Содержание к диссертации
Введение
1 Методы получения изображения с использованием зондирующего лазерного излучения (обзор итературы) 11
1.1 Лазерные методы и системы видения 11
1.1.1 Классификация и особенности построения лазерных систем видения 11
1.1.2 Примеры практической реализации лазерных систем видения 20
1.1.2.1 Двухчастотная лазерная система видения с импульсным подсветом 20
1.1.2.2.Лазерная система видения с повышенной обнаружительной способностью 27
1.1.3 Наблюдение подводных объектов с помощью лазерных систем видения 32
1.2 Лазерные методы диагностики объектов 39
1.2.1 Теневые методы 39
1.2.1.1 Проекционный метод 39
1.2.1.2 Метод Теплера 42
1.2.2 Интерференционные методы 48
1.2.3 Голографические методы 54
1.3 Лазерная спекл - интерферометрия 57
2 Визуализация оптических неоднородностеи телевизионно-теневым методом 65
2.1 Портативный лазерно-телевизионный визуализатор «Луч-К» 65
2.1.1 Физические основы телевизионно-теневого метода 65
2.1.2 Описание конструкции лазерно-телевизионного визуализатора 68
2.1.2.1 Оптический модуль 68
2.1.2.2 Теневая телевизионная камера 68
2.1.2.3 Видеопросмотровое устройство (ВПУ) 70
2.1.2.4 Анализ чувствительности ЛТС 72
2.1.3 Примеры визуализации оптических неоднородностей 73
2.1.3.1 Визуализация воздушных конвективных потоков 73
2.1.3.2 Визуализация процессов растворения 75
2.1.3.3 Визуализация свищей 75
2.1.3.4 Визуализация оптических неоднородностей стекол и прозрачных кристаллов 77
2.1.3.5 Визуализация биологических объектов 78
2.1.3.6 Визуализация аэрозолей (пыли) 78
2.2 Визуализация и обработка теневых изображений пограничных слоев численными методами 80
2.2.1 Оптические свойства теплового пограничного слоя 80
2.2.2 Методика и результаты экспериментальных исследований 82
2.2.3 Моделирование тепловой структуры пограничного слоя численными методами 87
2.2.4. Телевизионное измерение скорости потока с использованием тепловых меток 93
2.3 Разработка методики визуализации и измерения характеристик направленных потоков аэрозольных сред 101
2.3.1 Измерительный стенд для проведения исследований 101
2.3.2 Исследование возможности визуализации процесса распыления жидкости с помощью теневых методов 102
2.3.2.1 Проекционный теневой метод 102
2.3.2.2 Метод Теплера 105
2.3.3 Разработка методов измерения характеристик распыла 105
2.3.3.1 Ручной метод 107
2.3.3.2 Автоматический метод 107
2.3.4 Разработка методики измерения скорости движения капель распыляемой жидкости 110
2.4 Мгновенный контурный анализ шероховатых объектов 115
2.4.1 Применение ЛТС «Луч» для получения контуров шероховатых объектов 115
2.4.2 Разработка методики контурного анализа ворсистых нитей 117
Выводы по главе 2 123
3 Метод совмещенной сетки в задачах исследования температурных полей конвективных потоков 124
3.1 Метод расфокусированных решеток в лазерно-телевизионных системах 124
3.1.1 Общие сведения 124
3.1.2 Теоретические основы методов 126
3.1.3 Особенности построения оптических схем 129
3.2 Лабораторный измерительный стенд для проведения исследований 130
3.2.1 Описание принципа работы стенда 130
3.2.2 Особенности конструкции стенда 132
3.2.3 Разработка требований по метрологическому обеспечению СЛТС. 135
3.3 Визуализация и обработка изображения методом совмещенной сетки 136
3.3.1 Исследование процессов визуализации 136
3.3.2 Разработка программного обеспечения «ТеплоVision» 139
3.3.2.1 Задача классификации теневого изображения узлов решетки 139
3.3.2.2 Определение точных координат теневых изображений узлов решетки 143
3.3.2.3 Описание программы «TermoVision» 146
3.3.2.4 Управление периферией 151
4 Экспериментальные исследования тепловой структуры конвективных потоков в жидкостях и газах 154
4.1 Исследование процессов свободной конвекции в воде 154
4.1.1 Визуализация 154
4.1.2 Тестирование программного обеспечения 156
4.2 Исследование процессов свободной конвекции в воздухе 162
4.3 Визуализация и исследование тепловой структуры пламени 166
Выводы по главе 4 171
Заключение 172
Список научных трудов 174
Свидетельства и патенты 176
Тезисы докладов 176
Список литературы 179
Приложение А
- Лазерные методы диагностики объектов
