0   引　言

随着超高速空气动力学研究的发展，地面风洞试验设备的模拟性能不断提升，其最大特点之一是试验模型尺寸不断增大，对模型进行流场显示的视场尺寸要求也相应增大。常规“Z”型结构纹影技术是风洞主要的流场显示手段之一^[1]，在各风洞上基本上都配置了不同视场的纹影仪。中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所200 m自由飞弹道靶上配置了近20套不同口径的纹影仪（图1），其获得的流场信息反映了光束穿过整个流场密度梯度变化的积分效应，常用于快速定性显示测试区域的流场结构。近年来，聚焦纹影技术^[2]在国内外得到了广泛发展^[3-12]，其主要特点是系统中大尺寸光学元件为较易加工的菲涅耳透镜和源格栅，具有大视场流场显示潜力；同时聚焦纹影成像能够对测试区域聚焦，获得的流场信息主要反映了聚焦区域的流场密度梯度变化，可进行流场的三维显示和定量测量。

图  1  200 m自由飞弹道靶及纹影系统

Fig.  1  200 m free-flight ballistic range and schlieren system

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常规纹影技术中影响测试视场大小的主要是球面反射镜和窗口玻璃。受材料和加工工艺的限制，反射镜尺寸很难超过1.2 m；而对于窗口玻璃，不仅要求较高的面型精度，材料的气泡和应力条纹也都需要达到I级以上，其尺寸很难超过0.8 m。在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所的高超声速风洞上，通过把纹影仪准直球面反射镜及成像球面反射镜遮光管和风洞试验段相连接的方式，取消了大尺寸窗口玻璃，建立了1套1.2 m的彩色纹影仪^[13]。对于大部分风洞，考虑到流场品质和风洞试验环境条件，必须采用窗口玻璃对试验段进行密封；部分风洞的试验段采用多块小尺寸窗口玻璃拼接方式实现较大区域的窗口密封，以满足较大模型的流场显示要求。

在某风洞设备中，试验模型尺寸超过4 m，测试窗口设计为4 m × 2 m，要求具备较大的流场显示视场。目前可用于大视场流场显示的技术主要包括BOS、PIV、TSP和PSP等^[14-17]，这些技术应用于该风洞还存在一定难度，如风洞试验中的强烈振动对BOS中的背景和光路影响较大，PIV应用于超高速流场显示还存在示踪粒子播撒难的问题，TSP和PSP则存在响应时间不够、试验高温破坏涂层等诸多不足。若采用常规纹影系统进行大视场流场显示，窗口可采用拼接方式，利用可加工的最大口径1.2 m的球面反射镜实现1.2 m的测试视场；根据不同试验要求，移动纹影系统对大尺寸模型的不同位置实现流场显示。但常规纹影系统需多块昂贵的较高品质的光学窗口玻璃才能实现4 m × 2 m区域的拼接，且加工及经常移动球面反射镜也非易事。与球面反射镜相比，聚焦纹影技术中的大尺寸源格栅和菲涅耳透镜都较易加工，其测试视场理论上可超过1.2 m，且窗口玻璃在应力条纹等指标方面的要求比常规纹影技术更低。因此，最终确定在该风洞中采用聚焦纹影技术实现大视场流场显示。

目前，国内大尺寸菲涅耳透镜主要用于太阳能收集，成像质量尚不能满足聚焦纹影光路要求^[18]。根据聚焦纹影技术成像原理，提出了基于光源拼接的聚焦纹影技术，以面阵光源取代大尺寸菲涅耳透镜。该技术原理在前期工作中得到了验证，并获得了初步结果^[18]。在解决大尺寸光源拼接、高清成像屏、刀口栅制作等关键技术后，建立了2套视场为1.2 m × 1.2 m的聚焦纹影系统，并获得了超高速流场纹影图像。

1   基于光源拼接的聚焦纹影技术特点分析

基于光源拼接的聚焦纹影技术总体上具有常规聚焦纹影技术的一般特点，如聚焦特性、使用刀口栅切取多个光源像点等。源格栅明暗条纹、源格栅到聚焦透镜的距离L，测试流场到聚焦透镜的距离l等都将影响系统的灵敏度、聚焦深度和分辨率等，这种影响在参考文献[2]中进行了详细分析。设计聚焦纹影系统时，需综合考虑各参数对技术指标的影响。与使用菲涅耳透镜的聚焦纹影技术相比，基于光源拼接的聚焦纹影技术的不同点主要在于：

