Содержание к диссертации
Введение
1 Рефрактометрические методы диагностики 7
1.1 Принцип рефрактометрических исследований 7
1.2 Теневая фотография 11
1.3 Шлирен-методы 12
1.4 Интерферометрия 14
1.5 Спекл-интерферометрия 17
1.6. КОЛАР 19
1.7 Теневой фоновый метод (ТФМ) 20
1.8 Области применения ТФМ 22
1.9 Выводы по главе 30
2 Комплекс теневого фонового метода 31
2.1. Структурная схема теневого фонового метода 31
2.3 Приемная система 39
2.4 Обработка картин ТФМ 41
2.5 Моделирование влияния угла наблюдения 47
2.6 Выводы по главе 50
3 Влияние параметров фонового экрана 51
3.1 Статистическое распределение зерен на фоновом экране 51
3.2 Естественные фоновые экраны и их спектральные характеристики 56
3.3 Влияние параметров объектива 68
3.4 Влияние угла наблюдения 70
3.5 Влияние параметров обработки 72
3.6 Выводы по главе 77
4 ТФМ в натурных испытаниях 79
4.1 Модельный эксперимент с пропеллером 79
4.2 Натурные испытания различных объектов 88
4.3 Выводы по главе 91
Заключение 92
Благодарности 95
Литература 96
- Спекл-интерферометрия
- Моделирование влияния угла наблюдения
- Естественные фоновые экраны и их спектральные характеристики
- Натурные испытания различных объектов
Введение к работе
Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуации 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.
Спекл-интерферометрия
Как известно, явление интерференции света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, а также для контроля качества оптических систем. На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света [9]. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристаллов, в минералогии - для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.
С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с погрешностью до 1/10 длины волны, т.е. с погрешностью до 10 6 см. Для этого создается тонкая клиновидная прослойка воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности размером до 10"6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.
Объективы современных фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол - линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпендикулярно поверхности доля отраженной от нее энергии составляет 5 - 9% от всей энергии. Поэтому, сквозь прибор часто проходит всего 10 — 20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается малой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. Для устранения этих последствий отражения света от поверхности оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света с помощью специальных покрытий. Даваемое прибором изображения делается при этом ярче, "просветляется". На использовании интерференции света основано действие интерферометров [10]. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т.е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света. Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. Интерферометры также применяются для решения задач рефрактометрии . На рисунке 8 представлена схема интерферометра для измерения показателя преломления.
Ярко освещенная щель малой ширины S служит источником света, расположенным в фокальной плоскости объектива 0\. Параллельный пучок лучей, выходящий из 0\, проходит диафрагму D с двумя параллельными щелями и трубки Ri и R2, в которые вводятся исследуемые газы или жидкости. Трубки имеют одинаковые длины и занимают только верхнюю половину пространства между О] и объективом зрительной трубы 02. В результате интерференции света, дифрагирующего на щелях диафрагмы Д в фокальной плоскости объектива 02 вместо изображения щели S образуются две системы интерференционных полос, схематически показанные на рисунке. Верхняя система полос образуется лучами, проходящими через трубки R] и R2, а нижняя — лучами, идущими мимо них. Интерференционные полосы наблюдаются с помощью короткофокусного цилиндрического окуляра Оз. В зависимости от разности показателей преломления щ и пг веществ, помещённых в Rj и R2, система полос будет смещена в ту или иную сторону. Измеряя величину этого смещения, можно вычислить разницу показателей преломления.
После создания в в начале 1960-х годов первых газовых лазеров было отмечено особое свойство их излучения — зернистость отраженных от шероховатой поверхности пучков. В дальнейшем оказалось, что эта зернистость обусловлена высокой пространственной когерентностью лазерного излучения, и она получила название «спекл-структура» лазерного пучка.
Впервые метод спекл-интерферометрии был предложен Лябейри в 1970 г. [11]. Название этого метода происходит от английского speckle — зерно. Дело в том, что всякое более или менее монохроматическое изображение имеет зернистый вид; чтобы убедиться в этом, достаточно внимательно взглянуть на предметы, освещенные лучом лазера. Это происходит потому, что лазерный свет когерентен, и на приемнике (например, на сетчатке глаза) суммируются не интенсивности, а амплитуды отдельных волн. Зернистость — результат случайной интерференции, когда суммируется много отдельных независимых амплитуд [11]. Таким образом, в одних местах амплитуды взаимно погасятся, в других же местах, наоборот, усилят друг друга. Здесь также важно заметить, что распределение интенсивности в спекл-изображении совершенно не зависит от природы рассеивателя.
