации. Области 3 и 6 содержат восстановленный профиль лазерной плоскости. Область 7 показывает распределение яркости изображения по любому, выбранному пользователем, сечению. Область 8 позволяет управлять параметрами предварительной филырации, а в области 9 выбирается тип обработки. Программа позволяет выполнять нахождение центра лазерной плоскости с погрешностью меньше одного пикселя.

Рисунок 8 - Внешний вид блока определения профиля лазерной плоскости программы Image Center

Для получения данных об изменении градиента показателя преломления среды по времени, необходимо определить разницу между профилями лазерных плоскостей в разные моменты времени. Для этого в программе реализован модуль, показанный на рисунке 9. При нормировке графика на коэффициент, зависящий от свойств среды и геометрических параметров эксперимента, вычисляются изменения градиента показателя преломления. Нормировка производится в окне, представленном на рисунке 10, причем пространственная нормировка выполняется непосредственно по изображению линейки.

Разработанная программа позволяет выполнять фильтрацию, получаемых с видеокамеры изображений, определять профиль лазерной плоскости и находить разницу между профилями различных лазерных плоскостей. С помощью настройки оптимальных параметров фильтров погрешность определения профиля лазерной плоскости может быть меньше одного пикселя. Программа может найти применение, как в лазерной градиентной рефрактометрии, так и в других методах лазерной диагностики потоков, использующих лазерную плоскость.

Рисунок 9 - Вид модуля программы определения разности двух центральных линий: 1 - изображение исходной плоскости; 2 - изображение плоскости в заданный момент времени; 3 - вычисленная разность; 4 - распределение яркости изображения по выбранному сечению

Приведены алгоритм и описание программы для определения уширения лазерной плоскости при исследовании процесса перемешивания различных жидкостей в вихревых установках. Программа позволяет выполнять фильтрацию изображений, проводить сравнение необходимых кадров и строить

график зависимости площади следов лазерных плоскостей от времени перемешивания. Входными данными программы является файл с экспериментально полученными рефракционными видеоданными.

Из дополнительных возможностей программы - установка дискретного интервала кадров, которые пропускаются при обработке видеофайла (реализовано для уменьшения времени обработки медленноменяющихся процессов), сохранение расчетных данных в файл, совместимый с Microsoft Excel для дальнейшей обработки и масштабирование графиков. Внешний вид окна программы по окончании расчета показан на рисунке 11.

Рисунок 10- Окно нормировки в программе Image Center

В пятой главе производится исследование KOJIAP системы для определения предельных характеристик метода. Произведено определение минимально возможного смещения (т.е. погрешность определения центра смещенного пучка), влияния радиуса пучка (относительно к полному размеру изображения) и влияния шумов: лазера (мультипликативных), засветки (аддитивных) и суммарных.

На рисунке 12 изображена зависимость среднеквадратичного отклонения вычисленного центра лазерного пятна от уровня суммы аддитивного и мультипликативного шумов. Принято, что суммарный уровень шума равен уровням аддитивного и мультипликативного шумов.

Width Measure v.L

'Ж

jl * . л* M ' . lb" 4 ' "> I ^ itlLlMUU J «.Muu

у: , ~ 'л,»» ■

/ЛАЕ*?,*

""'Ж^.Л,- ' /I

Т1ЛАЧ5Й^ЙЭЙВ3731 sec" M i-

[к

lis «1

гз

fil

Щ

.H liiiM |

-, "tlpefi * Usrffoj

..___Г |

У-»'.

Рисунок 11 - Внешний вид окна программы Width Measure по окончании расчета

По результатам проведенного исследования сделан ряд рекомендаций для проведения экспериментов. Необходимо максимально исключить возможность появления локальных аддитивных шумов (засветок). Для снижения влияния аддитивных шумов необходимо обеспечить максимальную контрастность изображения, возможно даже переэкспонировать кадр, но не допустить появления при этом фонового шума, приводящего к осветлению всего изображения. Так же необходимо расположение видеокамеры таким образом, который обеспечивает максимально точное попадание центра пятна на центр матрицы ГОС. Выполнение этих несложных требований позволяет уменьшить погрешность вычисления центра пучка и добиваться результатов, при которых отклонение найденного центра пучка от реального не превышает 0,2 пикселя.

5,рхт----

• по центру

5,00- ---¡'

■ смещенный /

4,00-------

3,00-----—-

2,00--------

< X

1,00............ J ^ !

