Количественная визуализация течений, основанная на спекл-технологиях

УДК 532.082.5

Базылев, Н. Б. Количественная визуализация течений, основанная на спекл-технологиях / Н. Б. Базылев, Н. А. Фомин. – 
Минск : Беларуская навука, 2016. – 392 с. – ISBN 978-985-08-2065-5.

Обобщены и систематизированы исследования авторов, посвященные 
разработке и практическому использованию в практике новых методов визуализации течений, основанных на применении спекл-технологий. В книге изложены теоретические и экспериментальные основы таких методов диагностики, как спекл-технологии. Развита дифракционная теория спекл-фотографии, 
спекл-интерферометрии, методов PIV, BOS, Тальбот-интерферометрии и др. 
Излагаются основы нового научного направления, объединяющего классическую интерферометрию, спекл-интерферометрию и цифровую обработку 
изображений. Это направление предполагает использование компьютерной 
техники не только для расшифровки интерферограмм, но и для внесения обратных связей в оптическую схему.
Книга рассчитана на широкий круг читателей – научных работников  
и инженеров, занимающихся изучением прозрачных неоднородностей в различных областях науки и техники (в теплофизике, газовой динамике, гидродинамике, оптике, биологии и др.).  Монография будет полезна также студентам университетов, бакалаврам, магистрам и аспирантам. 
Табл. 9. Ил. 294. Библиогр.: 868 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси О. Г. Пенязьков,
академик Международной инженерной академии Л. В. Танин

ISBN 978-985-08-2065-5
© Базылев Н. Б., Фомин Н. А., 2016
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Техника спекл-фотографии (СФ) начала развиваться в Инсти
туте тепло- и массообмена (ИТМО) им. А. В. Лыкова АН БССР  
в середине 1980-х годов. Первые эксперименты прошли в университете г. Бохум (земля Северный Рейн-Вестфалия, Германия) 
под руководством профессора Вольфганга Мерцкирша [1–4],  
в которых также принимал участие молодой ученый из Германии Ульрих Вернекинг. Эксперименты были продолжены как 
в Минске, так и в Германии, в университете г. Эссен (земля 
Северный Рейн-Вестфалия), куда переехал профессор В. Мерцкирш 
[5]. С самого начала работы со спекл-фотографией стало понятно, что технике СФ присуща очень высокая точность считывания первичных экспериментальных данных. Именно это позволило использовать СФ для определения внутренней структуры 
в трехмерных течениях методами реконструктивной томографии с использованием интегрального преобразования Радона 
[6–10]. По тем же причинам техника СФ привлекла к себе внимание специалистов по исследованию турбулентных течений  
и реконструкции локальных статистических параметров турбулентности по следовым отпечаткам с использованием интегральных преобразований, которые впоследствии стали называть преобразованиями Эрбека–Мерцкирша [11–14]. В этих исследованиях активное участие принимали молодые ученые из 
Германии – Ульрих Вернекинг, Хармут Винтрих, Клаус Оберстелен и Ральф Эрбек, а также исследователи из ИТМО им. А. В. Лыкова АН БССР – Г. Н. Блинков, Д. Э. Виткин и Е. И. Лавинская. 
В ходе диссертационных исследований Р. Эрбеку удалось полу

чить интегральные преобразования, связывающие трехмерные 
корреляционные функции плотности с двумерными функциями, полученными при измерениях по проекциям. Эти преобразования являются статистическими аналогами известных преобразований Абеля и Радона и широко используются при измерении параметров турбулентности [15−24]. 

За этот период времени в ИТМО им. А. В. Лыкова АН Бе
ларуси были защищены кандидатские диссертации Г. Н. Блинковым [19], Д. Э. Виткиным [21], Е. И. Лавинской [23] и Н. Б. Базылевым [24]. В оппонировании этих диссертаций приняли участие известные ученые из СССР – профессора И. С. Клименко, 
С. А. Лосев, крупные белорусские ученые – академик НАН Беларуси А. Г. Шашков, профессора Н. М. Спорник и В. Г. Баштовой, кандидаты наук Н. И. Лемеш и П. П. Храмцов. 