1）以面阵光源取代光源和菲涅耳透镜。使用菲涅耳透镜的聚焦纹影光路结构如图2（a）所示。光源通过菲涅耳透镜和源格栅后，被分割为多个条形光源，源格栅上每根宽度为3 mm的透明条纹相当于一个条形光源（图2（b））。条形光源经透镜聚焦成像于刀口栅（图2（c）），被与其明暗条纹相反的刀口栅切割后，在成像屏上获得测试流场的纹影图像。

图  2  常规聚焦纹影系统光路图

Fig.  2  Optical diagram of conventional focusing schlieren

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在基于光源拼接的聚焦纹影技术中，以面阵光源取代光源和菲涅耳透镜，其他光路结构与常规聚焦纹影技术类似（图3）。当面阵光源均匀性不足时，可采用柔光屏加以改善，但光束衰减较为严重。

图  3  基于光源拼接的聚焦纹影成像系统

Fig.  3  Focusing schlieren imaging system based on tiled light source

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2）光源聚光特性不同。由菲涅耳透镜和源格栅调制的条形光源以不同角度汇聚至测试区域，而后进入聚焦透镜，光源利用效率较高，通常几十瓦光源即可在成像屏上达到较高的图像亮度。而在基于光源拼接的聚焦纹影技术中，若不针对面阵光源中的单颗LED灯珠采取聚光措施，则面阵光源发出的大部分光束为无效光束，不能进入聚焦透镜，利用率较低。图4为两者的对比：通过菲涅耳透镜和源格栅的光束都能进入测试区域，而采用拼接的LED光源的大部分光束都不能进入测试区域。

图  4  使用菲涅耳透镜和LED光源时的聚光区别

Fig.  4  Focusing difference when using Fresnel lens and LED light source

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3）实现光源均匀性难度更大。使用菲涅耳透镜时，单一光源经扩束和柔光后照明测试区域，光源很容易实现较好的均匀性，纹影图像背景中的光斑较均匀；使用面阵光源时，若LED灯珠亮度及波长差异较大，即使采用了柔光屏，纹影图像背景中也会出现明显明暗光斑，影响图像质量。因此面阵光源中的LED灯珠应为同一批次，并对亮度进行严格筛选。

为降低灯珠光束发散角度，笔者团队曾尝试在单颗LED灯珠前加装聚光镜（如图5所示，光源模块由80颗功率为1 W的LED灯珠组成，各灯珠前加装聚光镜）。实践证明：在同一光源模块中也很难实现聚光特性一致，聚光镜与灯珠发光点距离稍有差异，即会导致聚光角度不一致、测试区域光束不均匀；即使在聚光镜下加装弹簧进行修正调节，也很难使聚光角度保持一致。为消除聚光镜对光束均匀性的影响，在最终方案中取消了聚光镜，其聚光特性仍与图4所示相同。

图  5  使用聚光镜的光源模块

Fig.  5  Light source module using condenser

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4）光源端体积更小。按照图2光路使用菲涅耳透镜时，光源和菲涅耳透镜必须保持一定距离，菲涅耳透镜尺寸越大，距离越大（例如，对于口径1 m的菲涅耳透镜，该距离将超过2 m）。而使用面阵光源时，光源、柔光屏和源格栅可以紧贴在一起，则光源端比使用菲涅耳透镜时更薄，这种方式通常有利于对场地尺寸有所限制的大视场纹影系统建设。

2   1.2 m大视场聚焦纹影系统研制

图6为大视场聚焦纹影系统在风洞中的布置示意图。测试窗口以多块光学玻璃拼接而成，两个测试窗口间距10 m。拼接光源、柔光屏及源格栅设计为一个箱体结构，聚焦透镜、刀口栅和成像系统（包括成像屏、工业相机）则置于另一箱体结构中。

