Н.В. ПЕТРОВ Научный руководитель – В.Г. БЕСПАЛОВ, д.ф.-м.н., профессор

УДК 535.14 (06) Фотоника и информационная оптика
Н.В. ПЕТРОВ
Научный руководитель – В.Г. БЕСПАЛОВ, д.ф.-м.н., профессор
Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики
МЕТОД ЦИФРОВОЙ СПЕКЛ-ФОТОГРАФИИ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ВОДНЫХ ТЕЧЕНИЙ
Представлены результаты экспериментов, нацеленных на определение величин и направлений скоростей
внутриводных течений с использованием корреляционных методик. Алгоритм цифровой спекл-фотографии
был адаптирован в соответствии с особенностями экспериментальной установки. Определены оптимальные
требования к регистрирующей системе, разработано специализированное программное обеспечение. Для
нескольких конкретных случаев построены векторные поля скоростей течений. Рассматривается возможность использования нескольких длин волн, таких как: стоксовые компоненты ВКР излучения второй гармоники импульсного Nd:YAG - лазера на кристалле нитрата бария.
Метод цифровой спекл-фотографии уже давно используется для определения величин деформаций,
направлений движения и скоростей объектов, в том числе и в водной среде [1]. Координаты максимума корреляционных функций, вычисленные для двух последовательно полученных под-изображений спеклструктур, формируемых поверхностью наблюдаемого объекта, характеризуют смещения, которые произошли с объектом за время экспозиции [2]. Подбирая интервал между экспозициями можно определить скорости. Целью данной работы являлось применение метода цифровой спекл-фотографии для анализа параметров водных течений. Поскольку фазовые неоднородности в гидросфере имеют размер, отличный от параметра шероховатости твердых поверхностей, при использовании метода возникает ряд особенностей, а благодаря наличию различных естественных примесей, рассеивающих излучение в водной среде, данный метод
становится схож с методами определения скоростей, основанных на регистрации изображений частиц (PIV Particle Image Velocimetry).
При подготовке к эксперименту было написано специализированное программное обеспечение, позволяющее оперативно обрабатывать большое количество экспериментальных данных. Схема эксперимента
представлена на рис. 1.
Рис. 1.
Схема
эксперимента.
1
–
Кювета
гидростенда,
2
–
3
–
импульсный
Nd-YAG
лазер,
4
–
цилиндрическая
5 – иллюминатор для наблюдения, 6 – цифровая фото/видео-камера
сопло,
линза,
Размеры резервуара с водой (дл.*ш.*выс.): 3×1×1,5 м. Исследовался скоростной диапазон струи: 0; 0,05;
0,1; и 0,02 м/с. Лазерная система генерировала импульсно-периодическое излучение второй гармоники
Nd:YAG лазера с максимальной средней мощностью 4 Вт и длиной волны 532 нм. Частота следования лазерных импульсов в различных реализациях эксперимента составляла 5, 6 и 10 Гц. Регистрация изображений производилась с помощью цифровых фотокамер: Nikon D50, Lumix Panasonic FZ30 в режиме видеосъемки. При съемке в формат JPEG на один пиксель ПЗС-матирцы приходилось 0,16 мм. Геометрия экспериментальной установки накладывала некоторые ограничения вследствие чего, векторные поля скоростей
при обработке в автоматическом режиме удавалось построить лишь для течений с крайне небольшими скоростями (менее 5 мм/с), формировавшихся в моменты включения/выключения струи, при наличии примесей. В ходе работы сформулированы требования к регистрирующим системам для проведения дальнейших
экспериментов.
Список литературы
1. Petrov N.V., Bespalov V.G., Zhevlakov A.P., Soldatov Yu.I. Determining the velocity of an object in water,
using digital speckle-photography // J. Opt. Technol. 74. 2007. P.779-782.
УДК 535.14 (06) Фотоника и информационная оптика
2. Synnergren P., Larsson L., Lundström T.S. Digital Speckle Photography: Visualization of Mesoflow through
Clustered Fiber Networks // Appl. Opt. 41. 2002. P.1368-1373.