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

Рисунок 12 - Зависимость среднеквадратичного отклонения вычисленного центра пятна от уровня суммы аддитивного и мультипликативного шумов

При тестировании блока определения профиля лазерной плоскости программы Image Center было исследовано влияние положения лазерной плоскости, ее ширины, угла наклона и шумов на точность определения профиля лазерной плоскости. Так, например, на рисунке 13 приведены результаты определения профиля лазерной плоскости с различными наклонами. Видно, что при некоторых, углах для широкой лазерной плоскости появляется погрешность определения на краю изображения. Этого удается избежать, если применять тонкую лазерную плоскость.

На основе проведенных исследований даны рекомендации для проведения экспериментов: необходимо по возможности расположить лазерную плоскость горизонтально или использовать тонкие плоскости. При наличии значительных шумов необходимо делать плоскость шире.

• по центру ■ смещенный 1

/ /

/. /

/ Г

- 4 V У У

- — • • « 1

,00 10,00 20,00 30,00 40,00 П,

а) б) в)

Рисунок 13 - Пример определения профиля лазерной плоскости с разными наклонами: а) угол наклона 0°, ширина плоскости - 25 пикселей; б) угол наклона 45°, ширина плоскости - 25 пикселей; в) угол наклона 55°, ширина плоскости - 2 пикселя.

На рисунке 14 отображена полученная в программе Width Measure зависимость площади лазерной плоскости (в относительных единицах) от номера кадра (нижняя ось) и от времени (верхняя ось). В случае быстроменяющихся процессов, оптимальные результаты получаются при установке уровня шума равным V3 от максимально возможного или Уг от максимума экспериментального сигнала. Время смешения жидкостей Тй может определяться по экспериментальной кривой, по уровню, превышающему исходную площадь лазерной плоскости на заданную величину, например, на 10%.

Проведенное исследование показало, что:

а) определение времени перемешивания жидкости по рефракционным картинам возможно с погрешностью не более 5%, если уровень превышения составляет 5% и более;

б) время обработки обратно пропорционально шагу вычислений;

в) в быстротекущих процессах длительностью до 100 с для определения Т0 с погрешностью 1 с достаточно обрабатывать 1 кадр в секунду, что приводит к повышению производительности вычислений в 25 раз.

0,04

од»

0,038

о дм 0032 ода

vi 0,028 0,026

0ДО4

от ода 0,018 0flt6 0,014

Рисунок 14 - Результаты обработки рефракционных картин при параметрах уровня белого шума N=100

В заключении приведены основные результаты проведенной работы. 1. Разработана компьютерная программа Laser Sheet v.5 расчета параметров оптической системы формирования лазерной плоскости, использующейся в оптико-электронных измерительных системах 2D-диагностики потоков жидкости и газа.

2. При цифровой регистрации рефрактометрических картин оптимальными являются их 8 и 10 битные изображения. Качество изображения зависит от количества уровней пространственной дискретизации, минимально допустимо 106 пикселей на одно изображение.

3. Автоматическая выдержка видеокамеры не обеспечивает оптимальной регистрации рефракционных картин. Ручная выдержка должна строго соответствовать уровню освещенности объекта, чтобы не получить переэкспонирование или затемнение кадра.

4. Разработанная программа Image Center позволяет определение центра лазерного пучка с погрешностью не более 0,2 пикселя, если выполнены следующие условия:

- отсутствие в помещении динамически меняющегося освещения;

- многократное преобладание линейных размеров изображения пятна над

линейными размерами возможных шумов на исследуемом кадре;

- максимальная контрастность изображения пятна с последующей его

оптимальной фильтрацией.

5. Разработанная программа Image Center, включающая в себя блоки нахождения центра лазерного пучка любой формы, блок построения профиля лазерной плоскости и модули нахождения разницы между линиями профиля двух лазерных плоскостей и нормировки результатов к общепринятым физическим величинам позволяет определить искажение профиля лазерной плоскости, вызванные градиентами показателя преломления.

6. Разработана программа обработки нестационарных рефракционных картин Width Measure в лазерном методе определения времени перемешивания жидкостей. Проведено тестирование программы, которое показало, что:

а) при определенных условиях определение времени перемешивания жидкости возможно с погрешностью не более 5%,

б) время обработки обратно пропорционально шагу вычислений;

в) в быстропротекающих процессах длительностью до 100 с для определения 7о с погрешностью 1 с достаточно обрабатывать 1 кадр в секунду, что приводит к повышению производительности вычислений в 25 раз.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Компьютерно-лазерный рефракционный метод исследования оптически неоднородных потоков // Измерительная техника. - 2004. - № 6. -С. 36 - 42.

