閆博 陳力 陳爽 李猛 殷一民 周江寧

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,綿陽 621000)

背景雜散光信號的干擾制約了激光片光成像技術(shù)的發(fā)展,本文將結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)應(yīng)用到激光片光成像測量中來消除雜散光的干擾.介紹了基于結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)的工作原理和實驗測量系統(tǒng),基于Matlab軟件理論分析了相位移動結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)具有完全消除雜散光的作用,并針對穩(wěn)定羅丹明B溶液進行了二維激光誘導熒光成像實驗,進一步驗證了相位移動結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)具有消除雜散光影響、提高二維成像精確度的作用.最后利用基于鎖相放大原理的結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)實現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)擴散羅丹明B溶液的二維熒光瞬態(tài)成像實驗,并分析了羅丹明B溶液擴散的相關(guān)規(guī)律.

1 引 言

20世紀80年代以來,激光片光成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域,因其具有非接觸、可視化及其低成本等優(yōu)勢,該技術(shù)已經(jīng)迅速在流場顯示和流場參數(shù)測量中嶄露頭角,并得到快速發(fā)展[1?4].目前基于激光片光成像的技術(shù)主要有激光誘導熒光(laser induced fluorescence,LIF)[5,6]、瑞利散射成像[7,8]、激光誘導磷光[9,10]等.但是受測試環(huán)境及其測試方法的影響,這些光學成像技術(shù)在實際測量過程中會受到背景雜散光的強烈干擾,嚴重影響了該類測量技術(shù)的光學成像質(zhì)量[11].因此,在激光片光成像和處理領(lǐng)域,消除雜散光的干擾是最基本的問題之一.

采用窄帶寬濾波片對信號光進行濾波處理是當前消除雜散光干擾常用的方法,該方法可實現(xiàn)對背景雜散光信號的有效抑制,進而可提高激光片光成像的信噪比[12?14].但是,當有效信號強度較弱,且雜散光干擾嚴重時,窄帶濾波片并不能完全濾除掉雜散光信號,同時會吸收掉部分有效信號,此時激光片光成像方法難以得到理想的光學成像結(jié)果[15].

近年來,國外學者提出了一種新型的去雜散光技術(shù)－結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)(structured laser illumination planar imaging,SLIPI)[16,17].該方法可以將原始信號譜圖分為有效信號和雜散光兩部分,在后期數(shù)據(jù)處理中,有效信號強度會保持不變,而雜散光會因為空間頻率不同而被剔除掉,因此該技術(shù)具有消除雜散光干擾、提高光學成像質(zhì)量的作用[18].目前發(fā)展的SLIPI技術(shù)主要有相位移動SLIPI技術(shù)(phase?shift SLIPI,PS?SLIPI)[19]和基于鎖相放大技術(shù)的SLIPI方法(lock?in amplifier SLIPI,LA?SLIPI)[20].這兩類技術(shù)都在激光片光成像、圖像處理及其分析等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[21].Kristensson等指出,多次散射造成的雜散光干擾問題將會較大地影響到噴霧場Mie圖像拍攝,并利用PS?SLIPI技術(shù)解決了多次散射干擾問題[22],并成功獲取了噴霧場液滴尺寸分布的圖像[23].Aldén等[24]基于PS?SLIPI技術(shù)開展了二維LIF燃燒場診斷實驗研究,消除了壁面和顆粒物質(zhì)引起的雜散光干擾.此外,Kristensson等[25]將LA?SLIPI方法應(yīng)用到瑞利散射測溫圖像獲取中去,得到了燃燒火焰瞬態(tài)溫度分布結(jié)果.PS?SLIPI和LA?SLIPI這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點,LA?SLIPI方法可進行瞬態(tài)圖像獲取,但當雜散光強度較高時,該方法抑制雜散光的能力不高;PS?SLIPI技術(shù)對雜散光的抑制能力較強,但目前不能進行瞬態(tài)圖像獲取.