- Визуализация и обработка теневых изображений пограничных слоев численными методами
- Лабораторный измерительный стенд для проведения исследований
- Тестирование программного обеспечения
Введение к работе
Применение цифровых методов отображения и передачи информации в системах промышленного телевидения позволяет создавать диагностические комплексы, отличающиеся значительным быстродействием, высокой чувствительностью и надежностью в условиях широкого спектра воздействия окружающей среды (температура, влажность, агрессивные и взрывоопасные среды, ионизирующее излучение, электромагнитное поле). Характер и уровень воздействий связан с конкретной спецификой предприятий и объектов, на которых эксплуатируется аппаратура. Особую актуальность представляют лазерно-телевизионные системы (ЛТС), в которых изображение формируется за счет взаимодействия зондирующего излучения с объектом исследования. Такие системы в настоящее время позволяют решать задачи, связанные с наблюдением объектов на больших расстояниях в рассеивающих средах, визуализацией оптических неоднородностей, измерением деформаций и температур.
Известные в настоящее время высокочувствительные
интерферометрические методы, реализуемые в ЛТС, как правило, требуют для получения достоверной количественной информации особых условий эксплуатации, а так же трудоемких вычислительных алгоритмов, что затрудняет принятие решения в реальном масштабе времени. Кроме того, они отличаются высокой стоимостью.
Несомненный интерес представляют ЛТС, регистрирующие изменение показателя преломления по отклонению лазерного луча в пределах оптической неоднородности среды - теневые методы,
В рамках теневого метода с использованием цифровых технологий
возможно создание многофункциональной, автоматизированной,
диагностической телевизионной системы. Для решения поставленной задачи требуется проведение целого комплекса исследований.
При изучении нестационарных процессов (конвекция, горение, взрывы и т.п.), в которых объект меняет свои характеристики, необходимо развертывать процесс во времени, получать количественные данные в течение всего эксперимента. Поэтому важным этапом исследований является разработка цифрового телевизионно-теневого метода и создание на его основе портативной лазерно-телевизионной системы, а так же анализ чувствительности и экспериментальная проверка функциональных возможностей ЛТС, разработка новых методик и программного обеспечения.
Конвективные потоки в жидкостях и газах наиболее широко представлены в технике и технологиях. Наряду с задачей визуализации существует необходимость количественных оценок распределения температуры в заданной области конвективного потока. В связи с этим возникает задача, нацеленная на разработку метода измерения температур с использованием оптических решеток, необходимость автоматизации процесса измерений требует проведения исследований по созданию лабораторного стенда, разработки алгоритмов и программного обеспечения.
Экспериментальные исследования тепловой структуры конвективных потоков представляют научный и практический интерес, который связан, прежде всего, с апробацией разработанного метода измерения температур. Кроме того, результаты таких исследований являются базой для оптимизации предложенных алгоритмов, программного обеспечения и конструкции ЛТС.
Целью данной диссертационной работы является разработка цифровых методов визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах, позволяющих автоматизировать процесс измерений и обеспечить высокую информативность, достоверность и наглядность.
Научная новизна:
1. Разработан и экспериментально апробирован цифровой, телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностей в газах, жидкостях и оптически прозрачных твердых телах. Впервые показана
8 возможность обработки теневых изображений фазовых объектов численными методами.
Разработан метод получения изображения теневого контраста направленных потоков аэрозольных сред. На основе цифровой обработки изображения предложены и впервые экспериментально апробированы способы определения угла распыла и распределения плотности по сечению и скорости потока.