2. Имшенецкий А.И. Компьютерный анализ получения лазерной плоскости для визуализации потоков // Труды VI международной конференции "Оптические методы исследования потоков" - М., Изд-во МЭИ. - 2001. -С. 270-273.

3. Имшенецкий А.И. Компьютерный анализ преобразования гауссова пучка в задачах лазерной диагностики потоков // Сборник трудов 2-й международной конференции «0птика-2001». - С-Пб., 2001. - С. 238.

4. Имшенецкий А.И. Определение формы и положения лазерной плоскости в задачах рефрактометрии // Труды VII МНТК "Оптические методы исследования потоков". М., Изд-во МЭИ. - 2003. - С. 484-487.

5. Имшенецкий А.И., Скорнякова Н.М., Толкачев A.B. Компьютерная обработка рефракционных картин // Труды XTV школы-семинара молодых ученых и специалистов. М., Изд-во МЭИ. - 2003. - Т.1. - С.398-400.

6. Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В.Визуализация перемешивания в закрученном потоке с помощью лазерных плоскостей // Материалы II Российской конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках". CD-Rom. Per. № 0320500321. - 2005.

7. Имшенецкий А.И., Скорнякова Н.М. Программа автоматизации лазерных систем // Тезисы И международной конференции по лазерной оптике для молодых ученых. - С-Петербург., 2003. - С. 32.

8. Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И. Анализ оптических систем формирования лазерной плоскости для piv-метода. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений». Изд-во ЦАГИ. - 2004. -С. 457-459.

9. Имшенецкий А.И. Влияние шумов изображения на погрешность определения центра лазерного пучка. //Тезисы докладов конференции «Лазеры. Измерения. Информация». С-Петербург., Изд-во БГТУ. - 2004. -С. 28-29.

Ю.Имгаенецкий А.И. Программа расчета градиента температуры по экспериментальным данным // Тезисы докладов XI международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". М„ Изд-во МЭИ. - 2005. - С. 172.

11.Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Визуализация перемешивания в закрученном потоке с помощью лазерных плоскостей // Тезисы докладов П Российская конференция "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках". М., Изд-во МЭИ.-2005.-С. 130-131.

12.Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С. // Руководитель Ринкевичюс Б.С. ПСУН Программа моделирования лазерной плоскости LSM. М., МЭИ (ТУ). - 2004.

Il -89 2 8

РНБ Русский фонд

2006-4 4358

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ КОЛАР СИСТЕМ.

1.1 Анализ рефракционных методов.

1.2 Теория КОЛАР метода.

1.3 Требования к источникам излучения.

1.4 Требования к приемникам излучения.

1.5 Требования к компьютеру и программным средствам.

1.6 Выводы по первой главе.

2 РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПЛОСКОСТИ.

2.1 Оптические системы формирования лазерной плоскости.

2.2 Расчет оптической системы формирования ЛП.

2.2.1 Однолинзовая оптическая система.

2.2.2 Двухлинзовая оптическая система.

2.3 Программная реализация алгоритма расчета лазерной плоскости.

2.3.1 Программа Laser Sheet.

2.3.2 Методика расчета параметров оптической системы с помощью программы LaserSheet.

2.3.3 Тестирование программы LASER SHEET.

2.4 В ыводы к главе.

3 ВЫБОР ПРИЕМНОЙ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ.

3.1 Анализ характеристик цифровых фотоприемных систем.

3.1.1 Общие сведения.

3.1.2 Чувствительность ПЗС.

3.2 Выбор цифровых фотоприемных систем.

3.2.1 Методика тестирования.

3.2.2 Результаты визуального сравнения.

3.3 Выводы к главе.

4 АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ РЕФРАКЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

4.1 Анализ методов и алгоритмов обработки дискретных/цифровых изображений.

4.1.1 Обработка изображений, предназначенных для зрительного восприятия или автоматического анализа.

4.1.2 Алгоритмы обработки изображений.

4.2 Программное обеспечение для обработки рефракционных картин.

4.2.1 Блок определения центра лазерного пучка программы Image Center

4.2.2 Блок определение профиля лазерной плоскости программы

Image Center.

4.2.3 Алгоритм и программная реализация определения уширения лазерной плоскости Width Measure.

