Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, в технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей, конвективных структур и фазовых переходов в газовых и конденсированных средах. Заявленный способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах состоит в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют фурье-спектр возмущений светового поля, индуцируемых исследуемой средой, выполняют гильберт-фильтрацию фурье-спектра возмущений зондирующего оптического поля, выполняют обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля, проектируют его на фотоматрицу видеокамеры и анализируют покадровую последовательность изображений. При этом зондирующее поле формируют двумя пространственно-совмещенными световыми пучками, волновые числа которых находятся в соотношении 3/4 и соответствуют разным цветам в rgb-спектре чувствительности фотоматрицы, один из которых в спектре зондирующего поля согласован с длиной волны светового поля, подвергаемого гильберт-фильтрации. Технический результат - исключение влияния амплитудных возмущений зондирующего светового поля на визуализацию полей фазовой оптической плотности исследуемой среды. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, в технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей, конвективных структур и фазовых переходов в газовых и конденсированных средах.

Известны способы визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах. [А.Ф. Белозеров. Оптические методы визуализации газовых потоков. Казань: изд-во Казанского гос. университета. 2007. 704 с.]. В теневом (шлирен) методе визуализации зондирующее световое поле, сформированное от точечного или щелевого источника света коллимирующим объективом, проходит через исследуемую среду и преобразуется приемным объективом. Изображение источника в свете, возмущенном исследуемой средой, формируется в пространственно-частотной плоскости исследуемой среды. В этой же плоскости формируется фурье-спектр фазовых возмущений зондирующего светового поля, индуцированных исследуемой средой. Фильтрация фурье-спектра фазовых возмущений выполняется пространственно-частотным фильтром, выполненным в виде непрозрачной полуплоскости, блокирующих область положительных либо отрицательных частот. Результат такой фильтрации является однополосный фурье-спектр оптического сигнала, существующий в области только положительных, либо только отрицательных пространственных частот. Обратное фурье-преобразование фильтрованного сигнала выполняется объективом фото- или видеокамеры, результатом чего является формирование на фотоматрице суперпозиции изображения зондирующего светового поля и его визуализированных фазовых возмущений. Визуализированные фазовые неоднородности представляют собой поле интенсивности фазовых возмущений, подвергнутых одномерному гильберт-преобразованию по направлению, ортогональному кромке пространственно-частотного фильтра, выполненного в виде непрозрачной полуплоскости (фильтр Фуко). Результатом такой фильтрации является визуализация полей фазовой оптической плотности путем одномерного преобразования Фуко-Гильберта фазовой структуры зондирующего светового поля, возмущенного исследуемой средой. Основным недостатком этого способа является невозможность исключения влияния амплитудных рассеивающих структур (частиц, взвесей, трассеров), присутствующих в исследуемой среде, на визуализированные поля фазовой оптической плотности.

В другом известном способе [Сороко Л.М. Гильберт-оптика. М.: Наука. 1981.] визуализация полей фазовой оптической плотности выполняется с применением гильберт-фильтра, согласованного со спектральной полосой излучения светового источника, формирующего зондирующее поле. Недостатком этого способа также является некомпенсированное влияние частиц, взвесей и трассеров, присутствующих в исследуемой среде, на структуру визуализированных полей фазовой оптической плотности.