Предложен и экспериментально апробирован новый метод мгновенного контурного анализа объектов, в том числе, обладающих повышенной шероховатостью. В рамках метода впервые разработан алгоритм обработки изображения, позволяющий измерять геометрические характеристики протяженных шероховатых объектов.
Разработан и экспериментально апробирован цифровой, телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностеи по принципу деформации (искажения) изображения регулярного точечного контраста.
Впервые предложен и экспериментально апробирован метод совмещенной сетки позволяющей автоматизировать процесс цифровой обработки изображения теневого точечного контракта и рассчитывать дискретное поле температур конвективных потоков.
Практическая ценность:
Разработаны методики получения с помощью цифровой ЛТС одновременного изображения объекта и визуализации оптических неоднородностеи в различных средах.
Сформированы требования к аппаратному и программному обеспечению цифровой обработки изображений.
Предложена методика расчета распределения температур численным методом по теневому изображению, полученному с помощью ЛТС.
Алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью ЛТС измерять на фоне шума и
9 дифракционных искажений, геометрические размеры, углы, скорости потоков и распределения температур объектов.
5. Предложены и реализованы варианты конструкций телевизионных теневых камер.
Реализация в науке и технике.
Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ФГУП «НИИПТ «Растр», в НовГУ им. Я.Мудрого в лекционных курсах «Тепло- и массообмен в ЭС», «Защита РЭС в экстремальных условиях», для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств».
Научные положения, выносимые на защиту:
Мгновенный контурный анализ объектов, основанный на регистрации теневого контраста фазовой границы с последующей цифровой обработкой изображения, позволяет осуществлять измерение геометрических характеристик объектов, в том числе с большой шероховатостью.
Цифровая обработка секторных теневых изображений распыла, включающая процедуры фильтрации, оценки яркостных характеристик, бинаризации, позволяет измерять в автоматическом режиме его геометрические характеристики.
Метод совмещенной сетки, основанный на цифровых алгоритмах сравнения двух зарегистрированных теневых изображений точечной оптической решетки, позволяет измерять распределение температур в конвективных потоках.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались: на 10-ти Всероссийских конференциях («Современное телевидение», Москва, 1982, 1996, 1997, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.: «Современные телевизионные технологии», Москва, 2004, 2006 гг.; «Проблемы развития электроники в России», г. Санкт-Петербург, 2001 г.).
Публикации:
По теме диссертации опубликованы 36 научных работ, из них 18 статей, 1 патент, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, тезисы к 15 докладам на российских научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименования и 4 приложений.
Основная часть диссертации изложена на 188 страницах машинописного текста.
Работа содержит 104 рисунка и 14 таблиц.
Лазерные методы диагностики объектов
Сущность метода подробно изложена в ряде монографий и многочисленных статьях [77, 83-90]. Известно также большое количество теневых оптических схем, которые обеспечивают количественную или качественную регистрацию отклонения световых лучей в исследуемой области. В качестве примера приведены принцип метода (рис. 16) и вариант схемы теневого прибора (рис. 17).
Любая оптическая неоднородность S (см. рис. 16), поставленная на пути светового пучка, вызывает искажение волнового фронта, а следовательно, идущий от этих участков свет дает изображение светящейся точки в другом месте. Поэтому в тот момент, когда основное изображение перекрыто ножом, лучи, идущие из оптической неоднородности, будут еще попадать на экран и давать изображение неоднородности — либо освещенной на темном поле, либо темной на светлом поле. Следует отметить, что замена точечного источника света щелевым, а также применение в качестве источника света лазеров, позволяет получить во много раз больший световой поток без потери чувствительности [77, 84, 86].а - в сходящемся пучке (1 - источник света; 2 - объектив; 3 - щель;4 -основной объектив; 5 - нож Фуко; 6 - дополнительный объектив; 7 - экран); б, в - край ножа смещен на известное расстояние от оптической оси; г — нож заменен фазовой пластинкой Вольтера; д — нож заменен решеткой прозрачных и непрозрачных полос.На рисунке схематически показаны распределения освещенности на экране (см. рис. 17, б—д) в окрестности линии s=const. (1, 2 — границы рабочей камеры на экране). На основе явлений дифракции в [88] выполнена оценка разрешающей способности теневого метода. При этом показано, что дифракция на элементе неоднородности с поперечным размером d приводит к размазыванию изображения источника света на величину 5 A/d, где А, - длина волны источника света. В этом случае зависимость изменения освещенности экрана от смещения изображения на А/ будет линейной для / 5/2, а следовательно, оптимальное значение расстояние от кромки ножа до оптической оси при отсутствии аберраций /onT Af/2d. Тогда на основании равенства АЕ/Е АШ (ї/Г)е, и с учетом того, что А/ не может быть больше /, получается диапазон возможных угловых отклонений:8mjn - минимальное угловое отклонение. Таким образом, smjn определяется размером минимально разрешаемого элемента d в предметной плоскости и минимальным измеряемым значением освещенности АЕ/Е.