Моделирование влияния угла наблюдения
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 автором программа. Данная программа позволяет любое изображение поворачивать на произвольный угол. Это достигается путем локального искажения элементов исходного изображения в соответствии с заданным углом поворота.
В основе алгоритма данной программы лежит линейное преобразование дискретного вектора в непрерывную функцию (линейная интерполяция). Так, из исходной матрицы изображения берется столбец и с помощью линейной интерполяции преобразуется в непрерывную функцию одной переменной. После этого, появляется возможность масштабировать (сжимать или растягивать) данную функцию в определенное число раз. Число раз, в которое необходимо ее сжать/растянуть, определяется исходя из угла поворота. Таким образом, поочередно берется каждый столбец в матрице исходного изображения, преобразуется в непрерывную функцию, и сжимается/растягивается в необходимое число раз, преобразуясь после этого снова в дискретную функцию. В результате получаем изображение, искаженное по вертикали в соответствии с заданным углом поворота. Однако, при повороте происходит также искажение и в горизонтальной плоскости. Поэтому, вышеприведенный алгоритм применяется повторно, но к уже полученному искаженному изображению, и не к столбцам, а к строкам матрицы изображения. В результате всех этих преобразований, на выходе получаем «повернутое» на определенный угол изображение.
В данной модели использовались изображения фонового 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 35. Показано, что наиболее точные результаты достигаются при наименьших углах, то есть в случае, когда камера установлена нормально к фоновому экрану.
В данной главе были рассмотрены основные характеристики разработанного комплекса для исследования точности ТФМ. Приведен алгоритм генерации структурированных экранов, рассмотрены параметры фоновых экранов. 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 универсальной нормировочной миры, а также рассмотрено влияние угла наблюдения на результаты определения смещений. Было показано, что результаты обработки тем лучше, чем меньше данный угол.
При лабораторных исследованиях с помощью ТФМ обычно используются фоновые экраны с хаотично разбросанными «зернами» разнообразной (как правило, округлой) формы. Такие экраны сначала создаются в электронной форме с помощью специализированных программных средств, а затем распечатываются на обычной бумаге или плотной фотобумаге. Как показали исследования, форма зерен не влияет на полученный результат, поэтому, в дальнейшем будут рассматриваться только экраны с зерном округлой формы.
Основными параметрами фонового экрана являются величина разброса зерен в соответствии с заданным статистическим законом, а также среднее расстояние (шаг) между зернами. Целью этого эксперимента было изучение влияния шага между зернами на фоновом экране на результат. Для этого эксперимента была изготовлена специальная серия экранов на матовой фотобумаге. Единственным изменяемым параметром в данном эксперименте был шаг (т.е. среднее расстояние между зернами), которое меняется от 10 до 20 пике, с шагом 1 пике. Так же, как и в предыдущих экспериментах, каждый фоновый экран по очереди сдвигался микрометрическим винтом с 0 до 30 калибровочных делений через 5 делений. Одно малое деление соответствует сдвигу в 0,01 мм. Внешний вид двух экранов, с самым малым и самым большим расстоянием между зернами, представлены на рисунке 40. С увеличением номера экрана увеличивается шаг, а следовательно, уменьшается плотность зерен.
На объектив одевалось 18 мм удлинительное кольцо, для обеспечения нужного для, обработки масштаба. Расстояние от камеры до фонового экрана; составляло 170 мм. Далее проводилась обработка в обычном порядке с величиной окна опроса 128x128 пике, и шагом 64x64 пике. Экспериментальные результаты представлены на рисунках 41 и 42.
Естественные фоновые экраны и их спектральные характеристики
В качестве приемной оптической системы в измерительной установке на основе теневого фонового метода выступает объектив фотоаппарата или видеокамеры. Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах и, при прочих равных условиях, определяет угол зрения. Более широкий угол обеспечивается меньшим фокусным расстоянием. И, наоборот, — чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения объектива. Нормальный же угол зрения видеокамеры эквивалентен углу зрения человека, при этом объектив имеет фокусное расстояние, пропорциональное размеру диагонали матрицы ПЗС.