本文將兩種SLIPI方法同時應(yīng)用到LIF成像技術(shù)中來消除雜散光的影響,進而提高LIF技術(shù)的成像質(zhì)量.首先利用MATLAB仿真計算的方法對SLIPI去除雜散光的能力進行了評估,并針對羅丹明B穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)溶液,分別開展了二維LIF去雜散光平均和瞬態(tài)成像實驗研究.

2 基本原理

當一束激光入射到流場中時,會伴隨有瑞利散射光和熒光等,其大小S可表示為

式中,C為校準常數(shù);I0為探測點處的激光能量;χk為流場中第k種分子的摩爾組分;?k為激光誘導發(fā)光信號函數(shù),該函數(shù)與流場溫度T、流場壓強P、流場分子密度η等參數(shù)相關(guān).

在激光片光后放置Ronchi光柵,再通過探測器收集顯示包含有激光誘導發(fā)光信號和雜散光的正旋圖樣,其中顯示的二維圖樣(R代表行,C代表列)中每一個點處的探測光強(SC(R),包含激光誘導發(fā)光信號強度和雜散光強度等)可由下式表示[20]：

其中,fsig為空間調(diào)制頻率(由Ronchi光柵決定),Is(R)為光柵調(diào)制振幅,IC(R)為光柵調(diào)制直流分量,IB(R)為雜散光強度分布,?1為調(diào)制初始相位.因此,A(R)和B(R)可以表示為

其中調(diào)制振幅項A(R)與激光誘導發(fā)光信號函數(shù)?k相關(guān),因此可以通過測量調(diào)制振幅項A(R)的強度分布來獲取流場的關(guān)鍵參數(shù),如流場溫度T、流場壓強P和流場分子密度η等.

SLIPI技術(shù)后期處理方法主要有LA?SLIPI方法和PS?SLIPI方法,下面闡述兩種方法的基本原理.

2.1 LA-SLIPI方法[20]

理論假定兩行參考正旋函數(shù),其相位相差π/2,分別為

再將(2)式分別與(5)和(6)式相乘,得到：

在(7)和(8)式中添加一個低通濾波器(fc=fsig)去掉與fsig相關(guān)的項,得出XC(R)=0.5A(R)×cos(?C－?1)和YC(R)=0.5A(R)sin(?C－?1),進而得到激光誘導發(fā)光信號振幅項A1(R)：

2.2 PS-SLIPI方法

在平行激光光束后面添加自動旋轉(zhuǎn)玻璃片(具有一定的厚度),如圖1所示.當玻璃片旋轉(zhuǎn)θ后,激光光束偏移dx距離：

其中d是玻璃片厚度,n0為空氣折射率,n1為厚玻璃片折射率.

圖1 旋轉(zhuǎn)玻璃片改變激光光束位置示意圖Fig.1.Diagram of laser beam transmission changed by ro?tating glass sheet.

連續(xù)改變光柵正弦調(diào)制圖像的位置,位移量dx1=T/n對應(yīng)的相位改變值為d?=2π/n,T為激光誘導發(fā)光圖像的正弦調(diào)制周期.再對改變相位(d?1=0,d?,2d?,··,(n－ 1)d?)后的激光誘導發(fā)光信號圖像Ii進行采集處理,可得到[19]：

其中n為相位變換次數(shù),AA為計算出的振幅值,BB為計算出的雜散光和光柵調(diào)制直流分量平均值.

