蔡雨辰 严彦 龙金刚 王璟晨
摘要：纹影技术是一种无接触式光学技术，可以将不可见的相位分布转换为清晰的可见图像。该文将简绍多种纹影技术的发展历程及各类纹影技术在国内外的发展现状，然后将阐述彩色纹影技术、激光纹影技术和背景纹影技术的基本光学原理以及各类纹影法在不同领域中的研究与应用，还总结了各种纹影技术在实际操作及其实验模拟等方面的具体应用方法，展示了其在不同领域的极高的普适性，列举了目前纹影技术的一系列优点与不足之处，并指出了纹影法在实际运用中所需要注意的问题。
关键词：纹影技术 彩色纹影 背景纹影 激光纹影 纹影技术应用
中图分类号：TP391.41 文獻标志码：A
An Overview of the Schlieren Technique
CAI Yuchen YAN Yan* LONG Jingang WANG Jingchen
（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xi"an Polytechnic University， Xi"an， Shaanxi Province， 710699 China）
Abstract： Schlieren technique is a non-contact optical technique， which can convert invisible phase distributions into clear visible images. This paper briefly introduces the development history of multiple schlieren techniques and the development status of various schlieren techniques at home and abroad， then expounds the basic optical principles of color schlieren technique， laser schlieren technique and background schlieren technique， as well as the research and application of various schlieren methods in different fields， also summarizes the specific application methods of various schlieren techniques in the practical operation， experimental simulation and other aspects， shows their high universality in different fields， lists a series of advantages and disadvantages of current schlieren technique， and points out the problems that need attention in the practical application of the schlieren method.
Key Words： Schlieren technique; Color schlieren; Background schlieren; Laser schlieren; The application of schlieren technique
流体运动是一种普遍的自然现象，它广泛存在于我们生活的环境中，对于流体运动的观测研究始终是一项重要课题。近年来，在光学技术、图像识别处理技术、计算机技术的更新换代与相关新理论的应运而生的推动下，流体运动的流场观测技术也取得了飞跃式的发展，而通过纹影法进行流场可视化观测的技术是一项有着重要意义的技术。纹影技术，又称纹影成像，是一种无接触式光流显示技术，可以直观地显示透明气体介质中的密度变化，因此常用于观测流动现象，如风洞、燃烧和对流。
