【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于三维流场高分辨定量测量领域，具体涉及一种前置式全息聚焦纹影成像方法及系统。
技术介绍
1、流场显示和测量是研究三维流场的关键手段之一，尽管流场显示和测量技术发展迅速，但至今仍没有任何一种技术能满足高分辨三维流场显示和定量测量的需要。而在燃烧诊断、优化喷雾系统以及高超声速风洞试验等领域，都亟需这类技术分析过程中的气动光学效应，以此来满足复杂的工程要求。例如：在风洞试验中对试验模型的流场密度变化进行定量测量及三维流场显示。
2、目前，典型的流场测量方法都难以同时实现超高速流场参数定量测量和三维流场显示。例如：基于光线偏折原理的常规阴影和纹影成像技术，具有很强的直观性，但阴影和纹影图像中的灰度变化反映的是光束沿整个测试流场方向密度变化的积分值，用来定性显示模型周围的流场结构，无法对流场结构进行定量测量和三维显示，如公开号为cn109870453a的中国专利公开的一种测量装置及系统，实现纹影和阴影同步测量，后续对流场试验段图像进行分析；而基于干涉理论的全息干涉、纹影干涉等方法，具备一定的定量分析能力，但需要结合多视角层析拍摄或者旋转被测对象的形式来实现三维空间流场密度值解析，其解析精度与层析维度直接相关，在实际应用中容易受限于测量对象所处环境或设备的可操作性，无法开展高维度层析，三维测量能力有限，如公开号为cn112945513a的中国专利公开的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段空气密度测量系统，通过记录干涉条纹，以达到测量风洞试验段流场在此投影方向上的波前相位分布；最后通过旋转试验段模型来获得多个投影方向的波前相
3、综上，亟需一种技术同时满足流场的定量分析以及三维测量，直观性较强的纹影成像技术无法定量计算流场的参数值，而具备一定定量分析能力的全息干涉法难以实现三维测量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种前置式全息聚焦纹影成像方法及系统，实现流场的三维和定量测量。
2、本专利技术为解决上述技术问题，采用的具体技术方案为：
3、一种前置式全息聚焦纹影成像方法，所述方法包括以下步骤：
4、(1)光源发出光束后被分成透射光和反射光，透射光作为聚焦纹影光路的主光源，反射光作为全息参考光；
5、(2)主光源依次经过多级扩束器、柔光屏、菲涅耳透镜、源格栅调制，照射到测试流场；
6、(3)穿过流场的光束作为物光与全息参考光相互干涉，在全息记录面上形成全息图；
7、(4)根据全息图提取波前，获得包括光场的振幅和相位信息的复振幅；
8、(5)对光场进行模拟计算：根据光场模拟的传播路径对复振幅进行传播演算，获得全息聚焦纹影图，其中传播路径包括广场依次通过聚焦透镜和刀口栅；
9、(6)基于全息聚焦纹影图中光强变化与流场密度梯度定量关系数学模型，计算得到流场的三维密度梯度与密度值。
10、本专利技术提供的方法可以实现对流场的定量测量和三维显示，且三维空间分辨率高，满足三维空间流场精细化结构反演的需求；流场密度场信息可以根据全息图的重建信息以及聚焦纹影的重建原理获得，具有灵活性高、测量范围广、测量精度高等特点。
11、在步骤(1)中，所述光源为高单色性的均匀强相干光。
12、在步骤(2)中，源格栅充当纹影多狭缝光源，调制后的光束直径沿光轴逐渐减小，均匀地照射在流场扰动区域。
13、在步骤(3)中，所述全息图的强度与物光、参考光的关系为：
14、
15、其中，i(x,y)表示全息记录面处光场的振幅，r(x,y)表示全息参考光的复振幅，o(x,y)表示物光的复振幅。
16、在步骤(4)中，根据全息图提取波前，获得包括光场的振幅和相位信息的复振幅的方法为：根据全息公式进行波前重建，对全息图进行傅里叶变换，提取频谱中对应的物光项，即，物光的复振幅o(x,y)：
17、o(x,y)＝f-1{f[i(x,y)]+1} (2)
18、其中，f表示傅里叶变换，f-1表示傅里叶逆变换，“+1”表示正1级衍射项。
19、在步骤(5)中，所述光场模拟的传播路径为，即，从全息记录面位置到目标成像面的位置的成像面之间，光场将依次经过下列几个过程：
20、1.全息记录面位置到聚焦透镜前的自由空间传播，距离为r1；
21、2.聚焦透镜；
22、3.聚焦透镜到刀口栅的自由空间传播，距离为r2；
23、4.刀口栅；
24、5.刀口栅到目标成像面的位置的自由空间传播，距离为r3。
25、在步骤(5)中，所述根据光场模拟的传播路径对复振幅进行传播演算，最终获得全息聚焦纹影图的方法为：
26、(5-1)根据标量衍射角谱理论，基于菲涅耳-基尔霍夫衍射公式，逐级计算空间光场，最后得到目标成像面的复振幅：
27、