图  6  风洞设备上的大视场聚焦纹影成像系统

Fig.  6  Large field schlieren imaging system in the wind tunnel

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2.1   大视场聚焦纹影系统主要参数

大视场聚焦纹影系统的主要技术指标为：测试视场T为1.2 m × 1.2 m，系统灵敏度ε_min为8 arcsec（约0.127°），聚焦深度（急剧聚焦深度D_S和非急剧聚焦深度D_NS之和）为100 ～500 mm，成像分辨率w为0.5 mm。源格栅参数、聚焦透镜参数、源格栅及测试区域与聚焦透镜的距离等与技术指标相互制约，必须进行最优化选择。

为便于开展系统设计，参考文献[2]进一步推导了系统灵敏度、急剧聚焦深度、非急剧聚焦深度和成像分辨率的计算公式，根据公式可快速确定系统设计中最关心的指标参数（包括源格栅透明条纹和不透明条纹宽度、源格栅及测试区域与聚焦透镜的距离、聚焦透镜口径A和焦距f等）：

式中：a为刀口栅位置未切割的光源像宽度，λ为光源波长，b'为源格栅不透明条纹宽度。从上述公式可以看出：聚焦纹影系统灵敏度与源格栅不透明条纹宽度、测试区域的物距以及聚焦透镜焦距、刀口栅切割光源像宽度相关；聚焦深度对测试区域的物距、聚焦透镜口径和源格栅不透明条纹宽度比较敏感；成像分辨率对源格栅不透明条纹宽度比较敏感。

2.2   大视场聚焦纹影系统的设计与制造

为获得最佳设计参数，开发了专用计算程序，通过多次参数选择，最终设计指标见表1。

表  1  大视场聚焦纹影系统参数设计指标

Table  1  Parameter design index of large-field focusing schlieren

参数	数值	参数	数值
L	21.3 m	λ	0.5 μm
l	12.8 m	εmin	7.05 arcsec
f	2.29 m	DS	35.8 mm
A	350 mm	DNS	146.3 mm
b'	17.4 mm	w	0.487 mm
a	0.35 mm	T	1.22 m × 1.22 m

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以面阵光源取代菲涅耳透镜实现大视场流场显示，在工程实施中存在较大难度，需要解决的主要关键技术包括：

1）面阵光源设计与制造。为实现1.2 m × 1.2 m的测试视场，面阵光源尺寸约为1.8 m × 1.8 m，功率约10 kW。由于光源距测试区域较远，光源各灯珠等间距布置时能在测试区域获得较为均匀的光束。为维护方便，1万多颗LED灯珠的间距保持一致。以132个光源模块拼接为1.8 m × 1.8 m的光源矩阵（如前所述，每个模块由80颗功率为1 W的LED灯珠组成）。图7为拼接光源实物和点亮效果。在图7（b）中，各光源模块亮度并不一致，这会导致流场图像背景出现不均匀现象。各模块供电参数一致，亮度不一致的原因在于：各模块的LED灯珠并非全为同批次生产。为保持灯珠亮度和色谱的一致性，需以专用仪器测试灯珠的波长和亮度并严格筛选，以获得均匀性较好的面阵光源，如图7（c）所示。由于光源功率较高，在光源背部设置了冷却管道。通过测试，光源持续开启2 h后仍能够稳定工作。

图  7  拼接光源实物及点亮效果

Fig.  7  Splicing light source and lighting effect

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2）大口径聚焦透镜加工。聚焦透镜口径对LED阵列光源的收集能力影响极大，口径越大，收集能力越强；但聚焦透镜口径越大，制造成本也越高。结合光源功率，将聚焦透镜口径设计为350 mm。为使较大口径的聚焦透镜实现较高的成像分辨率，选择波长较窄的绿色LED光源，并将聚焦透镜设计为5组镜片，前后镜组的外端均采用平板玻璃作为保护窗口。在大口径多组透镜安装调试过程中，需制作并使用专用夹具，严格按照图纸控制误差。图8为装配完成的聚焦透镜实物。

图  8  聚焦透镜实物图

Fig.  8  Focusing lens

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3）成像屏选择。聚焦透镜对测试区域成像后的光斑尺寸为266 mm × 266 mm，无法直接以CCD靶面接收，可以采用以菲涅耳透镜或玻璃制造的场镜对光斑进行缩小^[2]。仿真设计结果表明，以菲涅耳透镜场镜获得的图像存在较大像差，成像分辨率大幅下降，而采用口径大于300 mm的场镜则成本高昂。因此，仍按照图3所示方式采用成像屏接收图像，再以相机对成像屏上的图像进行成像。

