Диссертация (1103111), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В этом варианте ТФМ занимает нишу классическихкачественных теневых методов, выигрывая у них за счёт большей простотыприменения там, где не требуется высокое пространственное разрешение.Однако регистрируемые ТФМ величины достаточно жёстко связаны сфизическими характеристиками потока. Хотя показатель преломления зависит иот химического состава среды в конкретной точке, и от степени ионизации газа, вбольшинствеисследуемыхтеченийеговариацииопределяютсятолькоплотностью среды. Теоретически, анализ изображений, полученных теневымфоновым методом, позволяет получить точные количественные значенияплотности потока. В редком случае, когда исследуемое течение имеет двумерныйхарактер (не изменяется вдоль оптической оси наблюдения), по одному ТФМснимку можно восстановить величину и направление градиента показателяпреломления в каждой точке течения, а затем рассчитать абсолютные значенияградиента преломления и, в большинстве случаев, плотность газа.
Однако вбольшинствеслучаевтечения,представляющиеинтерес,неявляютсядвумерными, а зачастую они вообще не имеют чётко выраженной симметрии. ВтакомслучаестановитсянеобходимамногоракурснаяТФМ-съёмкаспоследующим восстановлением трёхмерного поля из двумерных снимковразличными методами томографической реконструкции. Съёмка производитсяодновременно с нескольких (обычно не менее 6) ракурсов.
Для стационарных18течений съёмка может производиться последовательно с различных углов, однойи той же камерой [24].Для получения пространственного распределения показателя преломленияиз данных проекций используется какой-либо из алгоритмов реконструкции [31].Наиболее распространённым методом томографической реконструкции являетсят.н. метод фильтрованной обратной проекции (англ. filtered back projection, FBP),основанный на дискретизированном обратном преобразовании Радона. Методзавоевалбольшуюпопулярностьотносительнойпростотойреализации,быстродействием, а также хорошей точностью реконструкции. Он применим кпроекциям как в параллельных, так и в расходящихся лучах.
Одним из наиболеесущественныхнедостатковэтогометодаявляетсянеобходимостьэквидистантного распределения сравнительно большого числа проекций по кругуили полукругу наблюдения.В случае осесимметричных течений все проекции в любой плоскости,параллельной оси симметрии, идентичны друг другу. В этом случае более общееобратное преобразование Радона сводится к обратному преобразованию Абеля,позволяющему восстановить осесимметричное распределение параметра поданным одной интегральной проекции в плоскости, параллельной оси симметрииполя [41].
Наличие в аналитическом выражении неопределённого интеграла,расходящегося на нижней границе, разрешается с помощью различных методовнепосредственного вычисления результата преобразования. Также ряд реализацийнаправлен на снижение зависимости от шума в исходных данных проекций [38,128].Альтернативойметодуобратнойпроекцииявляетсят.н.методалгебраической реконструкции (algebraic reconstruction technique, ART) [6]. В егооснове лежит итерационный алгоритм Качмажа для решения систем линейныхалгебраических уравнений. В общем случае ART характеризуется меньшейточностью реконструкции, нежели FBP, и большей вычислительной сложностью,19однако менее требователен к числу проекций: удовлетворительные результатыможно получить уже по данным трёх проекций, относительно произвольнораспределённых по углам наблюдения.Уже в работе [55] были проведены количественные измерения скачкаплотности за присоединённой ударной волной при обтекании клина ваэродинамической трубе, и было достигнуто хорошее совпадение результатовТФМ с данными прямых измерений.
В [108] для трёхмерного асимметричногослучая обтекания с помощью многоракурсной ТФМ-визуализации были полученытрёхмерные поля плотности. В работе [131] и предшествующей диссертации ТФМиспользовался наряду с лазерной допплеровской анемометрией для исследованиягазовыхструй,восстановлениесоздаваемыхпрямоугольнымитрёхмерногораспределениясоплами.плотностиТомографическоевструебылоосуществлено с помощью метода обратной проекции, входными данными длякоторого были ТФМ-поля смещений, снятые с семи последовательных ракурсов(также была учтена симметрия струи). В работе [7] с помощью обширноймногоракурснойсистемывизуализациибылиполученытрёхмерные,изменяющиеся во времени поля плотности теплового потока от пламени газовойгорелки.
В работе особо отмечается, что система визуализации использовалаобычные видеокамеры полупрофессионального класса, что ещё раз подчёркиваетсравнительно низкие требования, предъявляемые ТФМ к экспериментальнойаппаратуре. Работа [56] демонстрирует применение ТФМ для определенияраспределения плотности в струе горящего водорода, и количественныерезультаты хорошо согласуются с данными теоретических расчётов.Для квазидвумерных течений визуализация одной камерой вполнедостаточна для определения положений различных структур в потоке.
