一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统的制作方法

本发明涉及一种高速瞬态纹影系统。

背景技术：

传统的纹影法是有teopler.a于1864年基于纹影仪通对不均匀流场进行显示和测量而提出的光学方法。该方法是利用光在被测量流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为成像平面上相对光强的变化。传统纹影的光源一般为连续光源，会产生时均效应，导致流场波系结构叠加。因此传统纹影可以观察、分辨出可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域，而其他流场信息不容易被识别出来。

随着超声速、高超声速飞行的出现，飞行器周围的流场越来越复杂，导致对风洞流动显示技术的要求越来越高。复杂空间流场，如激波-激波干扰、激波-边界层干扰以及转捩问题，其精细结构测量和时空演变测量已经成为流动显示技术的难题。因此，以纹影系统原理为基础，国内外发展许多高精度、高时空分辨率的测试技术。首先是针对光源方面的改进，国外率先使用火花光源来解决时间分辨率的问题，但是这种方法在一次风洞试验中采集图像少，经济效益低下，现在已经被弃用。针对采集设备方面，则是提高其帧频和分辨率。随着芯片领域快速发展，传统的胶片相机已经被ccd和cmos相机所替代。此外，相机的帧频和像素级别不断提高。

瞬态纹影技术是采用高频脉冲激光作为光源，使用高像素尺寸和高帧频的cmos相机作为采集设备，满足tayler冻结流假设，实现了复杂流动结构(如激波-激波干扰、激波-边界层干扰以及转捩等现象)的同步高频显示与测量。然而现有的瞬态纹影技术仅用试验段尺寸较小的风洞的试验中，这是由于试验段尺寸较小的风洞配备的纹影系统的凹面反射镜口径相应较小，焦距较短。此时，激光光束传输距离较短，只要光束能够充满第一凹面镜，光强就满足需求，能够进行瞬态纹影系统的调试和使用。而大型风洞的试验段较大，相配备纹影系统的凹面反射镜的口径和焦距较大。如果不控制光束发散角，让其恰好充满凹面反射镜，会导致光束能量严重损失，无法调试或使用瞬态纹影系统。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，通过增加匀化系统，实现高频脉冲激光以特定角度均匀发散并消去杂光，提高能量利用率，使瞬态纹影技术应用于大型风洞上。

本发明的技术解决方案是：一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，包括激光光源系统、匀化系统、纹影系统、数据采集与同步控制系统；纹影系统包括第一反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第二反射镜和刀口；数据采集与同步控制系统包括cmos相机、计算机、同步控制器；

高频脉冲激光经过激光光源系统准直和消像差后，进入匀化系统，经过匀化系统后，形成匀化发射的高频脉冲激光，并消去杂光；发散匀化激光入射纹影系统，经第一反射镜和第一凹面镜反射并会聚为高频脉冲平行光，光束继续传输经过风洞试验段，经过第二凹面镜会聚，并被第二反射镜反射，聚焦到刀口处；cmos相机采集经过刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像并发送至计算机储存；同步控制器控制激光光源系统和cmos相机的触发和停止。

激光光源系统包括高频脉冲激光器、激光器准直器、双分离物镜、光束移动光学元件光束移动光学元件、双凹透镜、平行导轨；高频脉冲激光器、激光器准直器、双分离物镜、光束移动光学元件依次放置在平行导轨上；双凹透镜安装在平行导轨末端；

高频脉冲激光器发出高频脉冲可见光经激光器准直器对准双分离物镜的光心，由双分离物镜进行消像散差，之后通过双凹透镜实现光束的扩束；通过调整光束移动光学元件、双分离物镜、双凹透镜的相对位置，保证最终光束经过第一反射镜充满第一凹面镜。

匀化系统包括不同发散角度的光学匀化元件和光阑；由激光光源系统发出的光束首先经过光学匀化元件，形成匀化发散的高频脉冲激光；匀化发散的高频脉冲激光再经过光阑，传输到纹影系统中。

光学匀化元件将高频脉冲点光源激光匀化成试验所需发散角角度的匀化脉冲激光，光学匀化元件的能量透过率为90％。

光阑将光学匀化元件产生的杂散光和其他杂光滤去。

同步控制器包括控制处理电路和可编程延时电路；当控制处理电路接收到外部输入的风洞吹风信号时，输出两路具有同频率的方波时序信号至可编程延时电路，可编程延时电路对两路方波时序信号进行延时匹配处理后一路发送至激光光源系统，另一路发送至数据采集系统；激光光源系统、数据采集系统根据接收的方波时序信号触发；延时匹配处理使得激光光源系统产生的脉冲激光落在数据采集系统中cmos相机的曝光时间内。

cmos相机前增加伽利略系统。

cmos相机的采集频率高于风洞试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率。

高频脉冲激光器的工作频率高于风洞试验段流场的拟序结构移动速度对应的频率，脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。

高频脉冲激光器选用能量为35μj或单脉冲为350mj的yag脉冲激光器，波长为527nm，频率为10khz。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明为了能够让瞬态纹影技术应用到大型风洞上，本发明在原有瞬态纹影技术上添加了匀化系统，其核心元件为匀化镜和光阑，匀化镜的作用为将高频脉冲点光源激光发散为特定发散角度的光强均匀的高频脉冲发散激光，光阑的作用是消去匀化元件产生的杂光。这样，高频脉冲点光源激光在通过匀化系统后能恰好充满凹面反射镜，大大降低能量损失，提高能量利用率，使瞬态纹影技术能够成功在大型风洞上使用。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明激光光源系统示意图；