Исходя из вышесказанного, объективы принято делить на нормальные, короткофокусные (широкоугольные) и длиннофокусные (телеобъективы). Объективы, фокусное расстояние которых может изменяться более чем в 6 раз, называются трансфокальными (объективами с трансфокатором или ZOOM-объективами). Данный класс объективов применяется при необходимости детального просмотра объекта, удаленного от камеры. Например, при использовании трансфокального объектива с десятикратным увеличением, объект, находящийся на расстоянии 100 м, будет наблюдаться как объект, удаленный на расстояние 10 м. Наиболее часто используются трансфокальные объективы, оборудованные электроприводами для управления диафрагмой, фокусировкой и увеличением. Управление камерой, оборудованной данным объективом, оператор может осуществлять дистанционно (например, с персонального компьютера).
Кроме фокусного расстояния, важной характеристикой объектива является относительное отверстие. Обычно объектив имеет несколько значений относительного отверстия (1 :F) или апертуры. Полностью открытая диафрагма — F минимально, диафрагма закрыта - F максимально. Значение F влияет на выходное изображение. Малое F означает, что объектив пропускает больше света, соответственно, камера лучше работает в темное время суток. Апертура (l:F) влияет также и на глубину резкости. Глубина резкости показывает, какая часть поля зрения находится в фокусе. Большая глубина резкости означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе (при закрытой диафрагме возможно достижение бесконечной глубины резкости). Малая же глубина резкости позволяет наблюдать в фокусе лишь небольшой фрагмент поля зрения. На глубину резкости влияют определенные факторы. Так, объективы с широким углом зрения обеспечивают, как правило, большую глубину резкости. Высокое значение F свидетельствует также о большей глубине резкости. Наименьшая же глубина резкости возможна, когда диафрагма полностью открыта (поэтому объектив, сфокусированный, например, в дневное время, ночью может оказаться расфокусированным).
Для схемы теневого фонового метода наиболее важными характеристиками являются фокусное расстояние и глубина резкости. Наиболее оптимальными для диагностики крупномасштабных объектов являются трансфокальные (ZOOM) объективы. Они позволяют проводить диагностику сразу больших площадей, но при необходимости есть возможность исследовать подробно интересующую область.
Глубина резкости для теневого фонового метода должна быть максимально возможной. Поэтому для объективов обязательным условием является наличие апертурной диафрагмы. При проведении экспериментов она должна быть максимально закрыта, но при этом необходимо, чтобы было достаточно света для регистрации изображения. Именно поэтому и возникает необходимость дополнительной подсветки экрана при недостаточном естественном освещении.
В качестве приёмного устройства можно использовать как аналоговые, так и цифровые приборы. При использовании аналоговых устройств необходим процесс оцифровки изображения, что влечет за собой появление дополнительных шумов, которые сильно сказываются на результате обработки. К недостаткам аналоговых устройств можно отнести и необходимость использования специальной платы сопряжения, с помощью которой аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.
Использование цифровых устройств заметно упрощает передачу данных в компьютер. В этом случае передача данных проводится через высокоскоростные интерфейсы USB 2.0, IEEE 1394 от фотоаппарата или видеокамеры непосредственно в компьютер. Выбор применяемого прибора (фотоаппарат или видеокамера) определяется требуемым временным разрешением. Если исследуемый процесс является медленно протекающим, то бывает достаточно фотоаппарата, управляемого компьютером. Для быстропротекающих процессов необходимо использование видеокамеры.
Важным параметром регистрирующей системы является пространственное разрешение. Для цифровых приборов разрешение определяется количеством пикселей приемной ПЗС матрицы. Рекомендуется использовать матрицы с количеством пикселей от 1000x1000 и выше. Это позволяет получать достаточно хорошее пространственное разрешение при не очень больших размерах области исследования. Например, если размер области исследования составляет 1 м на 1 м, то при объективе без увеличения пространственное разрешение составит 1 пиксель/мм.
Натурные испытания различных объектов
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 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.
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. 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» (-15 — 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.
