[發明專利]紋影測量成像系統及方法

有效

• 申請號: 201410068835.0
• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN103884486B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 戴國亮;孫志斌;代斌;王靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及紋影測量成像領域，尤其涉及一種基于壓縮感知的紋影測量成像系統及方法。

背景技術

上世紀，美國NASA、歐洲ESA和日本JAXA在Lewis落塔、日本微重力落井、自由落體等短時微重力環境中采用紋影法測量了火焰結構。我國近年來也開展了紋影法測量火焰結構的研究工作，中國科學院力學所和波蘭科學家合作開展了相關研究，在風洞試驗中常采用干涉法獲得流場密度。干涉法是一種嚴格的定量測量技術，由流場干涉圖可嚴格計算流場的折射率分布，進而由格拉斯通-戴爾常數公式可推算出流場密度及其它流體力學和氣動力學參量。在激波風洞和彈道靶試驗方面，馬赫干涉、全息干涉和紋影干涉等技術得到應用，這些方法中都利用了紋影光路，并把該光路作為物光束的光路。通過這些方法獲得了試驗干涉照片，并獲得了流場的密度定量值。

紋影成像技術在燃燒領域也有廣泛的應用價值。燃燒是燃料與氧化劑發生強烈化學反應的現象，其過程涉及化學反應、流動、傳熱傳質等復雜的相互作用。微重力燃燒實驗中的診斷技術，要求實現對燃燒過程的溫度、流場、氣體成份和濃度、固體顆粒成份和濃度等進行定性或定量測量，并通過數據處理，對燃燒現象進行分析。在對紋影法所得結果進行數據處理時，由光場分布圖像計算出紋影圖的照度或對比度，獲得激光偏轉角度，由此計算出流場的折射率分布，首先測量出儀器光刀刀口的位移量，然后再計算出被測火焰在垂直于光刀刀口移動方向上的密度變化或密度值。

紋影成像技術是利用氣流對光波的擾動，將氣流變化轉換成圖像。隨著風洞氣流研究的發展，特別是高速激波研究，使紋影成像技術得到廣泛的應用。在反隱身飛機成像應用中，將紅外紋影成像與被動光學測距技術相結合，可以實現對隱身飛機的成像和定位，其原理主要利用隱身飛機飛行過程中，產生氣流的劇烈擾動，形成范圍巨大、保持時間較長的渦流，通過測量隱身飛機擾動的氣流軌跡，間接測量隱身飛機。

壓縮感知是由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等研究人員于2004年提出，早在上世紀法國數學家Prony提出稀疏信號恢復方法，這種方法是通過解特征值問題估計稀疏三角多項式的非零幅度和對應的頻率；B.Logan最早提出基于L1范數最小化的稀疏約束方法。隨后發展出的壓縮感知理論是將L1范數最小化稀疏約束與隨機矩陣結合，獲得稀疏信號重建性能的最佳結果，壓縮感知基于信號的可壓縮性，通過低維空間、低分辨率、欠Nyquist采樣數據的非相關觀測來實現高維信號的感知。廣泛應用于信息論、圖像處理、地球科學、光學/微波成像、模式識別、無線通信、大氣科學、地球科學、物理天文學、高精密光學測量等學科領域。

發明內容

本發明的目的在于將壓縮感知理論應用于流體紋影測量領域，從而提供一種基于壓縮感知的紋影測量成像系統及方法。

為實現上述目的，本發明提供了一種紋影測量成像系統，其包括：光源，用于輸出光信號；以及沿所述光源輸出光信號路徑依次設置的第一聚焦透鏡、狹縫光闌、第一準直透鏡、第二聚焦透鏡、刀口、第二準直透鏡、數字微陣列反射鏡、匯聚透鏡和單點光電探測器，流場觀測區域位于第一準直透鏡和第二聚焦透鏡之間；壓縮算法模塊，其與單點光電探測器電信號連接，用于重構圖像，通過對圖像的紋影計算方法計算出觀測流場的結構分布。

進一步，還包括反射鏡單元，其包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡設于所述第一準直透鏡和所述流場觀測區域之間，用于將第一準直透鏡的出射光反射進入流場觀測區域；所述第二反射鏡設于所述流場觀測區域與所述第二聚焦透鏡之間，用于將所述流場觀測區域的出射光反射至第二聚焦透鏡。

進一步，所述反射鏡單元中的反射鏡為寬帶介質膜反射鏡、金屬膜反射鏡、介質激光線反射鏡或冷熱反射鏡。

進一步，所述第一渥拉斯頓棱鏡的鍥角與所述第二聚焦透鏡焦距之間滿足干涉條件。

進一步，所述光源是激光光源，所述激光光源為脈沖激光光源或連續激光光源，波長在400-800nm的可見光范圍。

進一步，所述激光光源的波長是405nm、445nm、473nm、488nm、515nm、640nm或660nm。

進一步，所述狹縫光闌包括狹縫和針孔光闌，光闌是通過手動或電動調節或更換的光闌部件，或者固定尺寸的標準型光闌。

進一步，所述數字微陣列反射鏡采用反射式和透射式液晶空間光調制器。

進一步，所述單點光電探測器為可見光光電探測器或單光子探測器。

進一步，所述單光子探測器為雪崩光電二極管、固態光電倍增管或超導單光子探測器。