4.3 Выводы к главе.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛАР СИСТЕМ.

5.1 Определение центра лазерного пучка.

5.1.1 Влияние смещения центра лазерного пучка на точность определения его центра. 5.1.2 Влияние радиуса лазерного пучка на точность определения его центра.

5.1.3 Влияние шумов на точность определения центра лазерного пучка

5.1.4 Рекомендации к проведению экспериментов.

5.1.5 Примеры обработки экспериментальных изображений в программе.

5.2 Определение смещения ЛПл.

5.3 Определение толщины лазерной плоскости.

5.3.1 Понятие времени перемешивания.

5.3.2 Результаты обработки рефракционных картин.

5.3.3 Метод двух скрещенных лазерных плоскостей.

5.4 Выводы к главе.

Актуальность проблемы

Оптические методы исследования аэрогидродинамических потоков относятся к старейшим методам [1 — 3], без которых были бы невозможными современные достижения в аэрогидродинамике. Несмотря на большие успехи численных методов решения задач механики жидкости и газа экспериментальные оптические методы не утратили своего значения, особенно при проверке гипотез, заложенных в основу моделирования.

Для исследования потоков современная гидроаэродинамика располагает обширным арсеналом оптических методов, основанных на использовании различных физических эффектов: рассеяния света на частицах, эффекта Доплера, эффекта рефракции и других [1,4 — 9]. На базе этих методов были разработаны различные оптико-электронные системы диагностики потоков. В настоящее время наибольшее распространение получили теневые приборы для исследования ударных волн в аэродинамике и лазерные доплеровские анемометры, предназначенные для локальной диагностики скоростной структуры потоков [4, 5].

Например, в задачах теплопередачи для визуализации температурного поля можно использовать зависимость показателя преломления от температуры [2]. По сравнению с другими методами измерения оптические методы здесь обладают значительными преимуществами. Прежде всего, эти измерения не искажают температурного поля, поскольку в большинстве случаев энергия, поглощаемая средой, мала по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена. Кроме того, оптические методы практически не имеют инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстропротекающих процессов. Это преимущество достигается благодаря возможности регистрации всего температурного поля на одной фотографии. Такие измерения часто обеспечивают более высокую точность и чувствительность, чем, например, калометрические измерения или измерения поля температур термопарами.

В настоящее время большее количество устройств работает на принципе перемешивания жидкостей в вихревых потоках. Перемешивание применяют с целью получения растворов, дисперсных систем или для интенсификации процессов химического превращения, массо- и теплопереноса. Качество перемешивания в химическом реакторе является важным параметром, определяющим максимальное условие его работы. Потребляемая мощность и время перемешивания являются теми параметрами, которые позволяют подойти к оценке эффективности процесса. При одной и той же потребляемой мощности, наиболее эффективным является тот химический реактор, который обладает наименьшим временем перемешивания. Так же актуальной является задача восстановления параметров среды после произведенного внешнего воздействия, например, добавление жидкости с другой температурой или помещение в поток нагретого тела. Структура потоков, формирующихся в подобных аппаратах, весьма сложна и зависит от геометрии аппарата, наличии типа перемешивающего устройства, наличия внутренних элементов, гидродинамического решения работы и т.д. Изучение структуры потоков позволяет глубже понять природу и механизм протекающих процессов, выявить и оценить влияние различных гидродинамических и конструктивных особенностей на формирование необходимой структуры потока жидкости.

Расчет тепло- и массообменных характеристик аппаратов с закрученными потоками в настоящее время проводится с большими затратами компьютерного времени и недостаточно эффективен ввиду сложной трехмерной гидродинамической структуры потоков, которая зависит от типа устройства и гидродинамического режима работы.

Лазерная визуализация структуры закрученных потоков в различных устройствах позволяет глубже понять природу и механизм изучаемого явления, выявить и оценить влияние различных гидродинамических и конструктивных особенностей аппаратов на формирование необходимой структуры закрученного потока.

Оптические методы имеют также и недостатки. Исследуемая среда должна быть прозрачной. Чтобы полученные фотографии были пригодны для точной обработки, физические размеры системы должны быть сравнительно малыми. Если среда отличается от атмосферного воздуха, требуется замкнутая система, причем с двух сторон камера должна иметь стекла с высокими оптическими свойствами. Оптические методы, по сути, дают поле показателей преломления, которое путем последующих расчетов преобразуется в поле температур. Таким образом, подобно всем другим методам измерений, оптические методы имеют определенные области применения.

