Шлиерен-фотография: визуализация потоков жидкости

Введение

Процесс фотографирования потока жидкости

Шлиерен-фотография – это процесс фотографирования потока жидкости. Изобретенный немецким физиком Августом Топлером в 1864 году для изучения сверхзвукового движения, он широко используется в аэрокосмической технике для фотографирования обтекания объектов воздушным потоком. Метод основан на визуализации обычно невидимых изменений показателя преломления жидкости, что достигается путем наблюдения отклонений лучей света, преломляющихся в движущейся жидкости. Поскольку изменения скорости потока напрямую влияют на показатель преломления жидкости, таким образом можно фотографировать скорость потока жидкости (а также другие изменения плотности, температуры и давления), наблюдая изменения ее показателя преломления. С помощью шлиерен-фотографии можно визуализировать и другие невидимые изменения в жидкости, такие как конвекционные потоки и стоячие волны, используемые в акустической левитации.

Классическая оптическая система

Классическая реализация оптической системы склерен использует свет от одного коллимированного источника, освещающего объект-мишень спереди или сзади. Изменения показателя преломления, вызванные градиентами плотности в жидкости, искажают коллимированный световой пучок. Это искажение создает пространственное изменение интенсивности света, которое можно визуализировать напрямую с помощью системы теневой проекции. Классические системы визуализации склерен представлены в двух конфигурациях, использующих либо одно, либо два зеркала. В каждом случае прозрачный объект освещается коллимированным или почти коллимированным светом. Лучи, не отклоняющиеся объектом, сходятся в своей фокальной точке, где они блокируются ножом (кромкой). Лучи, отклоняющиеся объектом, имеют возможность пройти мимо ножа, не будучи заблокированными. В результате, после ножа можно установить камеру, чтобы изображение объекта демонстрировало изменения интенсивности, вызванные отклонением лучей. Это приводит к появлению светлых и темных областей, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении, нормальном к ножу. Когда используется нож, система обычно называется системой склерен, которая измеряет первую производную плотности в направлении ножа. Если нож не используется, система обычно называется системой теневой проекции, которая измеряет вторую производную плотности. В двухзеркальной системе склерен (иногда называемой Z-образной конфигурацией), источник коллимируется первым зеркалом, коллимированный свет проходит через объект, а затем фокусируется вторым зеркалом. Это обычно позволяет получать изображения с более высоким разрешением (различать более мелкие детали в объекте), чем при использовании однозеркальной конфигурации. Если поток жидкости однороден, изображение будет стабильным, но любая турбулентность вызовет сцинтилляцию – эффект мерцания, наблюдаемый над нагретыми поверхностями в жаркий день. Для визуализации мгновенных профилей плотности можно использовать кратковременную вспышку (вместо непрерывного освещения).

The classical implementation of an optical schlieren system uses light from a single collimated source shining on, or from behind, a target object. Variations in refractive index caused by density gradients in the fluid distort the collimated light beam. This distortion creates a spatial variation in the intensity of the light, which can be visualised directly with a shadowgraph system. Classical schlieren imaging systems appear in two configurations, using either one or two mirrors. In each case, a transparent object is illuminated with collimated or nearly collimated light. Rays that are not deflected by the object proceed to their focal point, where they are blocked by a knife edge. Rays that are deflected by the object, have a chance of passing the knife edge without being blocked. As a result, one can place a camera after the knife edge such that the image of the object will exhibit intensity variations due to the deflections of the rays. The result is a set of lighter and darker patches corresponding to positive and negative fluid density gradients in the direction normal to the knife edge. When a knife edge is used, the system is generally referred to as a schlieren system, which measures the first derivative of density in the direction of the knife edge. If a knife edge is not used, the system is generally referred to as a shadowgraph system, which measures the second derivative of density. In the two mirror schlieren system (sometimes called the Z configuration), the source is collimated by the first mirror, the collimated light traverses the object and then is focused by the second mirror. This generally allows higher resolution imaging (seeing finer details in the object) than is possible using the single mirror configuration. If the fluid flow is uniform, the image will be steady, but any turbulence will cause scintillation, the shimmering effect that can be seen over heated surfaces on a hot day. To visualise instantaneous density profiles, a short duration flash (rather than continuous illumination) may be used.

Фокусирующая оптическая система Schlieren

В середине 20-го века Р. А. Бертон разработал альтернативную форму схлиренной фотографии, которая теперь обычно называется фокусированной схлиренной или линзово-решётчатой схлиренной, основанную на предложении Хьюберта Шардина. Системы фокусированной схлиренной обычно сохраняют характерную кромку ножа для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и одной кромки ножа, они используют освещающий рисунок с повторяющимися кромками в сочетании с фокусирующей оптической системой. Основная идея заключается в том, что освещающий рисунок проецируется на геометрически соответствующий отсекающий рисунок (по сути, множество кромок ножа) с помощью фокусирующей оптики, в то время как градиенты плотности, расположенные между освещающим рисунком и отсекающим рисунком, отображаются, как правило, с помощью камерной системы. Как и в классической схлиренной фотографии, искажения создают области осветления или затемнения, соответствующие положению и направлению искажения, поскольку они отклоняют лучи либо от непрозрачной части отсекающего рисунка, либо к ней. В то время как в классической схлиренной фотографии искажения по всему пути луча визуализируются одинаково, в фокусированной схлиренной чётко отображаются только искажения в поле зрения камеры. Искажения за пределами поля зрения становятся размытыми, поэтому эта техника позволяет в некоторой степени выбирать глубину резкости. Она также имеет преимущество в том, что можно использовать широкий спектр освещённых фонов, поскольку коллимация не требуется. Это позволяет создавать системы фокусированной схлиренной на основе проекции, которые гораздо проще в изготовлении и настройке, чем классические системы схлиренной фотографии. Требование коллимированного света в классической схлиренной часто является существенным практическим препятствием для создания больших систем из-за необходимости, чтобы коллимирующая оптика была такого же размера, как поле зрения. Системы фокусированной схлиренной могут использовать компактную оптику с большим фоновым освещением, которое особенно легко получить с помощью проекционной системы. Для систем с большим уменьшением освещающий рисунок должен быть примерно в два раза больше поля зрения, чтобы обеспечить дефокусировку фона.