图3为本发明匀化系统示意图；

图4为本发明数据采集与同步控制系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

如图1～图4所示，本发明一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，包括激光光源系统、匀化系统、纹影系统、数据采集与同步控制系统。

高频脉冲激光经过准直和消像差后，进入匀化系统，经过光学匀化系统后，形成具有一定发散角的匀化的高频脉冲激光，并消去杂光。发散匀化激光入射纹影系统，经第一反射镜和第一凹面镜反射并会聚为高频脉冲平行光，光束继续传输经过风洞试验段的光学玻璃和流场，被第二凹面镜和第二反射镜会聚，聚焦到刀口处。

激光光源系统由高频脉冲激光器1、激光器准直器2、双分离物镜3、光束移动光学元件4、双凹透镜5、平行导轨6构成；高频脉冲激光器1、激光器准直器2、双分离物镜3、光束移动光学元件4均放置在平行导轨6上。双凹透镜5安装在平行导轨6末端。其中高频脉冲激光器1选用能量为35μj，或单脉冲350mj的yag脉冲激光器，波长为527nm，频率为10khz。

高频脉冲激光器1发出高频脉冲可见光经激光器准直器2对准双分离物镜3的光心，由双分离物镜3进行消像散差，之后通过双凹透镜5实现光束的扩束。通过调整光束移动光学元件4、双分离物镜3、双凹透镜5的相对位置，以保证最终光束经过第一反射镜充满第一凹面镜的目的。

匀化系统包括不同发散角度的光学匀化元件7和光阑8。由激光光源系统发出的光束首先经过光学匀化元件7，形成匀化发散的高频脉冲激光。；匀化发散的高频脉冲激光再经过光阑8，传输到纹影系统中。

纹影系统包括第一反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第二反射镜和刀口构成，其光路布置为典型的纹影系统的z字型光路，即光束由激光光源系统发出，并通过过匀化系统后，经过第一反射镜和第一凹面镜反射后形成高频脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞试验段后，经过第二凹面镜会聚，并被第二反射镜反射，使光束会聚到刀口处，最后被相机接收。

数据采集与同步控制系统包括cmos相机、计算机、同步控制器；cmos相机采集经过刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像，发送至计算机储存。同步控制器控制激光光源系统和cmos相机的触发和停止；同步控制器包括控制处理电路和可编程延时电路；当控制处理电路接收到外部输入的风洞吹风信号时，输出两路具有同频率的方波时序信号至可编程延时电路，可编程延时电路对两路方波时序信号进行延时匹配处理后一路发送至激光光源系统，另一路发送至cmos相机；激光光源系统、cmos相机根据接收的方波时序信号触发；上述延时匹配处理使得激光光源系统产生的脉冲激光落在cmos相机的曝光时间内。

相机选用mc1310型号的cmos相机，空间分辨率为1280×1024像素，图像采集卡选用x64xcelera型号，图像采集卡配有图像采集传感器和电子快门。该相机的cmos芯片光谱量子效率在527nm处约有26％的量子效率。cmos相机与图像采集卡之间采用fullcameralink接口连接并传输数据，采样频率可达1004hz，快速图像数据采集速度可达680mbyte/s，与主机通讯速度可达528mbyte/s，cmos相机的采集频率高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率。同步控制器选用89c51单片机为核心的控制处理电路、以cpld芯片epm7064slc44-10为核心的可编程延时电路组成，同时采用rs232接口，以实现单片机和计算机与激光器的异步通信。

高频脉冲激光器1的工作频率高于试验段流场的拟序结构移动速度对应的频率，脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。

光学匀化元件7将高频脉冲点光源激光匀化成试验所需发散角角度的匀化脉冲激光，光学匀化元件7的能量透过率为90％；光阑8可将光学匀化元件7产生的杂散光和其他杂光滤去。

系统还包括光学元件自身配备的调整移动组件，通过调整每个光学元件的位置，使其光心处于同一高度、第一凹面镜出射光为平行光并被第二凹面镜恰好接收。

cmos相机前增加伽利略系统，以防止实焦点的电离。cmos相机的采集频率高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率。

调试过程：首先将激光器出光口中心，匀化系统光路(匀化镜和光阑的光轴)，纹影系统光路(第一反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第二反射镜的光轴和刀口)，相机光轴调整为同一高度。匀化系统中的匀化元件要放置在第一凹面镜的焦点处，保证光束发散的起点在第一凹面镜的焦点，光束经第一凹面镜反射出的光为平行光。调试瞬态纹影技术中的纹影系统与传统纹影系统调试方法相似，依照光束传播方向进行调整：保证点光源在纹影系统第一凹面镜的焦点处；光源发出的光束经第一反射镜反射到第一凹面镜，保证光线充满第一凹面镜；第一凹面镜出射的平行光经过流场后入射第二凹面镜，保证光束恰好充满第二凹面镜；第二凹面镜出射光束经第二反射镜反射会聚，保证刀口位置恰好在该焦点处。最后，调整相机，使其能承接纹影图像。

当风洞流场建立后，同步控制器发出信号控制激光光源系统与数据采集系统开始工作。激光光源系统中，激光器发出高频脉冲激光，高频脉冲激光经过准直和消像差后，进入匀化系统，经过光学匀化系统后，形成具有一定发散角的匀化高频脉冲激光，并消去杂光。发散匀化激光入射纹影系统，经第一反射镜和第一凹面镜反射并会聚为高频脉冲平行光，光束继续传输经过风洞试验段的光学玻璃和流场，被第二凹面镜和第二反射镜会聚，聚焦到刀口处，数据采集系统采集经过刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。