Следует отметить, что при использовании точечного источника, сформированного при фокусировании лазерного луча с расходимостью порядка 1(Г3рад, пространственное разрешение, по сравнению с обычными источниками света, улучшается в несколько раз.
Наибольшее развитие теневые методы получили при изучении процессов в газах в связи с развитием сверхзвуковой ракетной техники. Они позволяют определить контуры ударных волн и охарактеризовать их взаимодействия с твердыми объектами, газовым потоком и друг с другом [76, 77, 78]. Теневые методы оказываются полезными при исследован явлений термодиффузии конвективных потоков вокруг нагретых тел, процессов впрыска, смешения и горения в стационарных и нестационарных условиях [76, 77, 88].
Теневые методы наиболее пригодны для случаев, когда имеют место небольшие градиенты показателя преломления. В некоторых случаях удается получить качественные шлирен-фотографин таких явлений, как газовая детонация, когда градиенты показателя преломления велики [77].
Значительный интерес представляет использован теневых методов визуализации, позволяющих исследовать газовые неоднородности, образующиеся в процессе горения (рис. 18), а также при введении аэрозольных частиц [77, 91].
Для получения достоверной формации о размерах частиц и волновой структуре газа, обтекающего движущиеся частицы, необходимо наряду с высокой чувствительностью к градиентам плотности обеспечить хорошее пространственное и временное разрешение. В работе [88] для исследований сверхзвукового двухфазного потока использовалась импульсная теневая установка, в которой осветителем служил рубиновый лазер с длительностьюимпульса 30 10" си энергией 1 Дж. На полученных теневых снимках обтекания тел сверхзвуковым двухфазным потоком хорошо заметны локальные волны, образующиеся около отдельных частиц при сверхзвуковом обтекании.
При исследовании динамики процессов горения совокупности мелких частиц, например, капель горючего с характерным временем их существования 10" -40 с, для получения информации об изменении их размеров, о распределении плотности в окружающей среде, большой интерес представляет использование импульсных теневых установок многокадрового фотографирования за счет пространственно-временного разделения кадров с помощью системы зеркал. На рис 19 приведена схема импульсной теневой установки с трехкадровой фоторегистрацией исследуемого процесса. Рисунок 19 - Оптическая схема импульсной теневой установки с трехкадровой фоторегистрацией [88]:1 - луч лазера; 2-4, 10-12 - линзы; 3 - диафрагма; 5, 6 - глухие зеркала; 7, 8 - полупрозрачные зеркала с коэффициентом отражения 50 и 70% соответственно; 9 - исследуемая область; 13-15- «ножи»; 16-18- экраны.
Луч рубинового лазера с длительностью импульса 5-10"9с, при помощи глухих и полупрозрачных зеркал с коэффициентом отражения 70 и 50% разделяется на три луча, имеющие разную оптическую длину пути до объекта исследования, которые поочередно проходят через исследуемую область и образуют теневую картину в плоскости экранов. При этом временной интервал между кадрами определяется разностью хода между лучами, а длительность экспозиции длительностью импульса лазера.
