Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Удалов, Андрей Викторович

• Удалов, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Удалов, Андрей Викторович

Содержание.

Введение.

1 Рефрактометрические методы диагностики.

1.1 Принцип рефрактометрических исследований.

1.2 Теневая фотография.

1.3 Шлирен-методы.

1.4 Интерферометрия.

1.5 Спекл-интерферометрия.

1.6 КОЛАР.

1.7 Теневой фоновый метод (ТФМ).

1.8 Области применения ТФМ.

1.9 Выводы по главе.

2 Комплекс теневого фонового метода.

2.1. Структурная схема теневого фонового метода.

2.3 Приемная система.

2.4 Обработка картин ТФМ.

2.5 Моделирование влияния угла наблюдения.

2.6 Выводы по главе.

3 Влияние параметров фонового экрана.

3.1 Статистическое распределение зерен на фоновом экране.

3.2 Естественные фоновые экраны и их спектральные характеристики.

3.3 Влияние параметров объектива.

3.4 Влияние угла наблюдения.

3.5 Влияние параметров обработки.

3.6 Выводы по главе.

4 ТФМ в натурных испытаниях.

4.1 Модельный эксперимент с пропеллером.

4.2 Натурные испытания различных объектов.

4.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований»

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций 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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Удалов, Андрей Викторович

4.3 Выводы по главе

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

91 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.

Заключение

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.

В третьей главе были представлены результаты экспериментальных исследований различных фоновых экранов.

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» (-45 — 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.

Благодарности

Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту Евтихиевой О.А. за постоянный интерес к проведению работы и внимательное руководство.

Автор также благодарен профессору Ринкевичюсу Б.С. и доценту Скорняковой Н.М. за консультации по теме работы, а также справедливую и своевременную критику недостатков работы. Автор благодарен ведущему научному сотруднику Толкачеву А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований и неоценимую помощь в обсуждении полученных результатов.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры физики им. В.А.Фабриканта, которые активно способствовали проведению исследований и получению практических результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Удалов, Андрей Викторович, 2010 год

1. Евтихиева О.А., Расковская И. Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография - М: Физматлит, 2008 - 176 с.

2. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Лазерная рефрактография оптически неоднородных сред // Квантовая электроника. — 2007, №12. С.1176-1180.

3. Meier G. Е. A. Computerized background-oriented schlieren // Experiments in Fluids. 33.2002. P. 181-187.

4. Информационная оптика / H.H. Евтихиев, О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец и др. Под ред. Н.Н. Евтихиева. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

5. Якушенков Ю.Г. «Теория и расчет оптико-электронных приборов», М: 1998.

6. W. Merzkirch. Flow Visualization, Academic Press, New York and London, 1974.

7. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Попов H.A. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика высоких температур. 2005. Том 43. №6. С. 820-827.

8. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Луцкий А.Е. Экспериментальная реализация двумерной задачи о распаде разрыва при импульсной ионизации потока с ударной волной // Доклады академии наук. 2008. Том 420. №5. С. 619-622.

9. Тавров А.В. Физические и технические основы ахроматической интерференционной коронографии. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. Институт Космических Исследований. 2009. На правах рукописи. 250 с.

10. Ландсберг Г. С. Оптика, 6 изд., М., 2003.

11. Толоквинин А.А. Щеглов П.В. Успехи физических наук. Том 129, вып.4 декабрь 1979.

12. Ринкевичюс Б. С. Лазерная диагностика потоков / Под ред. В. А. Фабриканта. М.: МЭИ, 1990. - 287 с.96

13. Евтихиева О.А., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Компьютерно-лазерный рефракционный метод исследования оптически неоднородных потоков // Измерительная техника. — 2004, №6. С. 15 — 19.

14. Васильев JI.A. Теневые методы. М.: Наука, 1968. - 400 с.

15. Ф. Клинге, Ю. Компенханс. Современное развитие и применение Теневого фонового метода, ТФМ. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. с 22.

16. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer-Verlag, 2001. - 376 p.

17. Левин Г.Г., Вишняков Т.Н. Оптическая томография. М.: Радио и связь, 1989.-224 с.

18. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. — М.: Сов. Радио.-1979.-312 с.

19. Попова E.M., Толкачев A.B., Скорнякова Н.М. Применение фонового теневого метода для исследования естественной конвекции. Труды VII

20. МНТК «Оптические методы исследования потоков». М.: Изд-во МЭИ, 2003. С. 126-129.

21. Klinge F., Kirmse Т., Kompenhans J. Application of Quantitative Background Oriented Schlieren (BOS): Investigation of a Wing Tip Vortex in a Transonic Wind Tunnel // Proceedings of PSFVIP-4 June 3-5, 2003, Chamonix, France. F4097.

22. ISFV13 13th International symposium on flow visualization FLUVISU12 -12th French Congress on Visualization in Fluid Mechanics, July 1-4, 2008, Nice, France 263-080422

23. S. Loose, H. Richard, J. Bosbach, M. Thimm, W. Becker, M. Raffel. Optical measurement techniques for high Reynolds number train investigations // Received: 22 October 2005 / Revised: 15 December 2005 / Accepted: 17 December 2005, Springer-Verlag 2006.

24. S. Loose, H. Richard, T. Dewhirst, M. Raffel. Background oriented schlieren (BOS) and particle image velocimetry (PIV) applied for transonic turbine blade investigations //

25. Очков В. A. Mathcad 12 для студентов и инженеров. С.-Пб.: БХВ-Петербург, 2005.

26. Евтихиева О. А., Скорнякова Н.М., Удалов А.В. Исследование погрешности теневого фонового метода // Метрология. 2009, №10. С. 33

27. Михалев А.С., Удалов А.В., Скорнякова Н.М.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях. // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

28. Удалов А.В. Автоматическая генерация структурированных экранов с заданными статистическими параметрами для теневого фонового метода. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 494.

29. Удалов А.В. Возможности применения естественных фоновых экранов для теневого фонового метода. Десятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2009. С. 264.

30. Удалов А.В., Скорнякова Н.М. Цифровая фильтрация дифракционных картин. // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2004. М.: С. 170.

31. Удалов А.В., Евтихиева О.А. Визуализация ультразвуковых полей. // Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2007. М.: С.168.