Кроме того, известен способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах [В.А. Арбузов, Э.В. Арбузов, B.C. Бердников, Н.С. Буфетов, Ю.Н. Дубнищев, Е.О. Шлапакова. Оптическая диагностика структуры и эволюции плавучих струй в сильно-вязкой жидкости // Автометрия. 2014. Т. 50, №5. С. 47-55.], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. В этом способе визуализация полей фазовой оптической плотности исследуемой среды выполняется путем гильберт-фильтрации зондирующего светового поля с применением квадратурного гильберт-фильтра. Осуществляется гильберт-фильтрация на согласованной с фильтром длине волны λ0 и фильтрация Фуко-Гильберта с применением источника белого света. Результатом является суперпозиция гильберт-визуализированных полей фазовой оптической плотности и гильберт-визуализированных частиц, взвесей и трассеров, присутствующих в исследуемой среде, и их изображений в спектральной полосе излучения источника. Недостатком этого способа является влияние амплитудных рассеивающих структур (частиц, взвесей, трассеров), присутствующих в исследуемой среде, на гильберт-визуализацию полей оптической фазовой плотности.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является исключение влияния амплитудных возмущений зондирующего светового поля на визуализацию полей фазовой оптической плотности исследуемой среды.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах, заключающемся в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют фурье-спектр возмущений светового поля, индуцируемых исследуемой средой, выполняют гильберт-фильтрацию фурье-спектра возмущений зондирующего оптического поля, выполняют обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля, проектируют его на фотоматрицу видеокамеры и анализируют покадровую последовательность изображений, при этом зондирующее поле формируют двумя пространственно-совмещенными световыми пучками, волновые числа которых находятся в соотношении λ12=3/4 и соответствуют разным цветам в rgb-спектре чувствительности фотоматрицы, один из которых в спектре зондирующего поля согласован с длиной волны светового поля, подвергаемого гильберт-фильтрации. Длина волны второго пучка не попадает в спектральную полосу фазово-частотной характеристики гильберт-фильтра. Гильберт-образ на одной длине волны и изображения амплитудных неоднородностей на другой длине волны регистрируются на согласованных по rgb-спектру чувствительности пиксельных структурах фотоматрицы. Этим обеспечивается получение информации о поле фазовой оптической плотности и изображений амплитудных рассеивающих структур, присутствующих в исследуемой среде.

На Фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.

На Фиг. 2 показана структура квадрантного гильберт-фильтра с относительными фазовыми сдвигами в квадрантах.

Устройство (Фиг. 1) содержит источник светового излучения 1 на длинах волн λ1 и λ2, коллиматор 2, крестообразную диафрагму 3, объектив 4, исследуемую среду 5, объектив 6, гильберт-фильтр 7, объектив 8, видеокамеру 9 (камкордер), к которой подключен компьютер 10.

Способ осуществляется следующим образом. Оптическая система, состоящая из источника 1, коллиматора 2, крестообразной диафрагмы 3 и объектива 4, формирует в исследуемой среде 5 световой пучок. Объектив 6 формирует в плоскости расположения гильберт-фильтра 7 фурье-спектр фазовых возмущений зондирующего поля, индуцированного оптическими неоднородностями исследуемой среды. Объектив 8 выполняет обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля и проектирует его на фотоматрицу видеокамеры (камкордера) 9. Регистрируемый камкордером сигнал обрабатывается компьютером 10.

Обратимся к Фиг. 2, на которой представлен гильберт-фильтр 7. Он имеет квадрантную фазовую структуру. Когерентная передаточная функция фильтра описывается выражением

где ϕ - относительный фазовый сдвиг в квадрантах фильтра, зависящий от длины волны излучения источника,

σ(±Kх) и σ(±Kу) - функции Хевисайда (функции включения):

Kх, Kу - пространственные частоты [Ю.Н. Дубнищев. Теория и преобразование сигналов в оптических системах. С-П.: «Лань», 2011, с. 36-37].

Подставляя выражения для функций Хевисайда в (1), получаем для когерентной передаточной функции:

Как видно из (2), фильтр выполняет преобразование Фуко-Гильберта. Соотношение действительной и мнимой компонент когерентно-передаточной функции (2) зависит от парциальных коэффициентов cos ϕ и sin ϕ, величины которых определяются фазовым сдвигом ϕ(λ), зависящим от длины волны λ светового поля, излучаемого источником. При

ξ=0, 1, 2, … когерентно-передаточная функция (2) принимает вид:

и фильтр выполняет двумерное гильберт-преобразование оптического сигнала.

В случае ϕ=ξπ когерентно-передаточная функция фильтра принимает вид:

и структура фурье-спектра фильтруемого сигнала не изменяется.

Запишем когерентно-передаточную функцию (КПФ) фильтра в виде:

Как видно из (4), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра равна 1.