С 1970 г. известно, что спекл-поля образуются не только при 
рассеянии лазерного излучения на шероховатых технических 
поверхностях, но и при рассеянии на живых тканях и органах. 
Последние называются биоспекл-поля. Совместные исследования биоспекл-полей проводились во Франции, в лаборатории 
исследования тепловых процессов (ЛИТП) Высшей национальной школы Франции по механике и аэродинамике (ВНШФМА), 
г. Пуатье, под руководством профессора Жана-Бернара Солнье. 
В ходе этих исследований было установлено, что интенсивность 
падения кросскорреляционных функций динамического спеклполя зависит от интенсивности движения спеклов, которая, в свою 
очередь, определяется характером и видом исследуемой биоткани. Так, в частности, можно определять спелость и свежесть 
овощей и фруктов по анализу биоспекл-полей, образующихся 
при облучении биотканей зондирующим лазерным излучением 
[25]. В этих исследованиях принимали участие начальник метрологической службы ЛИТП ВНШФМА Жан-Луи Туо и молодая ученая Катрин Фуенте. Позднее оказалось, что подобным 
образом можно следить также за микроциркуляцией приповерхстного кровотока в биотканях и органах человека in vivo. 
Это направление стало предметом долговременного сотрудничества между ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси и Бело

русским государственным медицинским университетом (БГМУ), 
и позднее, Белорусской медицинской академией последипломного образования (БелМАПО) [26; 27]. По этой тематике С. П. Рубникович и Ю. Л. Денисова защитили докторские диссертации по 
медицинским наукам в 2011 и 2014 гг. соответственно. 
В предлагаемой монографии обобщены и систематизированы исследования авторов по разработке и практическому использованию аэрофизического эксперимента новых методов визуализации течений, основанных на спекл-технологиях (см., 
напр., [28–31]). Эти междисциплинарные работы на стыке лазерной физики, оптики, теплофизики, цифровых измерительных 
технологий, вычислительной математики, математической физики и ряда других научных направлений выполнялись в ИТМО 
НАН Беларуси как в инициативном порядке, так и в рамках важнейших государственных комплексных программ научных исследований «Наноструктурные материалы и технологии» (2006–
2010), «Тепловые процессы» (2006–2010), программ и заданий НИР 
и НИОКР Энергия-20 «Исследование механизма переноса энергии в поглощающих, излучающих и рассеивающих неоднородных 
средах» (2001–2005), Диагностика-23 «Диагностика микроперемещений и деформации поверхности оптических и механических изделий методами электронной спекл-фотографии» (1996–
2000), проекта INTAS-BELA 97-0083 «Спекл-фотография течений жидкостей и газов» (1998–2000), проектов INTAS 00-0135 
«Новые методы анемометрии в механике жидкостей» (2001–
2004), проектов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований № Б04М-082 «Лазерный мониторинг 
процессов переноса в биотканях» (2004–2006) и ряда других. 
Методической основой исследований является накопленный опыт 
цифровой регистрации лазерных спекл-изображений, переход на 
которые с фотографических и голографических систем начался 
в ИТМО НАН Беларуси в начале этого века. Цифровые системы 
регистрации и обработки изображений существенно расширили 
возможности лазерной диагностики как в технике, так и в биомедицине. 

В процессе перехода на цифровые системы регистрации и обра
ботки данных в работе принимали участие кандидаты наук 
Г. Н. Блинков, С. В. Власенко, Д. Э. Виткин, Е. С. Дрозд, Е. И. Лавинская, Е. Ф. Ноготов, С. А. Филатов, научные сотрудники, 
инженеры и техники О. В. Мелеева, Г. С. Кучинский, А. Н. Ознобишин, А. М. Братченя. На протяжении многих лет авторы имели 
возможность проводить совместные работы и обсуждать полученные результаты на различных международных конференциях с ведущими мировыми учеными в этой области. Мы искренне признательны докторам наук, профессорам Ф. Леопольду,  
Ю. Компенхансу (Германия), К. Грейтиду (Великобритания),  
П. Аррой (Испания), Ф. Скарано (Голландия), К. Маено, Т. Онорато и К. Такаяме (Япония), П. Воланскому и П. Дерферу (Польша), Ж.-М. Дессу, С. Мартемьянову, Ж.-Б. Солнье, Ж.-П. Тарану 
(Франция), К. Д. Киму, Г. Сетлсу и С. С. Ча (США), К. С. Киму 
(Южная Корея), Дж. Карломанье (Италия), И. А. Красовской 
(ЛФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург), В. В. Голубу 
(ИВТ РАН, г. Москва) и академику НАН Беларуси С. А. Чижику 
(ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, г. Минск) за плодотворные обсуждения, благожелательную критику, полезные советы и рекомендации. 
Выражаем признательность нашему руководителю, акаде
мику НАН Беларуси О. Г. Пенязькову, за поддержку работы, содействие выполнению исследований, ценные советы и рекомендации. Авторы надеются, что монография будет полезной научным работникам, а также инженерам, студентам и аспирантам, 
специализирующимся в области новой оптической диагностики, 
разработчикам новой лазерной диагностической техники, в том 
числе и для медицинского применения.

