ВВЕДЕНИЕ
Оптико-физические методы и приборы широко используются в экспериментальной практике для визуализации и количественного изучения различных прозрачных сред (газовых и жидкостных потоков, оптических материалов и поверхностей и т.п.).
Применение этих средств, например, в аэродинамике способствует более быстрому, качественному и экономичному решению важных экспериментальной задач - определению оптимальных вариантов компоновок различных типов летательных аппаратов, накоплению информации, необходимой для разработки теоретических вопросов и методов расчета объектов и их отдельных элементов, изучению различных физических явлений, не поддающихся математическому анализу. Во многих случаях методы визуализации используются в сочетании с другими видами измерений (весовыми, анемометрическими, термоанемометри-ческими и др.), выгодно дополняя их.
Известно большое количество методов визуализации газовых потоков, применяемых для решения разнообразных задач в различных по принципу действия, параметрам и устройству экспериментальных установках. Основной положительной и специфической для всех этих методов особенностью является способность получать наглядное качественное представление об изучаемых процессах, т.е. способность видеть изучаемое явление.
Формирование температурного и влажностного режимов сельскохозяйственных полей на склоновых землях в суточных циклах обусловлено интенсивностью движения приземных слоев атмосферного воздуха - стеканием в ночные часы и наползанием (подъемом) по поверхности склона в дневное время. В натурных условиях природных агроэкологических ландшафтных систем исследование этих процессов представляет чрезвычайно большие практические и методические трудности. Единственно доступным методом экспериментального определения расчетных зависимостей остается применение лабораторного моделирования с использованием принципов и правил подобия. При этом следует
5
иметь ввиду, что процессы переноса на поверхностях теплообмена в модельных опытах происходят в тонких тепловых пограничных слоях, внесение в которые даже малогабаритных измерительных датчиков приведет к искажению температур, определяющих интенсивность процессов выхолаживания моделей склонов.
Оптические методы исследования прозрачных неоднородностей дают возможность исследовать тонкую структуру потоков без введения в них геометрически объемных датчиков различных измерительных систем (например, скорости, температуры, влажности, турбулентности и др.)> искажающих поток, особенно его пограничные слои, и, как следствие, существенно снижающих не только точность, но и достоверность измерений параметров исследуемого потока.
В современных аэродинамических установках из методов визуализации чаще других используются при проведении экспериментальных исследований и являются наиболее отработанными теневые методы и интерференционные методы. Они позволяют получать наглядное представление и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где по каким-либо причинам меняется показатель преломления света п.
Интерференционные методы все же являются в большей степени методами количественного исследования распределения по объекту показателя преломления, чем методами визуализации. Они обеспечивают максимально высокую точность измерений. Однако интерференционные методы (при необходимости обеспечить высокую точность) обладают сравнительно узким диапазоном измерений разности хода лучей на исследуемых неоднородностях: от сотых долей X до нескольких десятых X (в специальных случаях - до десятка X), где X - длина волны используемого при контроле излучения (при использовании наиболее распространенного He-Ne лазера- X =633 нм).
Теневые методы используются в первую очередь для визуализации прозрачных неоднородностей, при этом они обладают рядом важных достоинств и в качестве методов количественных исследований. Чувствительность теневых
6
методов почти не уступает чувствительности интерференционных методов и, при этом, теневые методы позволяют исследовать весьма большие фазовые неоднородности, недоступные интерференционным методам. В частности, большинство аэродинамических и тепловых экспериментов имеют дело с фазовыми неоднородностями порядка 4(Н60 и более Я. Поэтому теневые методы широко используются в современной практике исследований прозрачных сред.
Разрешающая способность теневых методов очень велика: они позволяют получить качественные и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где показатель преломления п по каким-либо причинам меняется фактически в каждой точке. Такие данные могут быть получены практически при любых скоростях газового потока -от очень медленных до гиперзвуковых. И во всех случаях результаты получаются без ввода в изучаемую область каких-либо датчиков, т. е. теневые методы позволяют производить бесконтактные, безынерционные измерения параметров потока одновременно в любом необходимом количестве точек без побочного возмущения исследуемого объекта. Поэтому теневые методы имеют чрезвычайно широкую область возможных приложений.
