一种高灵敏度阴影法内波显示系统的设计

　　1　引　言

　　物体在密度分层的海水中运动时会产生内波,研究内波的产生及传播特性,对海洋环境监测及潜艇探测等领域有着重要的意义。在实验室研究中,过去常用染色等方法[122]进行波形观察,由于这种方法无法实现三维观测,不能满足许多内波实验的观测需要。

　　本文将流体力学试验中常用的阴影技术应用到内波的观测中,考虑到视场尺寸要求和试验场地的限制,设计了一种平面反射的双光程结构形式,不但将昂 贵的透镜从2块减少到1块,降低了成本,而且还将显示的灵敏度提高了1倍。另外,在成像系统的设计上,使经内波调制后的阴影图像直接在CCD摄像机的感光 芯片上成像,消除了其它方法如通过毛玻璃屏成像等所附加的图像噪声。所设计的阴影系统,不但可以对内波形态如开尔文角或潜体尾迹等进行定性观察,在一定条 件下,还可以测量内波密度场,进而可以测量其它内波参数。

　　2　系统设计

　　采用平面反射双光程结构的阴影系统如图1所示,它由光源、镜组和成像系统组成。

　　光源选用半导体激光器,它具有体积小,质量轻,抗震性强等特点,而且它不需要高压电源,用低压直流电源就可以驱动。虽然半导体激光器发出的光束 在准直后其截面上光强分布均匀性较差,但阴影法测量的是光强对比度的变化,所以光强分布的不均匀性影响不大。由于本仪器采用的是直接CCD摄像机摄像的图 像采集方案,这就要求到达CCD感光芯片上的光强合适,所以需要激光器的发光功率可调。采用在直流电源和激光器之间串入可变电阻的方法,可以调节激光器的 发光功率。

　　半导体激光器产生发散光,其内置的透镜可以令发散光准直,准直后的小口径准直光经扩束透镜M1扩束和分光镜M2扩折光后,由准直镜M3准直成口 径为Φ500 mm的平行光,平行光穿过水槽中的模拟内波后,被平面反射镜M4反射回来,再次穿过水槽,经过两次扰动的光线经透镜M3(这时它的作用是成像透镜)缩束 后,穿过分光镜直接成像于CCD的感光芯片上。

　　假想在准直镜M3和水槽T之间平行于水槽右壁放置了一块单向(光线可以从右到左但不能从左到右)显示屏S,经内波扰动的偏转光线,将在显示屏S上呈现出亮暗不均匀的阴影图像,所以显示屏S与CCD摄像机的感光芯片之间应具有物像共轭关系。

　　图像采集系统由CCD摄像机、图像采集卡、微型计算机和图像采集及分析软件组成。摄像机采用Mintron的MTV21881EX型CCD黑白 摄像机,其输出信号为CCIR制式,连续摄像速度为25帧/s。图像采集卡采用加拿大Matrox公司的CronosPlus采集卡,它可以采集 NTSC、PAL、RS2170和CCIR等标准制式的视频信号。图像采集和分析软件是在Matrox公司提供的开发包MilLite的基础上进行二次开 发得到的。MilLite中包含了图像采集需要用到的若干ActiveX控件,以及一些进行图像处理的类。整个软件可分为二大部分,一部分是图像采集,包 括连续采集、单帧采集和连续采集;另一部分是分析处理,包括图像去噪、图像相减和对比度计算等。其中连续采集是进行连续的采集和显示,主要用于观察仪器的 调节结果;单帧采集是采集单帧图像并显示在当前窗口中,随后可以保存;序列采集是按一定的时间间隔连续采集若干幅图像,各幅图像可分别保存。分析处理部分 是软件的核心,图像去噪可以去除诸如照度不均等光学系统噪声;图像相减可以实现两幅图像相减;对比度计算可计算光强对比度,进而可以知道密度场分布情况。