3 實驗裝置簡介

本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)光照明測量裝置可對非穩(wěn)態(tài)流場進行去雜散光瞬態(tài)圖像獲取,測量裝置主要由連續(xù)激光光源、片光系統(tǒng)、Ronchi光柵和電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)組成,如圖2所示.連續(xù)激光器輸出激光波長為532 nm,激光能量為100 mW.激光經(jīng)過擴束鏡組后變成光斑直徑為5 cm的光束,該光束再經(jīng)過Ronchi光柵后變成正旋光強分布的平行激光光束,Ronchi光柵的周期分別為2/mm (PS?SLIPI方法)和8/mm (LA?SLIPI方法).使用片光系統(tǒng)將平行激光光束變成平行片光光束照射到非穩(wěn)定羅丹明B溶液(見圖2中的RB所示).激光片光照射測試流場產(chǎn)生的熒光信號再次進入EMCCD相機進行采集拍攝.最后通過后期SLIPI數(shù)據(jù)處理方法可得到去雜散光后的瞬態(tài)激光誘導發(fā)光信號圖像.同時本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)光照明測量裝置可對穩(wěn)態(tài)流場進行去雜散光平均圖像獲取,主要是在正弦調(diào)制的平行激光光束后添加旋轉(zhuǎn)的厚玻璃片(由自動旋轉(zhuǎn)臺控制),相位可改變0,d?,2d?,··,(n－ 1)d?,最后對相位調(diào)制后的激光誘導發(fā)光信號圖像進行PS?SLIPI方法處理可得到去雜散光后的平均圖像.此外,羅丹明B溶液可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場,同時本文設(shè)計了四種不同條件下的實驗環(huán)境,分別記為Case 1,Case 2,Case 3和Case 4,前三種用于PS?SLIPI方法,第四種用于LA?SLIPI方法.Case 1為最優(yōu)條件(雜散光干擾最小),Case 2是將金屬障礙物放置在液體溶液正后方來增加雜散光干擾,Case 3是將金屬屏幕放置在液體溶液側(cè)后方來增加雜散光干擾,Case 4是將金屬柱形物體放置在液體溶液正后方來增加雜散光干擾,四種條件下的流場參數(shù)及其EMCCD采集參數(shù)列于表1.

圖2 基于結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)的激光誘導發(fā)光圖像測量裝置(A1,5×擴束鏡;RG,Ronchi光柵;AR,自動旋轉(zhuǎn)臺;GS,玻璃片(5.3 mm);LS,片光系統(tǒng);A,光闌;RB,羅丹明B溶液;PF,濾光片)Fig.2.LIF imaging setup based on the SLIPI technique (A1,5 × beam expander;RG,Ronchi grating;AR,automatic rotary table;GS,glass sheet (5.3 mm);LS,light system;A,aperture slot;RB,Rhodamine B solution;PF,fliter).

表1 兩種SLIPI技術(shù)實驗參數(shù)Table 1.Experimental parameters of two SLIPI technique.

4 結(jié)果分析

4.1 理論模擬計算

為了具體說明SLIPI消除雜散光干擾的原理和效果,本文基于Matlab軟件對LA?SLIPI和PS?SLIPI方法進行理論模擬計算研究,其中LA?SLIPI理論和實驗研究在文獻[26]中已經(jīng)進行了深入研究.在計算中,假定行坐標x為1到512,A(x)=－0.001 × (x－ 256)2+ 80,如圖3雜散光分量Ia為(0,40)的隨機值,直流分量Ib=(0,130)的隨機值,因此求出干擾分量(B1+B2)幅值是設(shè)定的信號量(A)幅值的2至11倍.fsig=0.1 Hz為光柵調(diào)制頻率,fc=0.005 Hz代表LA?SLIPI技術(shù)中的截止頻率,?C=0為初始相位.

圖3(a)首先給出了調(diào)制振幅項A的值,基于調(diào)制振幅項A,本文計算得到了有無光柵調(diào)制作用下的總強度值,分別記為SC(如(2)式)和SNG=A(R) +B1(R) +B2(R),如圖3(b)和圖3(c).對比兩者的強度值可知,SC圖像中除直流分量外還有調(diào)制頻率(fsig)項.利用LA?SLIPI技術(shù)對調(diào)制強度SC進行處理,可直接得到去除雜散光后的光柵調(diào)制振幅項A1,并求出A1相對于理論設(shè)定值A(chǔ)的相對誤差值dA/A=(A1－A)/A,如圖3(d)所示.由圖3(d)可知： LA?SLIPI方法處理后的數(shù)值與理論數(shù)值A(chǔ)(如圖3(b))較好地吻合;同時調(diào)制振幅強度A越小,相對誤差值dA/A越大.例如當A為最小值15 (干擾分量約為A的11倍)時,相對誤差為15%,但當A為最大值90 (干擾分量約為A的2倍)時,相對誤差基本為0.此外,再利用PS?SLIPI方法對調(diào)制強度SC進行處理可得到振幅項AA和干擾分量BB的值,并求出兩者相對于理論設(shè)定值的誤差,如圖3(e)和圖3(f).可知：PS?SLIPI方法處理后的數(shù)值與理論數(shù)值A(chǔ)(如圖3(b))極好地吻合,兩者的誤差值基本為0.最后,對比LA?SLIPI和PS?SLIPI技術(shù)的雜散光濾除能力,可知： LA?SLIPI可針對瞬態(tài)光柵調(diào)制圖像直接進行雜散光濾除處理,但是當雜散光較強時,PS?SLIPI比LA?SLIPI的雜散光濾除能力要強.