Методы СФ и спекл-интерферометрии (СИ) «родились» в рам
ках голографической интерферометрии и первое время пользовались теми же голографическими материалами и приемами 
первичной обработки информации [1−4; 8; 9; 11; 32]. Переход  
к цифровым спекл-технологиям еще более увеличил точность 
считывания первичных экспериментальных данных и объем получаемой информации. Данная монография описывает приемы 

цифровой спекл-фотографии (ЦСФ), применяемые сегодня не 
только в СФ и СИ, но и в Тальбот-интерферометрии (ТИ), теневом фоновом методе (BOS, BOS) и техBOS, BOS) и техOS, BOS) и техOS, BOS) и техS, BOS) и техS, BOS) и тех, BOS) и техBOS) и тех) и технике PIV. 
В последние годы защищены кандидатские и докторские 
диссертации [33–47], написаны книги и пособия по близким вопросам [32; 48–58].

Авторы весьма признательны доктору физ.-мат. наук Леони
ду Викторовичу Танину за редактирование настоящей монографии, полезные и продуктивные дискуссии, ценные рекомендации. 
В Минске под руководством Л. В. Танина выросла школа по 
оптической голографии, голографической интерферометрии и их 
применению в биомедицине [59−68]. Выражаем еще раз искреннюю признательность Л. В. Танину и его коллегам по Институту 
физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси: академику НАН Беларуси В. С. Буракову, профессорам Б. М. Джагарову, А. П. Иванову, Н. В. Тарасенко, кандидатам наук В. В. Ажаронку и И. И. Филатовой за многолетние творческие контакты, полезные дискуссии и рекомендации. 
В Саратове за короткий срок под руководством профессора 
Валерия Петровича Рябухо подготовлена целая научная школа 
по СФ и СИ [69−78]. Выражаем искреннюю признательность коллегам В. П. Рябухо из г. Москва, профессорам Г. Н. Вишнякову, 
Н. Г. Власову, Г. Г. Левину и И. С. Клименко за многочисленные 
продуктивные контакты во время научных конференций, дружеское участие, научные консультации и полезные рекомендации. 
В Новосибирске под руководством члена-корреспондента 
РАН, профессора Дмитрия Мáрковича Маркóвича сложилась 
школа по применению техники PIV в аэрофизическом эксперименте и теплофизике [79−88]. Выражаем признательность Д. М. Марковичу и его коллегам из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, директору Института, члену-корреспонденту 
РАН С. В. Алексеенко, академику РАН А. К. Реброву, профессорам Ю. Н. Дубнищеву и О. В. Шарыпову за многолетние продуктивные контакты, дружеские встречи на научных собраниях, полезные рекомендации. Сильная школа по оптической диагно

стике газовых потоков и визуализации имеется также в Инсти- 
туте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН и Новосибирском университете [35; 53; 54]. 
Искренне благодарим также академика РАН В. М. Фомина, профессоров В. М. Бойко, Г. М. Жаркову, А. М. Оришича, А. А. Павлова, В. В. Пикалова и Н. Г. Преображенского за многолетние 
продуктивные контакты, дружеские встречи на научных собраниях, полезные рекомендации. 
В Москве на кафедре молекулярной физики физического 

факультета МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством професссора И. К. Знаменской сложилась школа по визуализации 
газодинамических течений, включая визуализацию электрическим разрядом и теневым фоновым методом [34; 38; 41; 42; 48; 
89−93]. Авторы выражают благодарность професссорам МГУ 
И. К. Знаменской, А. В. Приезжеву, А. В. Уварову, кандидатам 
наук Н. А. Винниченко и И. В. Мурсенковой за многочисленные 
продуктивные контакты во время научных конференций, научные консультации и полезные рекомендации. Сильная школа по 
рефрактографии и теневым фоновым методам сложилась также 
на кафедре физики им. В. А. Фабриканта в Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова в МЭИ под руководством Бронюса Симовича Ринкевичюса [33; 37; 43; 47; 52; 56−58; 
94−96]. Авторы благодарят профессора Б. С. Ринкевичюса и доцентов кафедры физики Н. М. Скорнякову и И. Л. Расковскую за 
многолетние полезные контакты и благожелательные рекомендации.

