纹影技术（Schlieren Method）是一种用来观察流体行为的光学方法，利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流体密度的变化转化为光强的变化，广泛应用于流场可视化。1665年，Hooke首次提出了纹影成像的目测观察法，眼睛的瞳孔作为刀口，切断了折射光线，通过光线密度变化来观测蜡烛火焰的透明对流羽流；1859年，Foucault首次使用刀口装置观察到了纹影图像；1864年，Toepler重新发明了纹影技术，称这种独特的新技术为玻璃中的非均匀光学，德语中称为“Schlieren”。 随着实验物理学的发展，纹影技术很快被公认为一种有价值的实验工具，当前已不断发展出适用于不同场景的纹影技术，用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场中，因各种因素引起的扰动的分布、传播过程以及扰动强度等。
光学成像及测量原理
纹影系统是最简单的光学可视化系统之一，使用刀口切割光线，增大成像的明暗对比度。根据纹影光路的不同，可分为单镜离轴光路、单镜共轴光路、双镜Z形光路，为获得最佳成像质量，一般选择Z形光路的纹影系统进行流场的测量。如图1所示，光源发出的光线经凹面镜1形成平行光路，穿过测试区域发生光线偏移，偏移光线经凹面镜2后被刀口切割，在成像平面（相机或屏幕）上形成明暗相间的纹影图像。气体压缩或膨胀导致流场局部密度变化，而密度的各向异性将使流场不同位置处的光折射率产生差异，通过光学成像原理和定量测量光线偏移量，可推算流场密度和温度信息，实现定量可视化测量。
图1纹影成像原理示意图
纹影技术的主要类型
纹影技术的应用涉及诸多方面，当前主要应用的纹影技术有常规纹影、聚焦纹影、彩虹纹影、背景纹影、标定纹影等纹影技术，具体如下：
常规纹影技术是一种利用光学原理记录和展示空气中的光学现象的摄影技术，为了拍摄肉眼看不到的气流形态，将“隐形的气流”可视化，进而可以直观地看到各种气体在空气中流动的样子。在纹影成像中，光线经过非均匀流场产生偏移，通过相机的高速快门和精准的曝光时间，可捕捉这些光强变化产生的阴影和图案，图2为打火机点火瞬间的纹影图像。
图2打火机点火纹影图像
纹影技术可以呈现出空气密度和折射率变化产生的激波（运动气体中的强压缩波），广泛应用于超声速气动力学领域。图3为NASA利用一架配备最新纹影成像系统的B-200飞机拍摄的超音速飞机T-38飞行时激波纹影图像。
图3 超音速飞机飞行时激波纹影图像
聚焦纹影出现在20世纪50年代，系统示意图如图4所示，光源通过菲涅耳透镜（菲涅耳透镜用一系列同心槽代替传统光学透镜的曲面），照亮由黑白相间的条纹组成的源格栅，再经透镜成像后得到源光栅的共轭像。在共轭像的位置放置刀口栅，充当常规纹影中的刀口角色，调节该刀口栅的位置可以得到不同的系统灵敏度和灰度。
图4聚焦纹影系统光路图
聚焦纹影用源格栅充当纹影多狭缝光源，刀口栅充当刀口，相当于一个多光源和多刀口纹影系统。其最显著的特点就是可以显示较小厚度平面的流场情况，聚焦区域外流场模糊，图5为聚焦区域和非聚焦区域的蜡烛火焰流场。由于聚焦纹影的“层析”流场特点以及照明光源汇聚的特点，基于该方法还可以开展全息聚焦纹影和超大口径流场显示。
图5 蜡烛火焰流场
彩虹纹影由Howes于1984年提出，其基本原理与常规纹影相同，其最大特点是采用彩色滤光片代替了传统黑白纹影系统的刀口，对偏折大小和偏折方向不同的光线以不同的颜色显示，并采用彩色相机记录照片信息，通过建立光线偏移量和颜色变化量之间的关系曲线，获得流场分布。
彩虹纹影对于复杂波系结构的流动显示很具有优势，图6为采用彩虹纹影技术获得的来流马赫数Ma=5时，斜激波与弓形激波的激波干扰结构纹影图。
图6 Ma=5时钝头体附近斜激波与弓形激波干涉彩色纹影图
1998年，Meier将传统纹影技术与粒子图像测速（PIV）相结合，发展了一种新型的密度场定量测量方法，背景纹影测量技术（Background Oriented Schlieren，BOS)，图7为背景纹影技术的原理图，该技术所需的设备包括光源、透镜、背景板、相机等。BOS技术不能直接获得流场结构图像，但对图像按照PIV原理进行处理后可以获得流场参数值，主要用于开展流场参数定量测量研究。
图7 背景纹影技术原理
BOS技术的核心在于设计合适的背景图案并采用与之匹配的高精度算法，从而预估非均匀折射率造成的光线偏折。二维 BOS 的典型求解流程为：①设计合适的背景图案并完成光路布置；②分别拍摄有无相位物体时的背景图案；③采用位移预估算法计算相位物体造成的背景图案移动，得到二维位移矢量分布；④求解泊松方程得到二维折射率分布；⑤利用格拉斯通–戴尔公式获得密度分布。图8为应用BOS技术获得的电吹风流场位移矢量图和密度分布图，改进背景图案与匹配算法一直是 BOS 研究的热点领域。
(a) 位移矢量图 (b) 电吹风流场密度分布图
图8 电吹风流场BOS效果图
2008年，Alvarez-Herrera提出标定纹影法，基于传统纹影光路，按照一定变化量调节刀口，通过标定曲线建立图像灰度值变化量与光线偏移量的函数关系，进而对流场中的物理参数信息进行定量分析。
标定纹影的具体流程如下：①基于固定刀口下的无流动纹影图像，建立流场密度参考值，根据标定函数换算出各像素点灰度所对应的偏移量，存储偏移量数据用作密度计算。②读入有流动纹影图像，提取并存储有流动纹影图像的灰度值分布，根据标定函数得到有流动纹影图像各像素点灰度对应的偏移量。将无流动纹影图像、有流动纹影图像各像素点所对应的光线偏移量代入密度梯度计算公式，得到密度变化量的数值。③通过理想气体状态方程计算基础密度，进而获得流场内的密度分布。图9为标定纹影获得的流场密度分布效果。(a) 经典纹影技术 (b) 标定纹影技术
图9 经标定处理前后的涡轮叶栅流场（出口Ma=1.0）纹影图
纹影技术的发展前景
作为一种基于光学和图像处理的测量技术，获得优良的纹影试验效果及准确的流场分布是纹影技术的发展方向。随着高速成像技术和图像处理算法的不断发展，可进一步发展利用纹影系统的三维、定量、高时空分辨的密度/温度/速度测量技术，并作为一种便捷、高效的测量技术应用于超声速边界层、近壁面流动、高速湍流、高瞬态液滴飞溅、爆炸破碎等场景的可视化实验及定量测量。
供稿|高阿飞 储能技术中心
编辑|王博