Однако вэтом случае точность ТФМ будет ниже, чем у классических теневых методов. ЭтообусловленопонижениемэффективногоразрешениявконечныхТФМ-изображениях за счёт механизма кросс-корреляционного анализа, а также тем, чтов схеме ТФМ объект зондируется расходящимся пучком световых лучей вместо20параллельного. Однако большая простота аппаратной части ТФМ по сравнению сдругими методами делает более доступной многоракурсную ТФМ-визуализацию.Во многих случаях двух камер оказывается достаточно для определенияположений характерных структур в трёхмерном потоке.
Например, [101] успешноприменилстереоскопическуюТФМ-системудляотслеживаниядинамикиконцевых вихрей, генерируемых законцовкой лопасти винта в аэродинамическойтрубе. В [125] с помощью стереоскопического ТФМ и эпиполярного анализа былапродемонстрирована локализация концевого вихря на полномасштабной моделивертолётного винта в аэродинамической трубе.
В [8] этот же метод использовалсяв сочетании с фотограмметрией, и была достигнута трёхмерная реконструкциязначительной части концевого вихревого следа от лопастей несущего винталетящего вертолёта, на основе многокамерной ТФМ визуализации. В работе [2]представленоподробноеисследованиечувствительности,точностиипространственного разрешения ТФМ в случае трёхмерной томографическойреконструкции на примере асимметричного струйного течения.Внастоящеевремяразвиваютсяразличныемодификацииметода,направленные на улучшение получаемых результатов.Так, одним из недостатков, усложняющим количественные измерения спомощью теневого фонового метода, является непараллельность световых лучей,зондирующихисследуемыйпространственногомасштабаобъём.ЭтоТФМ-полейприводитвкзависимостинеравномерностиотположенияфиксируемых неоднородностей вдоль оптического луча.
Также это требуетусложненияалгоритмовтомографическоговосстановления.Попыткаскомпенсировать данный недостаток была произведена в работе [45] путёмвведениявоптическуюсистемуметодабольшойсобирающейлинзы,согласованной с объективом регистрирующей камеры. Было показано, что такойподход действительно улучшает пространственную точность метода. Также былоотмечено лучшее разрешение скачка плотности на фронте ударной волны. Однакотакая схема нивелирует одно из существенных достоинств метода, т.к.21ограничиваетразмерыисследуемойнеоднородностиразмерамиглавногооптического элемента.Несмотря на сходство алгоритмов обработки, применяемых в ТФМ и ЦТА,различие физических принципов формирования изображения обуславливаютиную,нежелидляЦТА,зависимостьпространственного разрешениячувствительности,точностииметода [74].
В работе [51] предложеноиспользование фонового изображения из цветных точек, с последующимразложением его на цветовые каналы и отдельной кросс-корреляционнойобработкой. Таким образом, достигается увеличение плотности данных ТФМ принеизменнойгеометриисхемы,иповышениеточностирезультирующихусреднённых данных, снижение шума.В работе [57] предлагается метод, основанный на ТФМ, но использующийболее сложную модель кодирования и обработки.
Применяется более сложныйфон, состоящий из цветовой карты и наложенного микролинзового растра. Это,по утверждению авторов, позволяет кодировать больший объём данных опреломляющемобъекте.Демонстрируетсявосстановлениеформыграницпрозрачных сред (прозрачных преломляющих объектов) на основе одиночныхснимков.Количество работ, в которых ТФМ применяется к исследованиюимпульсных процессов, сравнительно мало. Особняком стоят работы, подобныеупомянутойвыше,крупномасштабныхвкоторыхвзрывныхТФМпроцессов.используетсядляОтечественнаяисследованияработа[118]представляет один из ранних примеров приложения ТФМ к исследованиюимпульсных процессов на примере воздействия лазерного импульса напоглощающую жидкость.
Исследование показало принципиальную возможностьвизуализации распространяющихся ударно-волновых конфигураций и тепловыхволн в жидкости данным методом. Насколько известно автору, лишь в однойработе было продемонстрировано исследование выхода ударной волны из канала22[114]. Высокоскоростная съёмка в сочетании с ТФМ использовалась длявизуализации возникающего течения.
Дифрагировавшая ударная волна былавизуализирована сравнительно кратко; основное внимание было уделеноформированию и распространению вихревого кольца. Однако малое разрешениевысокоскоростной камеры не позволило получить подробную картину течения:пространственное разрешение результирующих ТФМ-изображений равнялосьпримерно 2,5 мм (окно опроса размером 8×8 пк при разрешении снимка 323мкм/пк). Также из-за существенных искажений фонового паттерна невозможнобыло реконструировать ядро вихря.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