В Институте тепло- и массобмена им. А. В. Лыкова НАН 

Беларуси под руководством академика НАН Беларуси О. Г. Пенязькова и доктора физико-математических наук П. П. Храмцова 
развивается школа по использованию эффекта Тальбота в диагностике газодинамических течений при участии канд. физ.-мат. 
наук И. А. Ших, младших научных сотрудников М. В. Дорошко 
и И. Н. Шатана [97–108]. Эти материалы включены в монографию, 
за что авторам оригинальных работ выражается глубокая признательность. Авторы также с большим удовольствием выражают 
благодарность кандидатам физ.-мат. наук П. Н. Кривошееву, 

М. Ю. Черник, а также Н. Л. Евменчикову, К. Л. Севруку и всем 
сотрудникам лаборатории физико-химической гидродинамики 
за помощь на протяжении всего времени работы над книгой.
В заключении к краткому Предисловию мы должны сказать 
несколько слов о профессоре Вольфганге Мерцкирше и выразить ему свою глубочайшую признательность и благодарность. 
Прежде всего, потому, что первые эксперименты по СФ были 
начаты под его руководством [1–4]. К нашему великому сожалению, в те годы с помощью методов СФ удавалось получить информацию лишь в отдельных точках течения. И до визуализации 
всего течения было еще далеко. А все свои книги В. Мерцкирш 
называл «Визуализация течений» («Fw Vsz») [5]. Это 
его принципиальная позиция: «…понять, значит увидеть своими глазами». Недаром, в своей последней статье [109], он напоминает, что на многих языках мира выражение «я вижу», эквивалентно «я понимаю»1. В. Мерцкирш любит цитировать выражение Э. Маха в споре с Л. Больцманом о существовании атомов 
«…а Вы видели хоть один?»2. Выражение «очевидно» идет от 
латинского корня «», что означает «видеть». Таким обра», что означает «видеть». Таким обра», что означает «видеть». Таким образом, высшие достижения в оптической диагностике течений называются «визуализацией течений».

За 48 лет своего развития начиная с опытов Бурча и Токар
ского многие методы диагностики, основанные на компьютеризированных спекл-технологиях, достигли к настоящему времени такого уровня, что мы можем сказать, что это уже визуализация течений. Причем не просто визуализация, а количественная 
визуализация – что и вынесено в заглавие нашей книги. Теперь  
о «спекл-технологиях». В действительности, в двух из описываемых в монографии методах (Тальбот-интерферометрия и теневой 
фоновый метод) анализ течения осуществляется путем нахождения искривлений регулярных прямоугольных сеток. Математически процедура такого анализа оказывается идентичной поиску 
искривлений и деформации (случайных) спекл-полей, как в ме
1 На английском языке выражение «I s…» эквивалентно выражению 
«я понимаю…».
2 Hyy s?

тодах СФ, СИ и PIV. Поэтому мы называем такой анализ «спеклтехнологией». Тем более, что в случае спекл-полей их числовая 
регистрация производится также на прямоугольных сетках, определяемых геометрией приемной ПЗС-матрицы. 

Далее в монографии следует краткая вводная глава, которая 
начинается с описания опытов Бурча и Токарского, продолжается кратким описанием техники PIV и заканчивается введением  
в электронную и цифровую СФ. Во второй главе книги описывается открытие спекл-полей и дается краткая справка о применении 
биоспекл-полей в медицине. В конце главы приведены уравнения Максвелла и описаны оригинальные методы компьютерного трассирования зондирующего излучения через турбулентную среду. Третья глава монографии посвящена описанию дифракционных основ техники СФ, необходимых для понимания 
основного содержания монографии. В конце главы дан пример 
диагностики водородного топливного элемента. Четвертая глава 
посвящена описанию основных схем СФ и СИ. Описана пространственная фильтрация спеклограмм. Дано описание теневого фонового метода и томографической техники PIV. В конце 
главы приведены сведения о томографии течений. Пятая глава 
посвящена Тальбот-интерферометрии, а в шестой главе собраны 
все имеющиеся сведения о статистике спекл-полей. 
В заключении монографии приведены сведения о главных 

научных собраниях специалистов по визуализации течений, Международных симпозиумов по визуализации течений (МС по ВТ). 
Отметим, что эти МС по ВТ организовали трое ученых, профессора Т. Асанума (Япония), В. Дж. Янг (США) и В. Мерцкирш.  
В настоящее время жив остался только В. Мерцкирш.

Литература к Предисловию

1. Fomin, N. SpPpy f TbDsy F/ N. Fm, 

U. W, W. Mz// Bf Abss f IUTAM Symp. OpMs Dyms f Fs Ss. CzsA. f S. – 
Czs, 1984. – P. 38.
2. Вернекинг, У. Спекл-техника восстановления газодинамических полей 

в турбулентных реагирующих потоках / У. Вернекинг, В. Мерцкирш, Н. Фо