В последнее время наблюдается тенденция к расширению объема исследований, проводимых с помощью теневых методов. При этом в процессе исследований возникает необходимость получения и обработки значительных объемов измерительной информации, расширения номенклатуры исследуемых характеристик, повышения точности и расширения диапазонов измерений. С точки зрения расширения номенклатуры исследуемых характеристик одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метод.
Однако цветной теневой метод до сих пор, как правило, используется как качественный метод исследования прозрачных неоднородностей. Таким образом, имеется актуальная задача развития цветного теневого метода в направлении расширения возможностей его использования в качестве количественного метода исследования прозрачных неоднородностей.
7
Данная диссертационная работа посвящена исследованию и совершенствованию цветного теневого метода, проработке параметров специализированных узлов для модернизации оптической системы теневого прибора (например, прибора ИАБ-451), созданию методик изучения тепловых пограничных слоев на моделях склоновых земель агроландшафтов.
Целью работы является:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование двухкоординатного цветного теневого метода, расширение его возможностей при использовании его как количественного метода при исследовании прозрачных неоднородно-стей.
2. Создание специальных оптических узлов для реализации разработанных модификаций цветного теневого метода (для прибора ИАБ-451).
3. Разработка методик получения и последующей цифровой обработки цветных теневых изображений процессов теплообмена в системе почвенный покров - приземный слой атмосферы на моделях склоновых земель.
4. Применение разработанного теневого метода в экспериментах при изучении теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов.
Задачи исследования.
В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. Аналитический обзор существующих теневых методов визуализации прозрачных неоднородностей, в первую очередь,цветных теневых методов.
2. Разработка модификаций цветного теневого метода, позволяющих определять две проекции на координатные оси вектора отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
3. Теоретический анализ характеристик и сравнительная оценка вариантов цветного теневого метода с квадратной и круглой формой диафрагм в свет-
8 лопольном и темнопольном вариантах при использовании цветных RGB(R-
красный, G- зеленый, В— синий) фотоприемных устройств;
4. Разработка алгоритмов обработки RGB -видеоинформации при анализе цветных теневых картин.
5. Разработка методики калибровки изображений, формируемых цветным теневым прибором.
6. Модернизация теневого прибора ИАБ-451 для реализации разработанных модификаций двухкоординатного цветного теневого метода в светлополь-ном и темнопольном вариантах.
7. Апробация разработанных модификаций цветного теневого метода путем проведения на модернизированном теневом приборе ИАБ-451 экспериментальных исследований процессов теплообмена на моделях склоновых земель.
8. Проведение модельных экспериментов, обобщение результатов и построение расчетных зависимостей интенсивности теплообмена на поверхности склоновых земель.
9. Внедрение в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатного цветного теневого метода на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.
Методы и средства исследований.
Теоретические исследования основаны на применении положений и соотношений геометрической и физической оптики, теорий оптических приборов, оптических измерений, статистической обработки результатов измерений.
В экспериментальных исследованиях, использованы современные цифровые средства и методы получения и обработки цветных теневых изображений. Эксперименты выполнены на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.
Модельный лабораторный эксперимент и обобщение опытных данных выполнены на основании правил теории подобия и критериального представления полученных результатов.
Научная новизна работы.
1. Теоретически исследованы характеристики нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм.
2. Разработаны алгоритмы обработки RGB -сигналов, полученных цветным теневым методом в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм, для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
3. Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоординат-ный цветной теневой метод.
4. Получены экспериментальные расчетные формулы для вычисления интенсивности теплообмена в суточных циклах на склоновых землях.
На защиту выносятся.
1. Результаты теоретических исследований характеристик нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм и алгоритмы учета этой нелинейности.
2. Алгоритмы обработки RGB -сигналов в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
3. Методика и алгоритм процедуры калибровки теневых приборов, реализующих двухкоординатный цветной теневой метод.
4. Результаты обобщения экспериментальных модельных исследований процессов выхолаживания полей на склоновых землях с использованием двух-координатного цветного теневого метода.
5. Модернизация теневого прибора ИАБ-451, реализующая разработан- ный цветной теневой метод.