Для фазо-частотной характеристики (ФЧХ) фильтра имеем:

Пусть s(Kx, Kу) - фурье-спектр светового поля в фурье-плоскости объектива 6. Тогда s(Kx, Ky)H(Kx, Ky) - фурье-спектр поля на выходе фильтра с когерентной передаточной функцией (4). Фазовый сдвиг ϕ в формулах для когерентной частотной функции (4) и ФЧХ (5) фильтра зависит от длины волны источника светового излучения, ϕ=ϕ(λ). При длине волны λ1, удовлетворяющей условию

и КПФ принимает вид:

Фильтр с КПФ (7) выполняет гильберт-преобразование светового поля, возмущенного исследуемой средой:

Пусть sλ1(Kx, Ky)=еiψ(Kх, Kу) где ψ(Kx, Kу) - фазовые возмущения зондирующего поля, индуцированные неоднородностями оптической фазовой плотности в исследуемой среде. Представим фазовые возмущения ψ(Kх, Kу) светового поля с длиной волны λ1 в виде:

где m=0, 1, 2, …, - составляющая фазового возмущения. Тогда

Здесь выполнено разложение экспоненты с точностью до первого порядка малости показателя . Фурье-спектр светового поля (10), преобразованного гильберт-фильтром с когерентной передаточной функцией (7) имеет вид:

поскольку

Здесь- фурье-спектр гильберт-образа фазовых возмущений зондирующего светового поля:

Объектив 8 выполняет обратное фурье-преобразование фурье-спектра фильтрованного сигнала (12) и проектирует его на фотоматрицу камкордера 9. Изображение фильтрованного сигнала формируется на пикселах, чувствительных к выбранной компоненте rgb-спектра (например, красная линия), включающей длину волны λ1:

Структура гильберт-спектра (13) отображает распределение поля градиентов оптической фазовой плотности, зафиксированной на фотоматрице и, соответственно, в кадре видеофильма. Методом эмуляции пространственно-частотной фильтрации изображения в последовательности кадров видеофильма с учетом межкадрового временного интервала, реконструируется эволюция гильберт-спектра, отображающая динамическое распределение полей фазовой оптической плотности в исследуемой среде [Арбузов В.А., Дубнищев Ю.Н., Сотников В.В., Шибаев А.А. Способ измерения скоростей в газовых и конденсированных средах. Патент №2621466]. Динамика гильберт-визуализированных полей фазовой оптической плотности может отображать тепловые потоки, диффузионные процессы, конвективные течения и фазовые перепады в исследуемых газовых или конденсированных средах.

Помимо неоднородностей полей фазовой оптической плотности, в исследуемой среде могут присутствовать частицы и взвеси, вызывающие амплитудную модуляцию зондирующего поля (амплитудные неоднородности). Изображения этих частиц формируются на пиксельных структурах, чувствительность которых соответствует длине волны λ2. Для этого световое поле, зондирующее среду, формируется из двух компонент, имеющих разные длины волн. Длина волны второй компоненты зондирующего поля λ2 выбирается из условия равенства нулю фазочастотной характеристики (ФЧХ) когерентной передаточной функции (2) фильтра, выполняющего преобразование Фуко-Гильберта (2):

В этом случае ϕ(λ2)=ξπ, ξ=0, 1, 2, …,

и на длине волны λ2 гильберт-преобразование не выполняется. Фурье-спектр в частотной плоскости формируется в свете, рассеянном на частицах, естественно присутствующих в исследуемой среде или специально добавленных в нее частиц, массовая плотность которых близка к плотности среды (амплитудные неоднородности). Такие примесные частицы («трассеры») не возмущают поле скоростей течений исследуемой среды. В фурье-плоскости объектива 6 формируется фурье-спектр рассеянного на «трассерах» светового поля с длиной волны λ2. Для выполнения условий (6), (14) и (15) отношение длин волн λ2 и λ1 должно составлять 3/4. Эти волны должны быть согласованы с полосами rgb-спектра чувствительности пиксельной структуры фотоматрицы. Так, если, например, λ1 находится в красной области этого спектра (λ1=0,68 мкм), λ2 попадает в зеленую область (λ2=0,51 мкм). В этом случае гильберт-фильтр нечувствителен к рассеянному трассерами световому полю с длиной волны λ2, согласно (14) и (15), и на фотоматрице формируются изображения трассеров. В формировании этих изображений участвуют пикселы, чувствительность которых соответствует полосе rgb-спектра, к которой относится длина волны λ2.