在初始设计方案中，以毛玻璃屏作为成像屏接收图像，但即使采用较小颗粒的毛玻璃屏，获得的图像背景噪点仍然较多。另外，相机对毛玻璃屏上的图像进行成像时，图像中间和边缘的亮度差异较大，越靠近边缘亮度越低。

在尝试多种成像屏后，最终选择了一种全息投影膜，获得的图像在亮度、均匀性、消除噪点等方面得到了很大提高。但市购的全息投影膜上黏附有难以去除的胶状物，在图像上产生了部分噪点。

4）图像数据处理。大尺寸测试窗口是以多块光学玻璃拼接而成，光学玻璃之间的法兰宽度为240 mm。由于法兰宽度较大，即使窗口位于非聚焦区域，聚焦纹影图像中的法兰图像也无法实现匀化，导致图像中出现法兰的阴影。

采用开发的专用图像处理软件，可自动实现背景标定、差分提取纹影基波及降噪处理，从而消除纹影图像背景中的法兰边框及其他遮挡物的阴影轮廓。对于背景中的阴影区域，系统无法显示其流场信息，在图像处理时将该区域设置为背景颜色。

3   在风洞中的调试及初步应用

3.1   系统调试

根据上述设计参数，在风洞上的4 m × 2 m窗口位置建立了2套大视场聚焦纹影系统，系统中的光源和成像系统实物如图9所示。

图  9  大视场聚焦纹影系统的光源及成像系统实物图

Fig.  9  Objects of light source and imaging system of large field focusing schlieren

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系统安装完毕后，对其各项指标进行了测试，系统分辨率、测试视场、灵敏度与设计指标较为符合。在图10（a）中，像鉴别率板和手指毛发都能较清晰显示；在图10（b）中，以较高灵敏度显示了蜡烛火焰和热风枪气流的流场结构。

图  10  系统指标测试

Fig.  10  Index tests of the system

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测试聚焦深度指标时，将直径0.5 mm、间隔20 mm的钢针置于测试区域中心，获得了聚焦纹影图像（如图11所示），进而通过钢针虚化程度判断急剧聚焦深度和非急剧聚焦深度。从图11可以计算得到急剧聚焦深度为60 ～80 mm、非急剧聚焦深度为180 ～200 mm。与设计指标相比，聚焦深度的测试值更高，其原因在于：流场显示的对象通常为空气等透明物质，而测试时则常使用不透明物体，后者匀化至背景的区域比前者更长，因此，对透明物质进行流场显示时，其聚焦深度测试值与理论计算值更为接近，而以不透明物体进行测试时，测试结果偏大。

图  11  聚焦面位于中心区域的钢针图像

Fig.  11  Image of steel needle with focus plane in central area

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3.2   初步应用

利用1.2 m大视场聚焦纹影系统获得了某模型流场纹影图像（马赫数5），如图12（a）所示。由于拼接窗口边缘及测试段中其他测试设备电线的影响，图像背景中出现了部分虚化黑影。对该图像进行处理，获得如图12（b）所示的流场纹影图像。系统无法显示窗口边缘遮挡区域的流场信息，将该区域设置为背景颜色。图12表明：光源功率满足纹影成像要求；系统灵敏度较高，纹影图像能够较为清晰地表征流场波系结构。

图  12  风洞试验中获得的超高速流场纹影图像

Fig.  12  Schlieren image of hypervelocity flow field in the wind tunnel

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4   结论和展望

1）基于光源拼接的聚焦纹影技术实现了视场大于1.2 m的流场显示，在灵敏度和清晰度方面，纹影图像能够较好反映超高速流场结构。

2）在系统体积（占地面积）方面，聚焦纹影的光源和成像系统（特别是光源系统）比传统“Z”型结构的纹影系统更小，且可灵活移动，较易实现不同区域流场的显示。

3）在后续开展类似设计时，如采用参数一致的聚光镜光源模块以及玻璃场镜，可在很大程度上提高光源收集效率，并大幅降低光源功率，这也是实现更大尺寸拼接光源和更大视场流场显示的基础。