10 Практическая ценность работы.
1. Разработаны рекомендации по оптимизации цветных теневых методов, позволяющие улучшить характеристики изображения прозрачных неоднород-ностей при их визуализации.
2. Разработаны алгоритмы обработки видеоинформации, обеспечивающие возможность использования цветных теневых методов для количественных измерений параметров прозрачных неоднородностей.
3. Разработаны и изготовлены оптические узлы для модернизации прибора ИАБ-451, обеспечивающие возможность реализации двухкоординатного цветного теневого метода в светлопольном и темнопольном вариантах.
4. Внедрен в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатный цветной теневой метод на модернизированном приборе ИАБ-451.
11 Глава 1. ТЕНЕВОЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ
НЕОДНОРОДНОСТЕЙ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1. Развитие теневого метода
Под теневым методом принято понимать метод, развитый на основе идеи, впервые предложенной французским астрономом Леоном Фуко [102] в 1858 г. для контроля качества изготовления больших астрономических объективов высокой разрешающей силы. В этой области он до сих пор известен как "метод ножа Фуко". Многие авторы (Портер [124], Максутов Д.Д. [47, 48], Малакара [56]) вслед за Фуко подчеркивали, что введение ножа в изображение точечного источника света, создаваемое контролируемым объективом (поверхностью), приводит к явлениям, похожим на косое освещение контролируемой поверхности под малым углом; при этом рельеф поверхности становится заметным из-за появления затемнений в виде теней, что и дало методу Фуко название "теневой".
В 1864 г. немецкий физик Август Теплер применил этот метод для исследования газовых неоднородностей [131]. По существу он открыл лишь новое применение уже известного способа Фуко, но большая ценность полученных результатов и все возрастающая роль газовой динамики в общем развитии науки привели к тому, что во многих последующих работах метод назывался методом Теплера или шлирным методом.
С точки зрения терминологии до сих пор не существует четкого и однозначного определения, что такое теневой или шлирный метод. Разные авторы вкладывают в понятие "теневые (шлирные) методы" различное содержание. Название шлирные методы происходит от немецкого слова Schliere, потому что первоначально эти методы применялись в Германии для обнаружения местных неоднородностей (свилей) в оптическом стекле, которые часто имеют вид полос (в техническом словаре термин Schliere переведен как "свиль").
12
Будем считать, следуя Васильеву Л.А. [18], что характерными особенностями теневых методов являются следующие черты:
- визуализация оптической неоднородности происходит за счет введения специальной диафрагмы (визуализирующей диафрагмы), приводящей к амплитудным или фазовым изменениям светового пучка, формирующего изображение источника света, которые вызывают перераспределение освещенности в плоскости изображения неоднородности, позволяющее судить о характере и некоторых параметрах исследуемой неоднородности;
- изменение освещенности рассматривается в плоскости, сопряженной с плоскостью неоднородности.
Как правило, измеряемой величиной в теневом методе является угол отклонения световых лучей от первоначального направления, образовавшийся за счет градиентов показателя преломления в плоскости прозрачной неоднородности. Необходимо отметить, что при исследовании протяженных по глубине неоднородностей все точки объекта не могут быть одновременно сопряжены с плоскостью изображения и некоторые из них получаются расфокусиро-ванными. Однако в большинстве случаев влияние этих эффектов невелико и может рассматриваться как погрешность теневого метода.
Принципиальная схема теневого метода имеет вид представленный на рисунке 1 а.
Схема функционирует следующим образом. Источник света - лампа 1 через конденсор 2 равномерно освещает задающую диафрагму 3. На рис. \Ъ показана задающая диафрагма 3, имеющая форму прямоугольника со сторонами а и Ъ. Задающая диафрагма 3 расположена в передней фокальной плоскости объектива задающего коллиматора 4, имеющего фокусное расстояние /. Поэтому пучок лучей, выходящий из некоторой точки задающей диафрагмы 3, после объектива 4 становится параллельным. Этот пучок лучей проходит через исследуемый объект 5 и попадает на объектив принимающего коллиматора 6, имеющий так же, как и объектив задающего коллиматора 4, фокусное расстояние /. В задней фокальной плоскости объектива принимающего коллиматора 6
13
расположена визуализирующая диафрагма 7, за которой расположен проекционный объектив 8, формирующий изображение исследуемого объекта 5 на приемнике изображения 9, в качестве которого могут выступать: матовый экран, фотопленка, матричный фотоприемник (например, CCD) и т.п.