В зондирующем световом поле с длиной волны λ1, возмущенном исследуемой средой, аддитивно присутствует компонента, рассеянная трассерами. Она подвергается гильберт-фильтрации наряду с компонентой, индуцированной возмущениями оптической фазовой плотности. На пиксельной структуре фотоматрицы, соответствующей длине волны λ1, в результате обратного фурье-преобразования фильтрованного сигнала формируются изображения гильберт-образов трассеров. При гильберт преобразовании происходит перераспределение энергии светового поля из области низких пространственных частот в область высоких пространственных частот [Ю.Н. Дубнищев. Теория и преобразование сигналов в оптических системах. С-П.: «Лань», 2011, с. 195-196]. В результате на фотоматрице формируются оконтуренные изображения трассеров в световом поле с длиной волны λ1. Оконтуренные изображения трассеров на длине волны λ1 позиционно совпадают с изображениями трассеров, сформированными на длине волны λ2. Это позволяет идентифицировать и исключить оконтуренные изображения трассеров на длине волны λ1 при анализе и обработке гильберт-визуализированного поля оптической фазовой плотности исследуемой среды.

Техническим результатом является исключение влияния амплитудных возмущений зондирующего светового поля на визуализацию полей фазовой оптической плотности исследуемой среды, за счет того, что зондирующее поле формируют двумя пространственно-совмещенными световыми пучками, волновые числа которых находятся в соотношении 3/4 и соответствуют разным цветам в rgb-спектре чувствительности фотоматрицы, один из которых в спектре зондирующего поля согласован с длиной волны светового поля, подвергаемого гильберт-фильтрации. Путем совместной обработки изображений в двух согласованных областях спектра исключают амплитудные возмущения из поля оптической фазовой плотности одним из известных способов.

Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах, состоящий в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют фурье-спектр возмущений светового поля, индуцируемых исследуемой средой, выполняют гильберт-фильтрацию фурье-спектра возмущений зондирующего оптического поля, выполняют обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля, проектируют его на фотоматрицу видеокамеры и анализируют покадровую последовательность изображений, отличающийся тем, что зондирующее поле формируют двумя пространственно-совмещенными световыми пучками, волновые числа которых находятся в соотношении 3/4 и соответствуют разным цветам в rgb-спектре чувствительности фотоматрицы, один из которых в спектре зондирующего поля согласован с длиной волны светового поля, подвергаемого гильберт-фильтрации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области для определения параметров взвешенных частиц. Устройство определения параметров взвешенных частиц содержит воздуховод, лазерный излучатель, объектив, матрицу ПЗС для регистрации и обработки не менее двух изображений плоской области потока частиц, «вырезаемой» световым ножом, а также содержит последовательно соединенные акустический излучатель, усилители мощности, цифроаналоговые преобразователи, датчик температуры, усилители, аналого-цифровые преобразователи, DSP-процессор, ЭВМ, интерфейс сопряжения с внешними устройствами, цифровой индикатор.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать газожидкостные вихревые течения с любым соотношением жидкости и газа. Способ основан на совместном использовании ЛДА и PIV, включающем пропускание через измерительный объем лазерного излучения, проведение измерений с получением полного периода пульсаций, определение на основе полученной информации временного интервала между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения когерентным лазерным светом, фиксирование изображений двумя CCD камерами, принимающими отраженный свет, и запись информации в заданном интервале времени.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам определения характеристик потока крови. Устройство содержит светоизлучающий блок, выполненный с возможностью излучения света в направлении элемента, блок регистрации света, выполненный с возможностью регистрации света, рассеянного обратно на элементе, оптический блок, выполненный с возможностью пространственного разделения участка элемента падения света элемента и участка элемента регистрации света элемента друг от друга, при этом оптический блок содержит элемент разделения светового пути, выполненный с возможностью разделения пути излучаемого света и пути обратно рассеянного света, и блок определения, выполненный с возможностью определения характеристики потока объекта на основе света, указывающего на излучаемый свет, и регистрируемого обратно рассеянного света.

Способ измерения поля скоростей в газовых и конденсированных средах, в котором структурированное зондирующее поле в исследуемой среде формируют в виде параллельных световых плоскостей на длинах волн, соответствующих цветовой чувствительности пикселей фотоматрицы, движущихся в этих плоскостях.