纹影系统由多种纹影技术构成，其主要构成包括以下几种纹影技术：黑白纹影技术、彩色纹影技术、激光纹影技术和背景纹影技术等。19世纪中期，福克里昂开发出一种可视化气流的刀型检测望远镜，但是他当时并没有意识到自己创造了一种新的光学测试技术。托普勒是历史上第一个正式确定纹影成像技术的人[1-2]，早在1884年他就在自己的研究报告中记录下了一个搭建简单纹影平台进行纹影观测的方法。到了20世纪早期，修斯特对纹影成像系统进行了广泛研究，开发出大量新技术。
纹影技术利用的是流场中的气体密度分布不均匀，而光在不均匀流场中的折射率不同的基本原理，将流场中不可见的气流密度梯度的变化转变为更易被检测到的相对光强的变化，只需记录下光在气体流场中发生明显折射的区域转变成的可观察、可分辨的实际图像，然后对图像做出分析，便可得到气体流场的详细信息。如今纹影技术的应用已经广泛地覆盖了包括流体内冷热对流研究、流场气流边界层、风洞水洞流场实验以及高压火花放电等诸多领域，前景极为可观。
为了全面直观掌握纹影技术的研究现状，该文将从纹影技术的基本原理开始，论述纹影技术的发展历程，并分析纹影技术应用于燃烧、激波及内波等的关键领域的应用，综述其研究现状，进而探讨总结纹影技术的研究前景。
1 纹影法原理
纹影法的成像原理是光线在通过密度不均匀介质时因折射率改变而发生偏折，最终导致光线在像平面上光强无法均匀分布，从而产生的明暗相间的图像。整个系统如图1所示，来自于光源B的光线通过狭缝O后再由聚焦透镜L1形成平行光束，纹影实验对象E处于平行光束中，透镜L2放置在实验对象E后的适当位置，再在透镜L2的焦点处放置刀刃K遮挡住焦点处光斑的一半，最后将一个光屏放置在刀刃K后的一个计算好的位置上，纹影图像便可直接呈现在该光屏上。
如图2所示，X大于0的区域是透光介质，假设该介质的折射率n沿着Y轴的方向随密度连续变化，且∂n/∂y＜0，n也可由c/v定义，其中c为真空中的光速，v为当地光速。
设光线平行于X轴射入，其经过波阵面时因介质密度差异而发生偏转。任意取一段长度为△Y的波阵面微元，假设光经过极短时间△t后整体偏转一微小角度，设面元两端y1，y2处介质折射率为n1，n2，其差值为△n。光线实际偏折路径为曲线是因为n连续变化，n为X1点处介质折射率，X1点从微元中间取出。因为偏折角△α是一个微量，所以光线可以近似为直线处理[2]，则有
△Y和△α都是微量，偏折之后的波阵面近似为平面，记X1与偏折后的对应点X2的水平距离为△x，则有
为简化式（3），将n/n1·n2近似为1/n，该式简化为
设L为不均匀介质在X轴方向上的长度，对式（4）进行积分，得到光线通过整个介质区域的总偏折角为
用一块薄玻璃对测试区与空气进行分隔，光线从不均匀介质射入空气后将会发生二次折射。空气的折射率为1，光线的折射角为α，若L不大，则α0和α均为有限值，且近似满足小角度条件，
由折射定律得
将式（5）带入式（6），因为n不随X的方向变化而变化，所以直接进行积分，则有
式（7）表达了出射角与介质折射率梯度之间的对应关系，此关系条件为光线不存在于不均匀介质。
2彩色纹影法
2.1彩色纹影法原理
彩色纹影系统的成像可用共线像的几何理论加以解释，矩形光源狭缝的成像共轭面在光刀处，由测试段的光平面发出的光通过光刀，成像在胶片上。用彩色滤光片替代光刀，中间色带的宽度与狭缝的宽度相同，如果光线产生偏折，那么由于彩色滤光片的作用，我们最终得到的纹影图像便是彩色纹影图。
2.2 彩色纹影法类型及应用
2.2.1 棱镜-狭缝法
棱镜-狭缝法由霍尔德等人提出，装置如图3、图4所示，装置采用白光作为光源，将一个固定偏向角的色散棱镜放在光源和第一面透镜之间，分光后的彩色光谱通过一宽水平狭缝在第一面透镜的焦点处显示。在纹影场中，通过光刀处的第二条狭缝的色彩由于介质气流密度梯度的存在而发生变化，将气流膨胀处设定为一种颜色，气流压缩处设定为另一种颜色，从而得到彩色纹影图像。
2.2.2 滤光片-狭缝法
滤光片-狭缝法由科茨[3]等提出，装置如图3、图5所示。在光源狭缝处用有一定距离间隔的不透明多色滤光片把作为系统光源的白光分成三色，然后在光刀位置K处，使用一面纹影镜将三色滤光片上的图像聚焦在一个狭缝上，等量的两种颜色在狭缝中一齐通过，并最终在成像屏上实现互补。