На рисунке \с показана визуализирующая диафрагма 7, имеющая вид прямоугольника со сторонами cud. Кроме того, на рис. 1 с сплошными линиями изображен прямоугольник со сторонами а и Ь, являющийся изображением источника света - задающей диафрагмы 3 в плоскости визуализирующей диафрагмы при невозмущенном состоянии исследуемого объекта 5. На рисунке изображен случай, когда визуализирующая диафрагма 7 расположена таким образом, что ее край проходит через изображение задающей диафрагмы 3 (примерно, через его середину). Поэтому не все лучи пучка, проходящие через некоторую точку Р объекта, а только их часть (в нашем случае около половины) пройдут через визуализирующую диафрагму 7 и сфокусируются в точке Р'на приемнике изображения 9.
Освещенность Е в точке Р' пропорциональна площади зоны изображения задающей диафрагмы 3, попадающей на открытую зону визуализирующей диафрагмы 7. Таким образом, при невозмущенном объекте (освещенность Е в этом случае обозначим через Ео) имеем:
Е0=к-(а0.Ь), (1)
где к- коэффициент пропорциональности;
а0 - начальная высота (в направлении оси ох ) зоны изображения задающей
диафрагмы 3, попадающей на открытую часть визуализирующей диафрагмы 7 (рис. 1 с), в нашем случае а0 = —.
Если при возмущении объекта лучи, проходящие через точку Р, отклоняются на угол со в направлении оси ох, то изображение задающей диафрагмы 3 в плоскости визуализирующей диафрагмы 7, построенное этими лучами (на рис. 1 с оно показано штриховыми линиями), сместится на величину g = fco.
°l
ас i
7
Д
I
¦(..
— —!-----1 i t
—i
1 - лампа, 2 - конденсор, 3 - задающая диафрагма, 4 - объектив задающего коллиматора, 5 - исследуемый объект, 6 - объектив принимающего коллиматора, 7 - визуализирующая диафрагма (нож), 8 - проекционный объектив, 9 - приемник изображения.
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема теневого прибора.
15
Таким образом, высота аш зоны изображения задающей диафрагмы 3 на открытой части визуализирующей диафрагмы 7 будет равна:
aa=<*o+g- (2)
В этом случае освещенность Еа в точке Р' станет равной:
E(O=ka(ab = E0 + kbg. (3)
То есть освещенность в некоторой точке изображения исследуемого объекта является линейной функцией угла отклонения лучей со, проходящих через эту точку объекта. Поэтому, оценивая распределение освещенности в изображении объекта, мы можем оценить и углы отклонения лучей по всей площади наблюдаемого объекта, что характеризует исследуемое распределение показателя преломления на объекте или распределение других параметров прозрачного объекта, связанных с показателем преломления: температуры, плотности и т.п.
Отметим, что в случае, изображенном на рис. \с, некоторые смещения изображения задающей диафрагмы 3 в направлении оу не влияют на величину аы, а, следовательно, и на освещенность Еа.