圖3 PS?SLIPI方法仿真計算全過程 (a) 調(diào)制振幅項A的值;(b) 無光柵調(diào)制時的強度值SNG=A(R) + B1(R) +B2(R);(c) 光柵調(diào)制后的強度值SC;(d) LA?SLIPI計算后的振幅相對誤差值dA/A=(A1 － A)/A,截止頻率fc=0.005 Hz;(e) PS?SLIPI計算后的振幅誤差值dA/A=AA －A,n=3;(f) PS?SLIPI計算后的干擾分量誤差值dB=BB －B,n=3Fig.3.Simulation process of the PS?SLIPI method： (a) The modulated amplitude value,A;(b) the intensity without grating modulation,SNG=A(R) + B1(R) + B2(R);(c) the intensity with grating modulation,SC;(d) the relative er?ror of modulated amplitude value,A,calculated by LA?SLIPI method,dA=(A1 － A)/A,fc=0.005 Hz;(e) the er?ror of modulated amplitude value,A,calculated by PS?SLIPI method,dA=AA － A,n=3;(f) the error of inter?ference components calculated by PS?SLIPI method,dB=BB － B,n=3.

4.2 實驗結(jié)果分析

為了實驗驗證兩種SLIPI方法的去雜散光作用,本文按照圖2所示的SLIPI測量光路,分別開展了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場的去雜散光實驗研究.首先對于穩(wěn)定的羅丹明B溶液,利用自動旋轉(zhuǎn)臺使得光柵條紋移動0,T/3,2T/3,進而改變相位0,π/3,2π/3,結(jié)果如圖4所示.在得到改變相位后的激光誘導發(fā)光圖像后,再利用(11)式可進一步獲得去雜散光后的調(diào)制振幅AA的值.

圖4 PS?SLIPI方法的光柵條紋移動圖像Fig.4.Grating fringe changing images based on phase shift?ing SLIPI method.

在未利用SLIPI方法濾波前,得到穩(wěn)定羅丹明B溶液的激光誘導發(fā)光圖像,如圖5(a)所示.對比Case 1,Case 2和Case 3可知： LIF圖像中除了可以觀察到的熒光圖像外,還能夠觀察到大量的雜散光,其強度很高,很容易將羅丹明B溶液熒光信號掩蓋,極大地影響了探測到的熒光圖像的信噪比.此外為了更好地比較SLIPI方法處理后的圖像,又在羅丹明B溶液器皿池壁上粘貼兩條較細的金屬絲作為標記,如圖5(a)中的藍色標記線.將Ronchi光柵布置在片光系統(tǒng)前,即可獲得光柵調(diào)制作用下的LIF圖像,如圖5(b)所示.再采用PS?SLIPI的方法對三種不同拍攝環(huán)境下的圖像進行去雜散光處理,分別得到圖5(c)中的3個圖像,可以看出三種不同測試環(huán)境中得到的SLIPI處理后的圖像、數(shù)值大小基本一致,說明PS?SLIPI去雜散光方法的準確性;此外,從圖5(c)可以明顯看出,由金屬障礙物、金屬屏幕引入的雜散光全部被濾除掉,也進一步說明了該種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對雜散光干擾的有效抑制.