Лазерные методы все время совершенствуются в связи с появлением новых источников излучения, новых оптических элементов и новых способов обработки информации. Наибольшее влияние на развитие оптических методов оказывает современная вычислительная техника совместно с цифровой техникой регистрации оптических изображений, что позволяет не только увеличить объем получаемой информации, но приступить к построению двухмерных и трехмерных картин визуализации потоков, которые раньше были невозможны [6].

Современный этап развития лазерных измерительных систем характеризуется переходом от локальных измерений скорости и размеров частиц к измерениям различных параметров в выбранном сечении потока [7]. Для этих целей исследуемый поток зондируется не узкими лазерными пучками как в лазерном доплеровском методе, а тонким и широким лазерным пучком специального вида - лазерной плоскостью. Регистрация рассеянного излучения движущимися в потоке частицами с помощью цифровой видеокамеры с последующей компьютерной обработкой картин изображения потока позволяет получить поле скоростей частиц в выбранном сечении. Этот метод называется лазерная анемометрия по изображениям частиц. В иностранной литературе он называется PIV-методом [8, 9].

Представленная диссертация посвящена разработке и расчету оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа, основанных на явлении рефракции лазерной плоскости в оптически неоднородных средах. Основными элементами данных систем являются: когерентные источники излучения — лазеры, блок формирования лазерного пучка специальной формы (лазерной плоскости), фотоприемный блок на основе ПЗС матрицы, компьютер класса Пентиум IV-ro поколения и пакет прикладных программ. Разрабатываемые оптико-электронные системы предназначены для определения пространственных градиентов параметров исследуемого потока в выбранном сечении (2В-диагностика) и используют научные достижения современных методов компьютерной обработки изображений [10].

В настоящее время методы лазерной диагностики потоков переживают свое второе рождение. В связи с появлением цифровых видеокамер на ПЗС структуре и мощных компьютеров, стало возможным решение задач, которые раньше не могли быть решены в силу технических ограничений. В данной работе поставлена задача разработки и расчета новейших оптико-электронных систем диагностики потоков, включающих в себя систему формирования зондирующего излучения, цифровые видеокамеры и специализированное программное обеспечение. Задача включает в себя разработку, как методики визуализации протекающих в потоках процессов, так и алгоритмов и программных реализаций методов обработки получаемых картин визуализации для получения численных результатов.

Цель и основные задачи диссертации

Целью настоящей работы является разработка и расчет оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа в выбранном сечении, основных на зондировании исследуемого потока лазерными пучками специальной формы, например, лазерной плоскостью, и адаптированных для цифровой регистрации картин визуализации и дальнейшей компьютерной обработки измерительной информации.

Цель определила основные научно-технические задачи, решаемые в данной диссертационной работе: анализ требований к элементам электронно-оптической системы, реализующей компьютерно-лазерный рефрактометрический метод исследования неизотермических потоков, разработка алгоритмов и компьютерной программы расчета оптической системы формирования лазерной плоскости из осесимметричного гауссового пучка, методику выбора и расчета приемной цифровой системы, разработку алгоритмов и программы обработки рефракционных картин, экспериментальную проверку работы созданных оптико-электронных систем.

Научная новизна

Впервые разработан методика расчета оптико-электронных систем, предназначенных для диагностики потоков, и состоящих из лазера, как источника излучения, системы формирования зондирующей лазерной плоскости, фотоприемной системы на ПЗС структуре и пакета программного обеспечения для обработки рефракционных картин.

Впервые разработаны алгоритм и специализированная компьютерная программа расчета параметров лазерных пучков специальной формы (включая астигматические), прошедших различные оптические элементы. Решена задача быстрого нахождения необходимых параметров оптических элементов для создания лазерного пучка в виде лазерной плоскости с заданными параметрами.

Впервые разработан алгоритм и программа обработки рефракционных картин в компьютерно-лазерном рефракционном методе, позволяющем бесконтактным способом диагностировать оптически неоднородный поток и находить как общее возмущение среды, так и конкретные параметры возмущения.

Впервые разработана программа обработки рефракционных картин в компьютерно-лазерном методе определения времени гомогенизации раствора в вихревом аппарате, широко используемом в химической технологии.