科茨提出，为防止光的衍射效应，光刀缝不应该太小，狭缝的长度决定了光刀缝的尺寸，因此需要适当增加狭缝的长度，使光刀缝处于一个合理的范围之内，以避免因为衍射效应使得图像的清晰度受到影响。
2.2.3 三色滤光片法
三色滤光片法由霍尔德和诺斯提出，装置如图3、图6所示，系统的光刀用三色滤光片来代替。在纹影场中，因气流密度分布不均匀而发生偏折的光线通过由三色滤光片的颜色交界线构成的双光刀结构，最终构成三色纹影图。
2.3彩色纹影法的发展与应用
Kennedy和Netzer等人用彩色纹影技术研究聚丁二烯-丙烯酸、过氯酸铵夹层试件发现，在35～56大气压时，分列于粘结剂两侧的两个火焰边缘有淡绿色。他们认为这是蓝色纹影光和黄色火焰光作用的結果。说明火焰边缘处密度很低（即温度很高），存在着扩散火焰。而在7～15大气压时，没有这种现象，说明有着不同的燃烧机理。
冯天植[3]使用彩色纹影法在复杂流场中的实验从理论上分析了由不同材料构成涂复型吸收体可能实现的最薄厚度。这说明了通常所采用的涂复型吸收体之所以大部分采用磁损型吸收波材料进行制造的原因。
杨艺[4]等人利用纹影技术进行实验获得了瓦斯爆炸瞬间的纹影图，通过对试验结果的总结分析更进一步的研究了瓦斯爆炸的分形特征。
陈元迪[5]等人将新型高速摄影技术与纹影摄影技术相结合，对火花点火燃烧过程进行了观察和分析，此过程发生在定容燃烧室内，燃料为氢气和空气预混燃料。这一实验揭示了预混氢气燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期的湍流机理，以及火焰从层流状态演变为湍流状态的完整过程。
德国DLC宇航推进中心[6]为了得到超声速进气道内部的细节信息和激波与边界层的相互作用效果，创新式地构建起了一个彩色纹影系统，最终测得了进气道部压缩段的激波串结构。
叶继飞[7-8]等人将彩色纹影技术应用在了激光微蚀固体靶材羽流特性测量和超声速轴对称流场的密度测量之中，取得了良好的实验成果。
YOSHIAKI M[9]等人利用彩色纹影技术进行研究并得到了较为清晰的膨胀自由射流的密度场图像，之后将实验所得结果与探针测量的数据进行比对，发现吻合度较高。
3激光纹影法
3.1激光纹影法简介
激光纹影仪主要是利用光在流体中快速流动时入射光波的光折射来观察不清晰可见的气流，从而观察和分析其现象。激光纹影成像技术建立了以光学激光技术为主要光源的纹影系统，同时获取和在线监测不同的纹影现象，获得并保存相应的纹影图像，定性观察和分析不同因素的影响，甚至可以对某些因素进行定量测量和分析，其结果将有助于进一步的理论分析。
3.2激光纹影法的发展与应用
胡洋[10-12]等人为了得到煤矿井下瓦斯/空气预混气体爆燃流场波系演化过程，获取结构内部“看得到”的图像，在已建成的中尺度爆炸激波管道上进一步搭建超高速激光纹影系统，并提出“M”型、“Z”型和直线型3种光路布置方式的瓦斯爆燃流场测试方案，替代了传统的压力火焰传感器的测试方法，为获得瓦斯与空气预混气体爆燃过程中激波的演变过程和火焰微观流场提供了新的思路。
沙勇[13]等人采用激光纹影技术对不同有机溶剂在不同传质过程中的RBM现象进行了在线监测。在实验中完整记录下了传质过程中RBM现象的状态，并将因不同影响因素介入而对结果造成的影响进行了定性的分析。
张惠明[14]等人采用纹影摄像技术研究直喷式柴油机燃烧室形状对燃烧室内喷雾场和燃烧碳粒场影响的研究结果。分析了四角形燃烧室和盆形燃烧室喷雾发展历程和燃烧碳粒场发展历程，找出了四角形燃烧室碳粒排放量较低的原因。
徐景德[15]等人为了分析矿车在矿井瓦斯爆炸传播过程中的激励效应，在实验中通过激光纹影观测的测试方法，分别观测并记录了在两种不同工况条件下矿车区域附近爆炸冲击波畸变情况，将冲击波的变化特征与冲击波经过矿车附近的过程进行了匹配。通过进一步分析证实了矿车对瓦斯爆炸的激励效应较为明显，同时指出激励效应还会随着矿车数量的增多而不断加强。此研究结论的得出，使得瓦斯爆炸事故阻爆、隔爆等技术革新并且对事故调查总结起到了推进作用。
李剑[16]等人采用超高速激光纹影技术对Z箍缩等离子体磁重联现象进行了测量，论证了使用其他研究Z箍缩磁重联现象的方法——超高速激光纹影技术，这一方法的可行性。此研究结果表明了一个关于不稳定性发展的主要特征：抑制短波模式，由长波模式作为主导。