28、其中，o1表示紧邻聚焦透镜前表面的光波复振幅；o2表示紧邻聚焦透镜后表面的光波复振幅；o3表示紧邻刀口栅前表面的光波复振幅；o4表示紧邻刀口栅后表面的光波复振幅；o5表示目标成像面的复振幅；i为虚数单位；表示波数。
29、tl(x,y)、tb(x,y)分别表示透镜、刀口栅的透射函数，分别具有如下形式：
30、tl(x,y)＝exp[i·φl(x,y)] (4)
31、
32、其中，φl(x,y)为透镜相位因子；h是每个刀口的间距。
33、(5-2)根据复振幅得到聚焦纹影图像的光强：i5(x,y)＝|o5(x,y)|2。
34、在步骤(5)中，刀口栅位于源格栅共轭像的位置，目标成像面的位置位于流场待测截面共轭像的位置，均满足透镜成像公式：其中，l为源格栅到聚焦透镜的距离，l'为刀口栅到聚焦透镜的距离，l为流场截面到聚焦透镜的距离，l'为流场截面的像距。
35、在步骤(5)中，所述源格栅、聚焦透镜和刀口栅组成聚焦纹影系统，根据聚焦纹影系统参数确定源格栅、聚焦透镜和刀口栅的光学设计参数。具体为：
36、根据聚焦纹影系统参数来定量分析，当定量分析的结果达到技术指标，根据聚焦纹影参数确定各光学设计参数；其中，技术指标为成像分辨率w、系统灵敏度εmin、急剧聚焦深度ds及源格栅混合线对数φ能够保持在相应的范围内。
37、所述聚焦纹影系统参数与各光学设计参数的关系为：
38、
39、
40、
41、
42、
43、其中，a为刀口栅位置未切本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述全息图的强度与物光、参考光的关系为：
3.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(4)中，根据全息图提取波前，获得包括光场的振幅和相位信息的复振幅的方法为：根据全息公式进行波前重建，对全息图进行傅里叶变换，提取频谱中对应的物光项，即，物光的复振幅O(X,Y)：
4.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述光场模拟的传播路径为：从全息记录面经由一段自由空间传播到聚焦透镜，距离为r1；然后经由一段自由空间传播到刀口栅，距离为r2；之后再经过一段自由空间传播到目标成像面，距离为r3。
5.根据权利要求4所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述根据光场模拟的传播路径对复振幅进行传播演算，获得全息聚焦纹影图的方法为：
6.根据权利要求4所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，所述
7.根据权利要求4所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，所述源格栅、聚焦透镜和刀口栅组成聚焦纹影系统，根据聚焦纹影系统参数确定源格栅、聚焦透镜和刀口栅的光学设计参数。
8.根据权利要求7所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述全息聚焦纹影图中光强变化与流场密度梯度的数学模型具体为：
9.根据权利要求8所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，所述流场的密度梯度表示为：
10.一种前置式全息聚焦纹影成像系统，其特征在于，所述系统包括光源调制单元、参考光单元、成像模拟单元和成像记录单元：
...【技术特征摘要】
1.一种前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述全息图的强度与物光、参考光的关系为：
3.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(4)中，根据全息图提取波前，获得包括光场的振幅和相位信息的复振幅的方法为：根据全息公式进行波前重建，对全息图进行傅里叶变换，提取频谱中对应的物光项，即，物光的复振幅o(x,y)：
4.根据权利要求1所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述光场模拟的传播路径为：从全息记录面经由一段自由空间传播到聚焦透镜，距离为r1；然后经由一段自由空间传播到刀口栅，距离为r2；之后再经过一段自由空间传播到目标成像面，距离为r3。
5.根据权利要求4所述的前置式全息聚焦纹影成像方法，其特征在于，在步骤(5)中...
【专利技术属性】
技术研发人员：林志明，吴学成，周永刚，吴迎春，金其文，薛志亮，刘锴慧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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