In the mid 20th century, R. A. Burton developed an alternative form of schlieren photography, which is now usually called focusing schlieren or lens and grid schlieren, based on a suggestion by Hubert Schardin. Focusing schlieren systems generally retain the characteristic knife edge to produce contrast, but instead of using collimated light and a single knife edge, they use an illumination pattern of repeated edges with a focusing imaging system. The basic idea is that the illumination pattern is imaged onto a geometrically congruent cutoff pattern (essentially a multiplicity of knife edges) with focusing optics, while density gradients lying between the illumination pattern and the cutoff pattern are imaged, typically by a camera system. Like in classical schlieren, the distortions produce regions of brightening or darkening corresponding to the position and direction of the distortion, because they redirect rays either away from or onto the opaque part of the cutoff pattern. While in classical schlieren, distortions over the whole beam path are visualized equally, in focusing schlieren, only distortions in the object field of the camera are clearly imaged. Distortions away from the object field become blurred, so this technique allows some degree of depth selection. It also has the advantage that a wide variety of illuminated backgrounds can be used, since collimation is not required. This allows construction of projection based focusing schlieren systems, which are much easier to build and align than classical schlieren systems. The requirement of collimated light in classical schlieren is often a substantial practical barrier for constructing large systems due to the need for the collimating optic to be the same size as the field of view. Focusing schlieren systems can use compact optics with a large background illumination pattern, which is particularly easy to produce with a projection system. For systems with large demagnification, the illumination pattern needs to be around twice larger than the field of view to allow defocusing of the background pattern.

Контекстные методы

Техника склирен, ориентированная на фон (BOS), основана на измерении или визуализации сдвигов в сфокусированных изображениях. В этих методах фон и объект склирена (искажение, подлежащее визуализации) находятся в фокусе, а искажение обнаруживается, поскольку оно смещает часть фонового изображения относительно его первоначального положения. Из-за этого требования к фокусировке, она обычно применяется в крупномасштабных задачах, где как объект склирена, так и фон находятся на значительном расстоянии (как правило, за пределами гиперфокального расстояния оптической системы). Поскольку эти системы не требуют дополнительной оптики, кроме камеры, они часто являются самыми простыми в реализации, но обычно менее чувствительны, чем другие типы систем склирен, при этом чувствительность ограничивается разрешением камеры. Технике также требуется подходящее фоновое изображение. В некоторых случаях фон может быть предоставлен экспериментатором, например, в виде случайного зернистого рисунка или четкой линии, но также могут использоваться естественные объекты, такие как ландшафты или яркие источники света, такие как солнце и луна. Склирен, ориентированный на фон, чаще всего реализуется с использованием программных методов, таких как корреляция цифровых изображений и анализ оптического потока для получения синтетического склирена, однако аналогичный эффект можно достичь при съемке изображений с разрывом (streak imaging) с помощью аналоговой оптической системы.

Варианты и применения

Вариации оптического метода склероскопии включают замену ножа краем на цветной объект, что приводит к получению радужной склероскопии, которая может помочь в визуализации потока. Различные конфигурации краев, такие как концентрические кольца, также могут обеспечивать чувствительность к переменным направлениям градиента, а программируемое цифровое формирование краев было продемонстрировано с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. Адаптивный оптический пирамидальный сенсор волнового фронта является модифицированной формой склероскопии (имеющей два перпендикулярных ножа, образованных вершинами преломляющей квадратной пирамиды). Полные оптические системы склероскопии могут быть собраны из отдельных компонентов или приобретены как коммерчески доступные приборы. Подробное описание теории и принципа работы приведено в книге Сеттлса, опубликованной в 2001 году. В СССР когда-то было создано несколько сложных систем склероскопии, основанных на принципе телескопа Максутова, многие из которых до сих пор сохранились в странах бывшего Советского Союза и Китае. Склероскопическая фотография используется для визуализации потоков сред, которые сами по себе прозрачны (следовательно, их движение нельзя увидеть напрямую), но формируют градиенты показателя преломления, которые становятся видимыми на склероскопических изображениях либо в виде оттенков серого, либо даже в цвете. Градиенты показателя преломления могут быть вызваны либо изменениями температуры/давления одной и той же жидкости, либо изменениями концентрации компонентов в смесях и растворах. Типичным применением в газовой динамике является изучение ударных волн в баллистике и сверхзвуковых или гиперзвуковых аппаратах. Потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением или химическими реакциями, также могут быть визуализированы. Таким образом, склероскопическая фотография может использоваться для решения многих инженерных задач, таких как теплопередача, обнаружение утечек, изучение отрыва пограничного слоя и характеристика оптических элементов.