王松
摘 要：本文在前人理論基础上，尝试使用一种基于参数分类、追求各性能参数平衡的聚焦纹影系统设计思路，根据该思路探讨不同设计的对比，初步探索系统的设计规律。结果表明，流场处于纹影镜和源格栅之间，近纹影镜37%间距处时，各性能参数例如灵敏度、分辨率、聚焦深度、视场大小、放大率等，能够取得比较平衡的效果。最后针对实验室超音风洞，优化了刀口栅的制备。
关键词：聚焦纹影 设计 密度场测量 光学显示 激波
中图分类号：V211.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0089-02
基于前人所取得的理论成果，本文目的在于服务叶栅内部流动测试，尝试探讨聚焦纹影系统的设计方法，通过设计结果的对比，形成对本设计方法的规律性认识。最后，依据该设计方法设计了一套本实验室的聚焦纹影系统，并通过使用单向玻璃，实现静态图像采集和动态视频录制。
1 聚焦纹影系统设计思路
聚焦纹影系统设计是一个各类参数耦合考虑的反问题。依据物理模型，先梳理各物理量，然后通过不同类型的公式将其联系起来得出结果。表1列出了系统中涉及的性能、元器件、几何布置三大类参数；表2列出了聚焦纹影系统所遵循的设计公式。
实际设计中，首先确定测试需求，引入需讨论的参变量，确定各物理量随选定自变量的变化规律，然后通过综合设计曲线选定最佳设计点，进而导出具体设计参数，最后根据限定条件校核系统，反馈设计，由于试验平台情况，本文需要设计一个在分辨率较高的基础上，性能比较平衡系统，视场大小与风洞喷管尺寸相关，以保证观察到流场主要特征结构。
系统中最关键的部件是纹影镜头，一般可使用商用单反定焦镜头。通常焦距在150～550mm，光圈值为f/2.5～f/6可以获得好的结果。由于L、l可变化域是焦距f的正线性函数，切光像高a与f正线性相关，因此镜头务必为中长焦。一般来说，为保证成像质量，要求在光源足够明亮的同时，尽量使用长焦、大光圈口径、解像力高、广角的纹影镜。本文要考虑到成本问题，选用佳能EF135mmf/2L USM和佳能EF 300mmf/4L IS USM定焦单反镜头进行设计检验。
2 系统设计研究
系统遵从透镜成像规律，所以取值范围有限。考虑到系统尺寸及成像大小，取l∈（1.1f，3f），L∈（3f，8f）。
光源像高a过小时，图像亮度不足；a过大，灵敏度下降，因此将切光量设为源格栅像高一半。引入几何关系式：1/n=2a+b。结合灵敏度、分辨率、清晰度指标3个核心公式，3个方程存在5个未知数，必须给定两个参数，方程组才有适定解。
这里将L定为参变量，在（3f，8f）中选定距离4f。l作为自变量，研究l在（1.1f，3f）区间变化时，系统各参数变化趋势。
首先分别给出a，n，w，DS，DU关于l的曲线关系，进而导出b，m，总长等其他函数关系。根据各参数在本设计中的优先级，选取8个关键的参数进行设计点选取：放大率m，切光后光源像高a，刀口栅不透明条宽b，分辨率ω，清晰聚焦深度DS，非清晰聚焦深度DU，视场尺寸FVS，核心系统总长lcore。表2分析了这8个参数随l的变化情况。
根据以上8个参数随l的变化情况，分别取8个参数最大值将其归一化，得出综合设计曲线。再进一步选取设计点，反复迭代设计结果，直至通过限定条件校核。
实验系统部件制作改进。刀口栅为源格栅的负像，尺寸值一般为缩比的源栅。定量分析的实验中，灵敏度要求比较高，则刀口栅需要非常精密。本设计结果中刀口栅挡光条仅为0.13mm，考虑制作精度及成本后，决定使用激光光绘法。该方法加工精度高，黑白对比度好，加工便捷，成本较为低廉。
3 结论
（1）本课题着眼于超音测试，开展了聚焦纹影系统设计研究，搭建了一套聚焦纹影系统，进行了超音流场测试实验应用，对采集照片进行了初步处理，取得了一定结果。
（2）设计对比得出：同一种镜头，相同的几何布置下，可通过更替配套光栅来实现系统灵敏度的调整。
（3）根据流场强度适当选取系统灵敏度；根据实验台空间限制校核几何布局参数。
（4）蜡烛实验验证，聚焦纹影系统性能参数达到了设计预期。超音流场实验中，能较准确捕捉到流场波结构。
（5）分析若干因素对聚焦纹影图像的影响，对图像进行了初步处理。
（6）选取光绘法制作格栅，该设计系统下一步将探索该技术在涡轮叶栅实验中的应用。
参考文献
[1]Burton RA.A Modified Schlieren Apparatus for Large Areas of Field[J].Journal of the Optical Society of America，1949（11）：907.
[2]Boedeker LR.Analysis and construction of a sharp focusing Schlieren system[D]. Massachusetts Institute of Technology，1959.
[3]Weinstein LM.Large-field high-brightness focusing schlieren system[J].American Institute of Aeronautics and Astronautics，1993，31（7）：1250-1255.endprint
