Lokale Strömungsdiagnostik durch Lichtfeldanalyse

• Antragsteller: Dr.-Ing. Stefan Löhle
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325614075

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projekts wurde die Lichtfeldanalyse auf optisch dünne, transparente Medien ausgeweitet, um Strömungsphänomene dreidimensional mit nur einer Aufnahme erfassen zu können. Mit der entwickelten Methode steht ein Werkzeug zur Verfügung, das in unzähligen Bereichen der Fluiddynamik von großer Bedeutung ist: Die Visualisierung der Strömungseigenschaften in allen drei Raumrichtungen. Das neu entwickelte Verfahren basiert auf der direkten 3D-Lichtfeldentfaltung, die ursprünglich für Mikroskopanwendungen publiziert wurde und in diesem Projekt erstmals auf makroskopische Anwendungen und eine photographische Kamera übertragen wurde. Im ersten Schritt des Projekts wurden verschiedene Methoden zur dreimdimensionalen Rekonstruktion von Lichtfelddaten analysiert. Für die Analyse transparenter Strömungen haben sich dabei Techniken auf Grundlage von Fokusstapeln bzw. der tomographischen Rückprojektion der 3D-Radontransformierten als ungeeignet herausgestellt. Fokusstapel lassen sich aus den Daten einer fokussierten plenoptischen Kamera nur für opake Objekte mit ausreichender Oberflächentextur erstellen, während für die tomographische Methode der betrachtete Winkelbereich der Szene zu klein ist und starke Artefakte die Weiterverwendung erschwerten. Das Ziel einer Volumenrekonstruktion von optisch dünnen Strömungen konnte durch die Anpassung der direkten 3D-Lichtfeldentfaltung an die Datenstruktur der beschafften Kamera erreicht werden. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die experimentelle Charakterisierung des optischen Systems in Form einer PSF- (Point Spread Function) Matrix, durch die alle Elemente des Aufbaus wie Fenster und Filter erfasst werden können. Die Berechnung des Volumens aus der Lichtfeldaufnahme ist ein inverses Problem, das auf Basis der PSF-Matrix mit einem iterativen Entfaltungsalgorithmus gelöst wird. Die (Tiefen-) Auflösung der Methode hängt dabei im Wesentlichen von den Eigenschaften des Kameraobjektivs, des Arbeitsabstands und dem Detailgrad der Kalibrierung ab. Zur Bestimmung der PSF-Matrix, die als eine Art ortsabhängige, räumliche Impulsantwort zu verstehen ist, muss eine Vielzahl von Aufnahmen eines Kalibrierleuchtpunkts gemacht werden, der in kleinen Schritten das diskretisierte Volumen abarbeitet. Diese Kalibrierung ist sehr aufwändig und erfordert eine Positioniergenauigkeit im Bereich weniger Mikrometer. Dazu wurde ein präziser computergesteuerter Aufbau entwickelt, durch den die Kalibrierung automatisiert wurde. Die drei wesentlichen Resultate sind: Die räumliche Vermessung einer Punktwolke als grundlegender Testfall, die Analyse einer fluoreszierenden Flüssigkeit und die Vermessung einer Gasflamme. Mit der in diesem Projekt entwickelten Methode konnte dabei das Volumen mit einer Qualität rekonstruiert werden, die bisher nicht aus einer einzelnen Aufnahme erreicht werden konnte. Da die aufwändigen iterative Berechnungen des Entfaltungsalgorithmus erst nach der Aufnahme erfolgen, ist die zeitliche Auflösung lediglich durch die Bildrate der Kamera beschränkt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Berechnung von 3D-Sequenzen die Bestimmung von 3D3C-Geschwindigkeitsfeldern auch in optisch dünnen Strömungen ohne zusätzliche Partikel möglich wird. Die erarbeitete Methode zeigt sehr hohes Potential für die dreidimensionale, transiente Messung der Lichtintensität in Strömungen transparenter Fluide aus lediglich einem Blickwinkel. Daraus lassen sich wiederum verschiedene physikalische Größen ableiten, deren 3D-Erfassung bei eingeschränktem optischen Zugang bisher nicht möglich war, beispielsweise Teilchendichten emittierender Spezies bei Verwendung schmalbandiger optischer Filter.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Light-Field Imaging for Plasma Wind Tunnel Application. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 33(2):1–9, 2018
  Eberhart, M. und S. Loehle
  
• Efficient algorithm for calculating transposed PSF matrices for 3D light field deconvolution
  Eberhart, M.
  
• Three-Dimensional Analysis of Transparent Flames by Light Field Deconvolution. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 35(1), 2021
  Eberhart, M. und S. Loehle