Практическая ценность и использование результатов работы

Практическую значимость работы определяют следующие результаты:

• разработана компьютерная программа расчета оптической системы, преобразующей осесимметричный лазерный пучок в сильно астигматический пучок (лазерную плоскость);

• разработана компьютерная программа обработки рефракционных картин для компьютерно-лазерного рефракционнго метода диагностики потоков жидкости при естественной конвекции;

• разработана компьютерная программа обработки рефракционных картин для определения времени перемешивания жидкостей в вихревых потоках.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при выполнении научных работ по грантам РФФИ (проект №00-02-17520), Минобразования РФ (проект № 1109 за 2003 г), МКНТ (проект № 1.55 за 2004 г.) и ИНТАС (проект № 00-0135), а также при постановке лабораторных работ по курсу «Лазерная интерферометрия» на кафедре физики МЭИ (ТУ).

Апробация работы, публикации

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- VI международной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков", Москва, 2001;

- 2-й международной конференции "0птика-200 Г', Санкт-Петербург, 2001;

- II International Conference on Laser Optics for Young Scientists, S-Petersburgh, 2003;

- VII международной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков", Москва, 2003;

- XIV школе-семинаре молодых ученых и специалистов, Рыбинск, 2003;

- научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений", г. Жуковский, 2004;

- научно-технической конференции "Лазеры. Измерения. Информация", Санкт-Петербург, 2004;

- XI международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2005;

- II Российской научно-технической конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках", Москва, 2005.

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе: одна статья в реферируемом журнале, 4 работы в трудах конференций, 6 тезисов докладов на конференциях, одно программное средство учебного назначения, 4 публикации выполнены без соавторов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и 4 приложений.

5.4 Выводы к главе

Таким образом, в результате компьютерного и физического экспериментов можно определить основные требования к экспериментальным установкам КОЛАР метода.

Рекомендуется максимально возможно избавиться от аддитивных шумов, т.е. производить измерения в помещениях без динамически меняющегося освещения, по возможности темных, без нахождения в непосредственной близости источников сильного электромагнитного излучения и/или источников оптического излучения, за исключением самого исследуемого объекта. Для снижения влияния аддитивных и мультипликативных шумов требуется многократное преобладание линейных размеров пятна над линейными размерами возможных шумов, т.е. размер пятна должен занимать не менее половины всего изображения. Для снижения влияния аддитивных шумов необходимо обеспечить максимальную контрастность изображения, возможно даже переэкспонировать кадр, но не допустить появления при этом фонового шума, приводящего к осветлению всего изображения. Так же необходимо расположение видеокамеры таким образом, который обеспечивает максимально точное попадание центра пятна на центр матрицы ПЗС. Выполнение этих несложных требований позволяет уменьшить погрешность вычисления центра пучка и добиваться результатов, при которых отклонение найденного центра пучка от реального менее 0,2 пикселя.

На основе проведенных исследований по определению профиля лазерной плоскости можно дать рекомендации для проведения экспериментов: стараться расположить лазерную плоскость горизонтально. Использовать по возможности тонкие плоскости, однако при наличии значительных шумов необходимо делать плоскость шире.

Проведенное исследование по определению времени перемешивания двух жидкостей показало, что: а) при низких порогах (1% и 3%) в экспериментальных картинах время перемешивания невозможно определить точно при обработке каждого кадра; б) время обработки обратно пропорционально шагу вычислений; в) в быстротекущих процессах для определения с погрешностью 0,8 секунд (6%) достаточно обрабатывать 1 кадр в секунду, что приводит к повышению производительности в 25 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации были выполнены разработка и расчет оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа, основанных на явлении рефракции лазерной плоскости в оптически неоднородных средах. Основными элементами данных систем являются: когерентные источники излучения - лазеры, блок формирования лазерного пучка специальной формы (лазерной плоскости), фотоприемный блок на основе ПЗС матрицы, компьютер класса Пентиум IV-ro поколения и пакет прикладных программ. Разрабатываемые оптико-электронные системы предназначены для определения пространственных градиентов параметров исследуемого потока в выбранном сечении (2В-диагностика) и используют научные достижения современных методов компьютерной обработки изображений.

В ходе работы над диссертацией было проведено исследование литературы для анализа рефракционных методов. Было показано, что лазерные рефракционные методы позволяют исследовать нестационарные процессы тепломассопереноса и перемешивания двух различных по оптическим свойствам жидкостей. Основным их достоинством является то, что они не вносят возмущений в исследуемый поток и не изменяют теплофизических характеристик среды. Однако для их применения существуют и ограничения: среда должна быть оптически прозрачной.