Изобретение относится к измерительной технике и касается способа измерения скорости течения жидкости с рассеивающими свет частицами. Способ включает в себя освещение потока жидкости одновременно двумя пучками лазерного излучения и определение спектра мощности P12(f) отраженного сигнала.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотоков. Способ, основанный на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включает установку CCD камер под углом, вычисленным с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, определение временного интервала между сериями изображений, фиксирование и запись изображений засеянных частиц и статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости, при этом внесение корректировок в параметры пороговой чувствительности CCD камер осуществляют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение основано на совместном использовании ЛДА и PIV.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного измерения скорости и направления ветра.

Изобретение относится к измерениям турбулентностей атмосферы с помощью лидарной системы, в частности на борту летательных аппаратов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного определения скорости и направления ветра.

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Способ повышения точности синтеза топологии элементов заключается в использовании лазерного генератора изображений с круговым сканированием, содержащего оптический тракт для обеспечения доставки лазерного излучения к головке записи, оптическую заготовку с нанесенным фоточувствительным материалом; фокусировке пучка лазерного излучения на поверхности оптической заготовки с нанесенным фоточувствительным материалом; применении дополнительных двух комбинированных оптических датчиков, каждый из которых содержит измерительный диск с угловым и кольцевым растрами, датчик угловых перемещений измерительного растра и два датчика линейных перемещений, а также применении двухкоординатного оптического дефлектора, который устанавливают дополнительно в оптическом тракте таким образом, чтобы направления управляемых координат двухкоординатного оптического дефлектора совпадали с направлениями радиальных и угловых перемещений сфокусированного пучка лазерного излучения.

Группа изобретений относится к области для определения качества обжимного соединения проводника. Устройство измерения обжимного соединения содержит блок обработки сигналов, дальномерное сенсорное устройство на основе использования оптического излучения и механизм перемещения, который перемещает сформированное обжимное соединение и дальномерное сенсорное устройство друг относительно друга.

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ и соответствующее устройство (100) для контроля шин на производственной линии обеспечивают предварительное размещение шины (200), подлежащей контролю, упругое деформирование участка боковины шины посредством приложения сжимающего усилия к внешней контактной поверхности участка боковины, при этом сжимающее усилие имеет осевое направление и ориентацию, направленную к диаметральной плоскости, освещение внутренней и/или внешней поверхности участка боковины и детектирование изображения освещенной поверхности, генерирование контрольного сигнала, соответствующего детектируемому изображению, и анализ контрольного сигнала для детектирования возможного наличия дефектов на участке боковины.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания подвижных трехмерных объектов.

Интерферометр содержит лазерный осветитель и объектив в осветительной ветви, светоделительный кубик, оптические узлы эталонной и рабочей ветвей, анализатор формы волнового фронта в регистрирующей ветви.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может использоваться для определения комплекса геометрических параметров поперечного сечения тел квазицилиндрической формы.

Изобретение относится к неразрушающему контролю заготовок. Способ контроля заготовки включает сохранение данных модели, связанных с заготовкой, в систему контроля и определение относительного положения измерителя удаленности по отношению к заготовке.

Средство формирования изображения содержит источник света и покрывающую крышку, чтобы покрывать область поверхности объекта. Часть внутренней поверхности крышки, соответствующая заданному угловому диапазону от направления нормали к поверхности объекта, лежащая прямо напротив заданной области, зачернена.

Изобретение относится к токоприемникам транспортных средств. Система для определения состояния токосъемника транспортного средства содержит устройство с видеокамерами для цифровой съемки изображений токосъемника и устройство для оценки записанных изображений на основе технологии сбора, передачи и обработки данных.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, в технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей, конвективных структур и фазовых переходов в газовых и конденсированных средах. Заявленный способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах состоит в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют фурье-спектр возмущений светового поля, индуцируемых исследуемой средой, выполняют гильберт-фильтрацию фурье-спектра возмущений зондирующего оптического поля, выполняют обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля, проектируют его на фотоматрицу видеокамеры и анализируют покадровую последовательность изображений. При этом зондирующее поле формируют двумя пространственно-совмещенными световыми пучками, волновые числа которых находятся в соотношении 34 и соответствуют разным цветам в rgb-спектре чувствительности фотоматрицы, один из которых в спектре зондирующего поля согласован с длиной волны светового поля, подвергаемого гильберт-фильтрации. Технический результат - исключение влияния амплитудных возмущений зондирующего светового поля на визуализацию полей фазовой оптической плотности исследуемой среды. 2 ил.

Наверх