Следует подчеркнуть, что в настоящее время фотоэлектрические способы регистрации теневых изображений являются основными, при этом ТВ ПЗС матрицы занимают ведущее положение, обеспечивая необходимую чувствительность, быстродействие и надежность [89].
Интерференционные методы основаны на зависимости оптической разности хода двух сходящихся лучей от показателя преломления пройденных ими областей. По сравнению с теневыми методами, интерференционные дают более подробную информацию об исследуемом объекте и являются более точными. Они чаще используются для количественных измерений, и в то же время, обладают большой сложностью построения, стоимостью, а также имеют большую ограниченность диапазона измерений по сравнению с теневыми методами [76, 77, 81, 88]. Подробное изложение принципов и методов оптической интерферометрии можно найти в работах [76, 81, 83]. Основными объектами исследования с помощью интерферометров являются прозрачные фазовые неоднородности - воздушные потоки, вихри, ударные волны, плазмы и др. [76].
Визуализация и обработка теневых изображений пограничных слоев численными методами
Проектирование современных радиоэлектронных средств, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, предполагает использование различных систем охлаждения, в том числе и жидкостных [83]. При этом возможны как минимум два варианта отвода тепла: за счет непосредственного контакта электрорадиоэлементов с жидким хладагентом, так и через стенку. Для оптимального построения таких систем определенный интерес представляют знания о структуре образующихся конвективных потоков и характере распределения в них температур [115]. Известно, что теплоотдача при конвекции для поверхностей простой геометрической формы анализируется с помощью теории пограничного слоя, согласно которой перенос теплового потока при ламинарном режиме в направлении нормали к стенке осуществляется теплопроводностью [83, 115]. Образующийся пристенный слой жидкости в виде теплового пограничного слоя обладает тем свойством, что по отношению к проходящим через него световым лучам он действует как «шлирная линза» искривляя их траекторию [76].
Следует подчеркнуть, что распределение показателя преломления в пределах «шлиры» для однородной жидкости определяется преимущественно полем температур [76].
Для исследования проекционного изображения (теневой картины) шлиры можно использовать модель, предложенную в [76] (рис. 44). Здесь параллельные лучи света проходят через тепловой пограничный слой плоской пластины и падают на проекционный экран. Требуется найти функцию, описывающую ход светового луча в тепловом пограничном слое и координату Уі на экране.
Здесь индекс w соответствует значениям показателя преломления на стенке. Если ввести нормализованные координаты [76]:где:S - толщина теплового пограничного слоя,то на основании (2.12) и (2.13) получим уравнение, выражающий «закон изображения пограничного слоя» [76]:
Плотность потока излучения (освещенность) на экране изменяется вследствие отклонения световых лучей. При этом будет выполняться следующее соотношение [76]:n"= d n/dy - вторая производная распределения показателей преломления в пограничном слое п(у). Анализ (2.16) показывает, что при выполнении условиястановится бесконечно большой величиной. В этом случае на экране возникают так называемые каустические линии, которые часто наблюдаются на теневых изображениях, например, оптически неоднородных стекол и др. [76,77,83].
Экспериментальные исследования (визуализация) процессов свободной конвекции в дистиллированной воде осуществлялись с использованием специально разработанной ячейки (рис. 45), которая помещалась в оптический канал ЛТС «Луч». В нее на держателе опускался исследуемый резистор МЛТ-0,125[Вт]-200 [Ом], который через внешние выводы подключался к источнику электропитания. Для измерения температуры в различных точках ячейки использовалась стандартная термопара (ТХА) и цифровой тестер. Сформированное камерой теневое изображение процесса конвекции вокруг исследуемого резистора визуализировалось на дисплее ПЭВМ с помощью специального программного обеспечения TSS-32.
Исследования показали, что построение ЛТС по методу Теплера [111, 112, 122] позволяет непосредственно наблюдать изображение конвекционных потоков в реальном масштабе времени, изучать различные тепло- и гидродинамические вопросы этого явления (рис.46).
Определенный научный и практический интерес, связанный с функциональными возможностями ЛТС «Луч», представляют исследования тепловых пограничных слоев, образующихся вокруг нижней поверхности нагретых тел, например, горизонтальных цилиндров, пластин и др. [83, 115].