Если угол со будет достаточно большим, так что станет аы > а, то формула (3) перестанет быть справедливой, поскольку площадь зоны изображения задающей диафрагмы 3 на визуализирующей диафрагме 7 достигнет максимального значения, равного а • Ъ. Поэтому освещенность в точке Р' достигнет максимального значения Етах, равного:
Етах=каЪ, (4)
т.е. освещенность войдет в режим насыщения и не будет чувствовать изменений угла со. Чтобы избежать такой ситуации, эксперимент желательно проводить так, чтобы выполнялось условие: \а>\ < сотах, где сотах - предельный угол
отклонения лучей, определяемый из условия: gmax = f(amax «а, например:
у. (5)
16
Двадцатый век, особенно его первая половина, ознаменовались интенсивным развитием теневого метода. Исследованиями и описаниями явлений, наблюдаемых при контроле теневым методом, занимались многие авторы. Теневой метод подробно описан и объяснен во многих трудах, в частности Портера [123], Линфута [117], Васильева [18]. Опыт применения теневых методов обобщен в работах Холдера и Норта [88], Бимса [93], где содержатся наиболее общие описания теневых методов и рассмотрены их основные характеристики. Банержи [92] описал основные явления, наблюдаемые при использовании теневого метода. Портер [124] описал затемнения, вызванные введением ножа, в терминах косого освещения рельефа волнового фронта. Конради [95] описал результаты использования метода ножа Фуко при контроле телескопов-рефракторов, а Кудэ [96] — для оценки деформации главного зеркала телескопов-рефлекторов. Кингслейк [109] описал теневую картину, т.е. изображение, полученное при использовании теневого метода, при наличии сферической аберрации, а Линфут [115] - при наличии астигматизма. Портер [123] обобщил результаты опыта, полученного при контроле теневым методом зеркал телескопов-рефлекторов на стадии их изготовления. Модернизацией метода ножа Фуко для исследования зеркала телескопа занимался Гартман [105]; Ронки [64] предложил метод расфокусированной решетки. Прибор для контроля методом ножа Фуко описал Стронг [130]; усовершенствованное устройство для контроля методом ножа Фуко описал Дакин [97], схему контроля с помощью фазового ножа описал Ландгрейв [113]. Большой вклад в развитие теневого метода внесли и отечественные исследователи. Особое значение имели труды Максутова Д.Д. [47, 48], который предложил количественные методы нити в фокусе, фотометрический метод криволинейной диафрагмы, а также усовершенствовал методику работы с теневым прибором. Вслед за Максутовым Д.Д. [48] метод расфокусированной нити описали Плачек и Гавиола [122].
Развитию теневых методов способствовали успехи в разработке теории теневых методов, в первую очередь, на базе скалярной волновой теории формирования оптического изображения. В основе этих работ лежит работа Рэ-
17
лея [125], который аппроксимировал исследуемый волновой фронт кусочно-линейной функцией. Аналогичный подход использовал Обреимов И.В. [54]. Существенный вклад в дифракционную теорию метода внес Цернике [134], работы которого над теневым методом привели впоследствии к разработке метода фазового контраста, за который Цернике получил Нобелевскую премию в 1953 году. Теорией теневого метода занимались Гаскони [103] и Велфорд [132], а также Линфут [114], который занимался и теоретическими описаниями явлений, относящихся к методу, и интерпретацией результатов, получаемых с помощью этого метода [116], и обобщением методов обработки результатов [117]. Коваленко Л.Г. [39] при исследовании случайно-неоднородных турбулентных полей на теневом приборе анализировал путем математического моделирования на ЭВМ влияние на отношение "сигнал/шум" параметров оптической системы прибора, в том числе и размеров и формы визуализирующей диафрагмы (ножа). В частности, при исследовании двумерных турбулентных полей (вместо традиционных одномерных) замена традиционного прямолинейного ножа на квадратный или круглый существенно увеличивала отношение "сиг-нал/шум". Коваленко Л.Г., Гончаров Э.Г. и Красовский Э.Е. [40] проанализировали характеристики теневых приборов с параллельными и расходящимися пучками лучей при исследовании случайно распределенных неоднородностей. Было установлено, что теневой прибор с параллельными пучками имеет ряд преимуществ перед теневым прибором с расходящимися пучками лучей. Наумов Б.В. и Шахрай О.Г. [53] исследовали теневым прибором с прямолинейным ножом особенности визуализации случайных неоднородностей, в частности, свилей в стекле. Ляликов A.M. [45] описал новый теневой метод с подвижной щелью и решеткой в качестве задающей диафрагмы и визуализирующей диафрагмой в виде неподвижной щели. Используется также и так называемый автоколлимационный вариант схемы теневой установки (Шардин [77]), в этом случае исследуемый объект располагается вблизи вогнутого сферического зер- кала, а источник излучения и визуализирующая диафрагма (нож) располагаются вблизи центра кривизны зеркала. |