Были рассмотрены основы компьютерно-лазерного рафракционного метода. Компьютерно-лазерный рефракционный метод основан на компьютерной обработке рефракционных картин, полученных при просвечивании потока одной или несколькими широкими лазерными плоскостями, в отличие от классических теневых методов, в которых поток зондируется одним широким световым пучком.

В ходе анализа источников и приемников оптического излучения были выбраны наиболее подходящие для рефракционных исследований.

В качестве источника излучения для формирования лазерной плоскости необходимо использовать лазер, так как требуется высокая плотность мощности излучения. Основной проблемой формирования ЛП является необходимость выбора приемлемого компромисса между хорошей пространственной разрешающей способностью — малое и постоянной толщиной лазерной плоскости - большое /. v

Для записи рефракционных картин необходимо использовать цифровые видеокамеры на ПЗС структурах. Для получения хорошего пространственногого разрешения изображения необходимо использовать максимально возможный размер матрицы.

При более подробном исследовании системы формирования зондирующего излучения (лазерной плоскости) была разработана и рассчитана трехлинзовая оптическая система, состоящая из одной сферической и двух цилиндрических линз.

Разработаная компьютерная программа габаритного расчета оптической системы формирования лазерной плоскости для гауссовых пучков LaserSheet v.5 позволяет быстро анализировать различные схемы и находить оптимальный вариант в зависимости от условий эксперимента.

При исследовании параметров записи рефрационных изображений на цифровую видео- или фотокамеру было получено, что:

1. На представление рефракционного изображения в компьютере оказывает большое влияние количество уровней квантования интенсивности. При малом количестве уровней изображение оказывается некачественным, а при большом получается файл очень большого размера. Оптимальными являются 8 и 10 битные изображения.

2. Качество изображения зависит от количества уровней пространственной дискретизации. Минимально допустимое качество получается не менее 1 мегапикселя на изображение.

3. Выдержка, устанавливаемая на видеокамере или цифровом фотоаппарате должна строго соответствовать освещенности на объекте, иначе получается переэкспонирование или затемнение кадра.

В работе приведены алгоритмы и программные реализации методов определения центра лазерного пучка, профиля лазерной плоскости и расчета уширения лазерной плоскости в задачах перемешивания.

Разработана программа Image Center, включающая в себя блоки нахождения центра лазерного пучка любой формы и блок построения профиля лазерной плоскости. Также разработанная программа содержит модули нахождения разницы между линиями профиля двух лазерных плоскостей и нормировки результатов к общепринятым физическим величинам.

Разработана программа определения уширения лазерной плоскости Width Measure, позволяющая определять время перемешивания жидкости в вихревых установках.

В результате компьютерного и физического экспериментов определены основные требования к экспериментальным установкам KOJIAP метода.

Рекомендуется максимально возможно избавиться от аддитивных шумов, т.е. производить измерения в помещениях без динамически меняющегося освещения, по возможности темных, без нахождения в непосредственной близости источников сильного электромагнитного излучения и/или источников оптического излучения, за исключением самого исследуемого объекта. Для снижения влияния аддитивных и мультипликативных шумов требуется многократное преобладание линейных размеров пятна над линейными размерами возможных шумов, т.е. размер пятна должен занимать не менее половины всего изображения. Для снижения влияния аддитивных шумов необходимо обеспечить максимальную контрастность изображения, возможно даже переэкспонировать кадр, но не допустить появления при этом фонового шума, приводящего к осветлению всего изображения. Так же необходимо расположение видеокамеры таким образом, который обеспечивает максимально точное попадание центра пятна на центр матрицы ПЗС. Выполнение этих несложных требований позволяет уменьшить погрешность вычисления центра пучка и добиваться результатов, при которых отклонение найденного центра пучка от реального менее 0,2 пикселя.

На основе проведенных исследований по определению профиля лазерной плоскости можно дать рекомендации для проведения экспериментов: стараться расположить лазерную плоскость горизонтально. Использовать по возможности тонкие плоскости, однако при наличии значительных шумов необходимо делать плоскость шире.

Проведенное исследование по определению времени перемешивания двух жидкостей показало, что: а) при низких порогах (1% и 3%) в экспериментальных картинах время перемешивания невозможно определить точно при обработке каждого кадра; б) время обработки обратно пропорционально шагу вычислений; в) в быстротекущих процессах для определения с погрешностью 0,8 секунд (6%) достаточно обрабатывать 1 кадр в секунду, что приводит к повышению производительности в 25 раз.