Визуализация интересующих областей была осуществлена за счет использования нижней грани оптического ножа, установленного в теневой телевизионной камере ЛТС.
Улучшение качества изображения достигалось путем использования нейтральных фильтров. Типичные примеры приведены на рис. 47. Рисунок 46 - Визуализация процессов свободной конвекции вокруг резистора в воде. Фото. Эксперимент, ЛТС «Луч».- резистор; конвективный поток; а - стационарный нагрев;- нестационарный нагрев (отрыв пограничного слоя)
Анализ полученных экспериментальных результатов показал, что в процессе стационарного нагрева горизонтально ориентированного резистора образуется пленочная структура теплового пограничного слоя, что является характерным для тонких проволочек [76, 83, 115]. Рисунок 47 - Визуализация теплового пограничного слоя. Фото. Эксперимент, ЛТС «Луч», вода, Р = 2,0 Вт. 1 - резистор; 2- пограничный слой, а - без нейтрального фильтра; 6-е нейтральным фильтром.
Для оценки степени влияния электрической мощности, подаваемой на резистор, на толщину теплового пограничного слоя, полученные изображения обрабатывались с помощью специальной программы «Нить» (рис.48) (описание программы приведено в п. 2.4) [123].
Лабораторный измерительный стенд для проведения исследований
Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена стационарная лазерно-телевизионная система (СЛТС) - лабораторный стенд, внешний вид которого показан на рис.79, а его структурная схема на рис.80.
Принцип работы стенда следующий. Узкий пучок света от гелийнеонового лазера ( =0,63 мкм) (1) проходит через оптический модуль (2), где подвергается расфокусировке., далее после взаимодействия с объектом исследования (3) поступает в специально разработанную теневую телевизионную камеру (4), которая формирует теневое изображение процесса конвекции и объекта наблюдения. Управление камерой (4) осуществляется с помощью персонального компьютера (6) через камерный контроллер (5). Для этих целей используется специальное программное обеспечение. Монитор компьютера тже выполняет роль видеоконтрольного устройства.система (лабораторный стенд). Структурная схема1- гелий неоновый лазер; 2 оптический модуль; 3 - объект исследования; 4 - теневая телевизионная камера; 5 - камерный контроллер; 6 - персональный компьютер и специальное программное обеспечение «Thermovision»
В качестве дополнительного оборудования и материалов использовались: источники питания, сменные объективы, цифровой тестер, термопары, оптические ячейки с различными жидкостями, оптические решетки, источники тепловой энергии, биообъекты, стекла, линзы и др. Температурное поле конвективных потоков определялось методами обработки изображений [129, 130]. Для этих целей была разработана и испытана специальная программа «Thermovision».
Учитывая, что теневые методы построены на регистрации отклонения светового луча в исследуемых оптически прозрачных средах, выбор спектрального диапазона осуществляется по критериям, приведенным в табл.3.1. ЛТС «Луч» заключается в конструкции теневой телевизионной камеры (ТТК) (рис. 81).
Она состоит из входного объектива («Гелиос-44») (1), который формирует на ТВ-ПЗС матрице изображение объекта и теневого изображения решетки; оптической решетки (2) (использовались точечные решетки с различным отношением периода к диаметру точки, (рис.82); позиционер (3) предназначен для перемещения решетки вдоль оптической оси с целью управления чувствительностью ТТК; электронная система (4) включает контроллер и источник электропитания (контроллер предназначен для управления режимами позиционера, измерения температуры среды и организации канала связи между ТТК и ПЭВМ); черно-белая ФПЗС матрица (5) (VSC-545 760Н х 580V пикселей с компьютерным управлением (рис.83). Следует отметить, что при разработке СЛТС выбор ФППЗС матрицы был осуществлен из ограниченной номенклатуры изделий (табл. 3.2) по следующим сформированным критериям:жесткая растровая структура;чувствительность в спектральном диапазоне от 400 до 650 нм;определенность и стабильность характеристик преобразования оптического излучения в телевизионный сигнал;высокая разрешающая способность;возможность регистрации объектов с различной яркостью в условиях неработающей АРУ. Разработка требований по метрологическому обеспечению СЛТС
Переход от лабораторных условий к производственно-промышленным наиболее сильно может осложнить применение ЛТС для проведения газодинамических и других исследований. Прежде всего, это связано с двумя основными факторами: вибрациями и тепловыми потоками.