4背景纹影法
4.1背景纹影法简介
背景纹影法的成像原理是研究光线经过待测场时发生偏折的折射率变化，实验装置如圖7所示。它包括背景图像和摄像头。当有待测场时存在，光会在待测场中偏转。由于待测场扰动产生的扭曲，摄像机采集的背景图案将发生畸变，背景图像在摄像机成像表面上的光斑位置将发生变化。通过图像处理可以得到光斑位移，其位移反映了光的偏转角度。流场的密度场和温度场等可由流场的折射率分布推出，流场的折射率分布为求解反问题得到的结果。
4.2背景纹影法的发展与应用
DALZIEL S B[17]等人于2000年提出了背景纹影技术的原理。同年，MEIER G[18]介绍了三种背景纹影技术，提出了可以将背景纹影技术用于流场的流动显示和CT重建两大领域。
RAFFEL M[19]等人提出了测量流场时以随机点图像作为背景图的方法，并且以此方法对悬停直升机的旋翼尾流进行了可视化实验研究，得到了良好的结果。
RICHARD H[20-21]等人在实验验证了背景纹影技术的实用性的基础下，KLINGE F[22]等人在超音速风洞中应用背景纹影技术，通过纹影法观测研究了现代大型运输机模型产生的翼尖涡流的定量流速和密度场，同时在真实风洞环境中，将BOS技术进一步推广应用在了三维轴对称流动场的测量中。
VENKATAKRISHNAN L[23]等人在2004年用CT技术与背景纹影技术进行实验并对实验进行总结分析，得到了轴对称超音速流场的密度场，此密度场位于圆锥模型上。2004年至2007年是高速发展的四年，这段时间中背景纹影技术由于其高时空分辨率的优势，主要应用于定量测量与流动显示气体密度场，并得到深入的应用研究在风洞流场测量、燃烧诊断等领域中。
蔡少娌[24-25]等人使用纹影技术观察并利用图像处理研究了不同空气流量和节气门开度时混合器内天然气-空气的混合过程和天然气喷流和汽油喷雾在定容装置内的发展过程及其分布特性。
徐胜利[26]等人采用纹影技术进行观察发动机进气道中天然气/空气的流动的试验，并通过实验结果研究分析天然气/空气在发动机进气道中的混合特性，以及喷射压力、流量和喷嘴布置等因素对混合效果的影响。
武江鹏[27]等人通过高速激光背景纹影成像技术，对弹药战斗部静爆和动爆冲击波波阵面扩散过程进行高速成像，得到波阵面瞬时扩散速度和RankineHugonoit关系。对成像结果进行研究，最终得到试验样弹静动爆冲击波超压关联值，与动爆实测结果符合程度较好，相对误差小于20%，说明关联模型在弹药动爆超压威力场测试方面有较好的实用性的结论。
耿江海[28]等人通过搭建的背景纹影实体测量系统观测间隙正极性放电发展过程，分析了放电通道温度的时空变化规律，结果表明间隙中部横截面温度分布在1 200 K左右，温度场呈轴对称分布且离通道中心越近温度梯度越大，整个通道温度自棒极而下逐渐降低。
5结论
作为一种非接触式的密度变化流场可视化研究方法，纹影技术已经经过了近一个世纪的发展与革新。因为该技术对被观测流场的无干扰性、低成本、易于搭建实验平台的经济性以及简单快捷的可操作性等诸多优点以及极为广泛的应用范围，所以该文对纹影技术的基本原理进行了介绍，并总结了纹影技术的发展现状。
中国已经将彩色纹影技术应用在风洞试验、激波风洞实验和弹道靶实验等领域，通过结合其他技术，可以准确获得各种流场的密度定量值。目前彩色纹影技术在时间、空间利用率上存在的问题也将会随着高速相机技术以及光学分析识别技术的不断发展逐渐得以解决。在未来，彩色纹影技术将会成为一项在高超声速流场诊断领域具有较广泛应用的技术。
早在20世纪末，背景纹影技术就已经被欧美等国应用在了包括风洞流场测量在内的诸多民用、军用领域，但与此同时国内却很少能看到有关背景纹影技术的相关报道。国外对背景纹影技术的应用已经从二维拓展到三维，并且能够与其他方法结合对数据进行处理，将实验误差进一步缩小，从而使背景纹影技术在空气动力学领域中发挥更显著的作用。
随着激光的发展，激光纹影技术也随之发展，因为激光的功率和强度较强，所得的实验图像更清晰，所以，激光纹影技术在测量范围较大，综合需求较高的实验中被使用的更多。
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