Таким образом, в диссертации была проведена комплексная разработка системы рефрактометрических исследований потоков. Полученные рекомендации к экспериментальным оптико-электронным комплексам возможно применить и к другим методам оптической диагностики потоков.

1. Васильев Теневые методы. М.: Наука, 1968.

2. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. /Пер. с анг. М.: Мир, 1973.

3. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Изд-во МЭИ, 1990.

4. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982

5. Дубнищев Ю.Н. Лазерные доплеровские измерительные технологии. Новосибирск: НГТУ, 2002.

6. Yesin М., Rinkevichius В., Tolkachev A. Unsteady 3D Flow Visualization With Laser Tomography. CD Rom Proc. The Millenium 9th Int. Symp. on Flow Visualization. Edinburgh: 2000. Paper № 329.

7. Ринкевичюс Б.С. Современные оптические методы в исследованиях задач тепломассообмена. Вторая Российская национальная конференция по теплообмену. Т .1. М.: Изд-во МЭИ, 1998. с. 70 75.

8. Raffel М., Willert С.Е., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. Berlin: Springer, 1998.

9. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С., Фомин Н.А. Новые методы лазерной анемометрии в исследованиях сложных газодинамических течений. ИФЖ, 2003.т.76, №6, с. 3-12.

10. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая Обработка Изображений. М.: Техносфера. 2005.

11. Скотников М.М. Теневые количественные методы в газовой динамике. М.: Наука, 1976.

12. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer, 2001.

13. Оптические методы исследования потоков.

14. Дубнищев Ю.И., Арбузов В.А., Белоусов П.П., Белоусов П.Я. Новосибирск: Сиб. унив. из-во 2003 г., 418 е.,

15. А.С. № 704339 G01 №21/46. Способ регистрации поля градиента показателя преломления и устройства для его осуществления. Приоритет от 04.05.78. Евтихиева О.А., Ринкевичюс Б.С.

16. Евтихиева О.А. Многоканальный лазерный рефрактометр для измерения нестационарных градиентов показателя преломления. Авт. дисс. канд. тех. наук, М.: МИГАиК, 1980. 19 с.

17. Гуменник Е.В., Ринкевичюс Б.С., Евтихиева О.А., Чашечкин Ю.Д. Совместное использование качественных и количественных рефрактометрических методов // ИФЖ, 1986, Т. 50, № 4, С. 597 604.

18. Гуменник Е.В., Ринкевичюс Б.С. Использование рефракции сканируемого лазерного пучка для исследования структуры прозрачных неоднородностей.// ТВТ, 1987. Т. 25. № 6. С.1191-1200.

19. Canabal H., Alonso J., Bernabeu E. Laser beam deflectometry based on subpixel resolution algorithm. //Optical Engineering, 2001, Vol. 40, No. 11, pp. 2517-2523.

20. Савченко E.B., Разумов JI.A., Ринкевичюс Б.С. Определение координат центра гауссового пучка с помощью матричного фотоприемника методом взвешивания // Измерительная техника, 2003, № 6 , С.

21. Имшенецкий А.И. Компьютерный анализ получения лазерной плоскости для визуализации потоков //Труды VI международной конференции "Оптические методы исследования потоков" М: Изд-во МЭИ. 2001. С.270-273.

22. Имшенецкий А.И. Компьютерный анализ преобразования гауссова пучка в задачах лазерной диагностики потоков //Сборник трудов 2-й международной конференции «0птика-2001». С-Пб: 2001. С. 238.

23. Willert С.Е., Gharib М. Digital particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 1991. Vol. 10. Pp. 181 193.

24. Цифровое преобразование изображений. Под ред. проф. Быкова Р.Е. М.: Телеком. 2003.28.www.3dnews.ru29.www.oldi.ru

25. Джеррард А., Берч Дж. Введение в матричную оптику. Пер. с англ./ Под ред. В.В. Коробкина. М.: Мир, 1978.

26. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Ленинград. Судостроение. 1989.

27. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроениею 1985

28. Ищенко Е.Ф., Тимофеев А.С., Янина Г.М. . Метод лучевых матриц и элементы вычислительной оптики. Под ред. Е.Ф. Ищенко. М.: МЭИ, 1989.

29. Методы компьютерной обработки изображений./ Под ред. В.А. Сойфера. М.: Физматлит, 2001. 780 с.