Влияние вибраций особенно становится актуальным, когда изучаемая неоднородность отклоняет световые лучи на малые углы, и требуется настройка прибора на высокую чувствительность. Так, если необходимо, чтобы ЛТС измерял углы отклонения света в 1", то изображение щели не должно за время эксперимента смещаться на величину, большую чем 10 3мм. Однако здесь следует учитывать тот факт, что одновременный сдвиг осветительной и приемной частей ЛТС не приводит к смещению изображения щели и таким образом не искажает результат теневых измерений.
Тепловые воздействия могут приводить к деформации воздушной среды, расположенной в ЛТС и между ЛТС и изучаемым объектом. При этом на показания, регистрируемые ТТК, почти одинаково влияют тепловые возмущения, расположенные в поле зрения ТТК на разных расстояниях вдоль оптической оси (лазерного луча).
Колебания плотности воздуха в ТТК будут также приводить к смещению изображения щели. Если угол отклонения, даваемый дополнительными возмущениями, почти постоянен на всем поле прибора, то такие погрешности приводят лишь к изменению чувствительности измерения.
Теоретическая оценка влияния тепловых и конвекционных потоков затруднительна. На практике целесообразно проводить для этих целей натурные эксперименты и использовать теплоизолирующие прослойки. Для того, чтобы тепловые воздействия не оказывали существенного влияния на теневые измерения, необходимо, чтобы посторонние нагревания не приводили к смещениям щели, большим чем на 10"3мм [77].
Градуировка и поверка ЛТС может осуществляться с помощью эталонных неоднородностей (ЭН) [76, 77]. Роль ЭН могут выполнять набор клиньев или линз малой кривизны. Более часто в качестве ЭН используется сферическая линза. Распределение углов отклонения в таком объекте известно. Если фокусное расстояние линзы равно і"л, то каждая ее точка отклоняет световой луч на угол:Ri- расстояние от данной точки линзы до ее оптического центра.
Типичные значения фокусного расстояния ЭН в виде линзы лежат в интервале 2 -г 200 м. Это позволяет перекрывать весь диапазон углов отклонения лучей, регистрируемых методом расфокусированных диафрагм.
Тени точек представляют собой сложную дифракционную картину. При различных значениях расфокусировки А они могут быть как темными, так и светлыми. Эксперименты показали, что происходит обращение дифракционной картины [77]. Типичные примеры визуализации приведены нарис. 84,85.
В экспериментах использовалась точечная решетка с отношением периода к диаметру точки равным двум, для которой были выполнены исследования по поиску наилучшего значения А (приложение В). В роли определяющих критериев выступали: качество изображений и возможность их автоматической обработки. Было установлено, что обращение теней, создающих точечной решеткой, происходит только при отрицательных значениях А. Использование обратных картин на снимке при той же чувствительности способствует тому, что получается большее количество теней точек, чем для прямых картин. ПоэтомуРисунок 84 - Примеры теневых картин. Фото. Эксперимент, точечнаярешетка.а - значение расфокусировки А =- 25; б- А = + 33. а бРисунок 85 - Примеры визуализации. Фото. Эксперимент, точечная решетка, среда - трансформаторное масло, а - нет нагрева; б - нагрев 1 - цилиндрический источник теплового потока.