但是PS?SLIPI的方法僅能夠?qū)τ诜€(wěn)態(tài)流場進行去雜散光處理,無法得到非穩(wěn)態(tài)流場的瞬態(tài)圖像.為了獲得非穩(wěn)態(tài)流場的變化規(guī)律,本文將LA?SLIPI技術(shù)應(yīng)用到非穩(wěn)定羅丹明B溶液中,消除背景雜散光的干擾,進一步研究羅丹明B溶液的擴散規(guī)律.其中,本文在低濃度穩(wěn)定羅丹明B溶液底部添加較高濃度的羅丹明B溶液來形成非穩(wěn)定擴散溶液(實驗參數(shù)見表1).圖6(a)為光柵調(diào)制作用下的LIF圖像,圖中紅黃較亮區(qū)域為背景雜散光和熒光信號疊加區(qū)域,由圖可知,由于雜散光的干擾,溶液的擴散圖像不明顯,無法對其擴散規(guī)律進行分析.同時對6(a)圖樣進行傅里葉變換,可得出光柵調(diào)制頻率為fsig=0.144536/像素.因此對不同時刻的光柵調(diào)制圖像進行LA?SLIPI去雜散光處理,分別得到圖6(b)中的8個圖像.由圖6(b)可知,由金屬障礙物引入的雜散光被濾除掉,進一步說明了該種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對雜散光干擾的有效抑制.最后為了精確地描述羅丹明溶液的擴散規(guī)律,本文利用紅色虛線描繪出較高濃度羅丹明B溶液(對應(yīng)較高熒光信號強度)的型面,如圖6(b)所示.由圖6(b)可知： 隨著時間的推移,較高濃度的羅丹明B溶液向低濃度的溶液方向擴散,即擴散方向為溶液底部→溶液頂部.同時溶液整體濃度梯度隨時間遞減,即較高濃度溶液向四周擴散.此外由于溶液器皿輕微晃動造成溶液擴散出現(xiàn)漩渦圖案,這和理論預測基本一致.因此,LA?SLIPI技術(shù)有效抑制了雜散光的干擾,提高了LIF采集圖像的準確性.

圖5 (a) 三種不同測試環(huán)境下的原始LIF圖像;(b) 光柵調(diào)制LIF圖像;(c) PS?SLIPI方法處理后的調(diào)制振幅(A)分布圖像Fig.5.(a) Conventional (raw data) LIF images without grating modulation in three different measurement cases;(b) LIF images with grating modulation;(c) images of mod?ulated amplitude value,A,calculated by phase shifting SLIPI method.

圖6 (a) 不同測量時刻下的光柵調(diào)制LIF瞬態(tài)圖像;(b) LA?SLIPI方法處理后的調(diào)制振幅(A)分布的瞬態(tài)圖像Fig.6.(a) LIF images with grating modulation;(b) images of modulated amplitude value,A,calculated by LA?SLIPI method.

5 結(jié) 論

本文將結(jié)構(gòu)光照明的方法應(yīng)用到LIF圖像測量中,來消除圖像采集中的雜散光干擾.結(jié)果表明：

1)通過MATLAB理論仿真計算,驗證了PS?SLIPI的方法具有完全消除雜散光干擾的作用.

2)利用Ronchi光柵建立了一套可用于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場二維顯示的激光誘導發(fā)光圖像采集裝置,并針對穩(wěn)態(tài)羅丹明B溶液開展了LIF圖像去雜散光實驗,驗證了PS?SLIPI方法可以克服雜散光對成像質(zhì)量的影響.

3) LA?SLIPI方法能夠原位復原出具有清晰紋理的非穩(wěn)態(tài)流場圖像,并且具有能夠很好地消除雜散光干擾的優(yōu)點,符合高質(zhì)量激光片光成像問題的實際需求.

兩種SLIPI處理方法在雜散光抑制方面各具優(yōu)缺點,但將兩者有效結(jié)合后可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場的二維精確顯示,同時這兩種SLIPI方法適用性較強,因此在其他激光片光成像技術(shù)(瑞利散射圖像測量、粒子成像測速及其激光誘導磷光圖像測量技術(shù)等)中的應(yīng)用前景十分廣闊.