Кроме того, как отмечается в [77], обращенные теневые изображения по ряду параметров оказываются технологичнее для последующей обработки. Практический интерес представляет зависимость между величиной расфокусировки А и расстоянием между двумя точками на экране, соответствующими изображению решетки. Пусть Е имеет фиксированное значение равное единице. Тогда после некоторых преобразований получим следующую формулу:
Тестирование программного обеспечения
Следует отметить, что в пределах теплового пограничного слоя, наряду с нарушением трансляции решетки, происходит существенное изменение формы теневых изображений узлов решетки, а так же появление дополнительных более мелких изображений узлов (сателлитов). Важно подчеркнуть, что регистрируемая картина конвекции в воде в целом повторяет ранее полученную методом Теплера, например, см. рис. 97.4.1.2 Тестирование программного обеспечения Хорошая повторяемость визуализирующих теневых картин свободной конвекции в воде, получаемых с помощью СЛТС позволяет решить две основные задачи, связанные с тестированием программы «ТеплоVision»:установление полного соответствия программы сформированным требованиям исследования процессов конвекции (ТЗ);проверка и подтверждение правильности работы программного продукта.
Проведенные тесты показали, что программа начинает свою работу нормально. Загрузка изображения в оперативную память производится корректно. Изображение отображается в окне программы при этом функция обработки изображения становится доступной. После обработки изображений пользователю предоставляются для просмотра все рассчитанные характеристики и все промежуточные результаты обработки изображения. Становится также доступными функции подстройки параметров обработки и функции повторного расчета ряда характеристик с учетом текущих настроек. Примеры выполнения основных показателей приведены в табл. 4.1
Для проверки корректности работы и оценки погрешностей измерения температуры конвективных потоков с помощью программы «TermoVision» была реализована следующая методика. С помощью СЛТС регистрировалось теневое изображение точечной оптической решетки и нагревателя в отсутствии конвективных потоков. При этом с помощью термопары (ТХА), установленной в трубке-направляющей, измерялась температуры воды и ее численное значение заносилось в ПЭВМ. Затем нагреватель подключался к источнику электропитания и путем подбора напряжения на его поверхности устанавливалась температура Ts = +40С. После этого термопара выводилась из поля наблюдения и в ПЭВМ регистрировалось теневое изображение точечной оптической решетки и нагревателя в условиях установившегося процесса конвекции.
Дальнейшая обработка осуществлялась в рамках программы «TermoVision». Каждый графический файл загружался путем выбора пункта меню «Изображение/Загрузить изображение из файла» или нажатием соответствующей кнопки. При этом на левой панели устанавливался соответствующий флажок «исходное» или «после нагрева». Выбрав режимы «смещение сетки» и «шаг сетки» узлы сетки совмещаются с теневыми изображениями узлов решетки (рис. 98).
Более точная настройка обеспечивалась режимом корректировки узлов. Этот режим позволяет вручную перемещать отдельные узлы сетки. Алгоритм перемещения узла сетки обеспечивает поиск ближайшего узла к теневому изображению узла решетки на поле изображения.
После обработки в программе картин полей смещений (см. рис.95) были получены расчетные значения смещений теневых изображений узлов решетки в условиях конвекции. Типичный пример приведен в табл. 4.2.SCM - смещение теневого изображения узла решетки (определяется потабл.8);рсм - период решетки на изображении в ВПУ (рсм =37 мм);f- расстояние от неоднородности до решетки (f = 60 мм);А - величина расфокусировки (Д = 28);S - расстояние от источника света до неоднородности (S = 300 мм).
При этом сравнение осуществлялось только по значениям 8, 9 и 10-й строк таблиц. Их анализ показал, что расчет Е по программе дает несколько завышенные значения, по сравнению с ручным расчетом.На заключительной стадии тестирования определялась погрешность измерения температур. Были проведены три целенаправленных эксперимента с интервалом в один час. Расчет температур по программе выполнялся при следующих исходных данных:
Т - температура воды невозмущенных участков (Т = 297К = 24 С); п - показатель преломления воды в невозмущенных участках (n =1,33);L - длина неоднородности вдоль оптической от прибора (L= 20 мм). Пример результатов расчета приведен в табл. 4.5.
Эталонные измерения температуры воды осуществлялись с помощью термопары. ТХА таким образом, что ее королек последовательно перемещался сверху вниз (из одного изображения узла решетки в другой с выдержкой в каждой точке не менее одной минуты). Сравнив измеренные значения температур с расчетными полученными с помощью программы «ТеплоVision» была определена погрешность (табл.4.6). Следует отметить, что ее максимальное значение не превышает 5%.
