CN103884711B - 一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速摄影相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。该测试方法主要包含两部分，一部分是根据氧碘混合热流场中的光谱成分特点，通过一个滤光衰减装置，建立了一套实验测试方法；另一部分是根据氧/碘混合热流场研究的需要和由上述实验测试方法得到的图像，定义了一系列流场定量评价的参数，并由数字图像处理程序，给出了各种实验条件下的各定量参数的数值，对氧碘化学激光器中氧碘超音速混合流场的发展过程给予了定量评价。该方法结构简单、易于实现。

Description

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法

技术领域

本发明涉及一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速摄影相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的图像测试方法；根据氧/碘混合热流场研究的需要和由上述实验测试方法得到的图像，定义了一系列流场定量评价的参数，通过这些参数对氧碘超音速混合流场不同方面的特性给出了定量的数值。该方法的建立为氧碘化学激光器中关键部件—喷管模块的结构设计研究和氧碘化学激光器气流运行参数的优化提供了便利。

背景技术

氧碘混合过程是氧碘化学激光器（COIL）运行中的一个重要的环节，因为激发态氧为COIL提供能量来源，而碘原子是COIL的发光介质。氧碘混合的好坏直接关系着COIL的化学效率和激光输出的光束质量，因此氧碘混合过程的检测和评估是对COIL硬件设计(尤其是喷管设计)评价优化的一个重要参考依据。

氧碘混合流场具有超音速、低压力等特点，使得氧碘混合流场的检测变得困难。在流场检测中常用的纹影/阴影法、mie/瑞利散射、PIV等测量方法基本不适用于COIL的氧碘混合流场。近年来，有人用激光诱导荧光（PLIF）对氧碘混合流场进行了测量。美国科学家CarrieA.Noren等人曾建立了一套基于染料激光器（565nm）的PLIF系统，并对超音速横向流注碘喷管进行了研究。但是PLIF为有源检测，要求气流中不能存在发光粒子，因此PLIF只适用于对氧/碘冷气流流场的检测，对于热气流流场（即真实的COIL运行流场），PLIF无法使用。

采用化学发光成像流场检测的基本原理是利用流场中存在的荧光进行成像，并通过图像分析获得流场的相关定量参数。化学发光成像检测曾经被用于HF激光器流场的检测中，但是由于这些研究是在几十年前完成的，当时的光学成像设备还比较落后，没有如今的高速摄影技术，当时采用的扫描成像手段对真实考察整个流场和实时检测方面存在一定的局限。

在COIL运行过程中，氧碘混合后首先会碰撞产生激发态碘分子，而碘分子会自发辐射出光谱范围很宽的荧光，因此利用这一特点，可以采用化学发光成像法对COIL的实时热流场进行检测。但是目前为止，对于化学发光法用于COIL氧碘混合热流场的研究还未见报道。

发明内容

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速CCD相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。该测试方法主要包含两部分，（1）图像采集：根据氧碘混合热流场中的光谱成分特点，通过一个滤光衰减装置，建立了一套氧/碘超音速混合热流场图像采集的方法；（2）数据处理：根据氧/碘超音速混合热流场的特征和研究需要，定义了一系列流场定量评价的参数，并由数字图像处理程序，给出了各种实验条件下的各定量参数的数值，并给出了每一个参数随时间的变化曲线。

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法，

采用高速CCD相机采集氧碘化学激光器中光腔段的氧/碘超音速混合热流场的图像；像采集过程中，于采用微距镜头的高速CCD相机，微距镜头前方依次设置衰减片和滤光片，滤光片靠近所需采集图像的氧/碘超音速混合热流场所在的光腔段壁面外侧；

通过高速CCD相机从光腔段侧壁面上采集光腔段内的二维图像；所采集图像区域包括从光腔段入口至光腔段出口的所有光腔段内区域；

高速CCD相机通过数据电缆与带有数据采集与处理系统的计算机相连接；

对计算机中的氧/碘超音速混合热流场的图像进行分析：通过数字图像处理软件，读取测试图像每个像素的灰度值；界定混合区与非混合区的灰度阈值，确定混合流场中混合区的边界；

所述测试图像是指所采集图像中光腔段内区域所对应的图像；

根据混合区的边界，可以定义定量和定性的流场混合过程的相关参数，来对混合流场沿气体流动方向的发展情况进行定量的评价；

此外通过计算测试区图像每一像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和测试区总像素数之积的比值来定量地评价混合效率。

以所采集图像上光腔段内区域的光腔段入口处的中点为圆点，以气体流动方向为X轴，以所采集图像区域上垂直X轴的方向为Y轴；

输出处理过程中所定义的参数包括：

氧/碘超音速混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离LC，该距离的测量起点为喷管出口截面（NEP）；该参数反映的是混合区横向（y轴）发展速度；LC值越小，说明混合区的横向发展速度越快。

混合区达到最大宽度所经历的流向距离LM，该距离的测量起点为喷管出口截面（NEP）；该参数反映的是混合区充分发展，即达到最大宽度，所需要的时间。从混合的角度，LM数值越小，说明混合区发展的越快，这有利于提高氧碘化学激光器的运行效率。

混合区的最大宽DM度，测量起点为混合区的对称中心线，终点为混合区距离对称中心线的最远距离；该参数反映的是混合充分发展后的宽度。DM值越大，说明混合区的扩散能力越强，这对氧碘化学激光器的运行是有利的。

混合区最大宽度（DM）与混合区达到最大宽度所经历的流向距离（LM）的比值β，其数值大小反映的是氧碘超音速混合区从一开始到充分发展过程中的平均发展速度。β值越大，说明该条件下的混合速度越快。

混合效率η_mix：混合区图像像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和混合总像素数之积的比值，即：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)}{I_{\max }\·\mathrm{\Σ}{A}_M}$

I(x,y)—坐标为(x,y)的像素的灰度值；I_max—像素最大灰度值；A_M—混合区总面积（单位：像素）；混合效率反映的是混合区内碘分子空间分布的均匀性。

通过一个滤光片，将氧/碘超音速混合流场中的氧气和碘原子相关的光谱成分滤掉，透过的光谱成分全部来自于碘分子。基于此，滤光片的透过范围限制在500-600nm以内。

为了更好了显示氧/碘超音速混合流场的空间分布特征，并适用于各种不同的氧碘化学激光器的运行气流条件，在测试光路上设置有一个衰减片。通过选择不同透过率的衰减片，可以适合各种实验条件的测试，确保测到的图像像素低于饱和值，从而可以获得混合流场的空间分布特征。

在高速CCD相机前安装有一个微距将镜头，可以实现高精度的空间分辨。微距镜头为定焦镜头，且最小聚焦距离小于20mm。

图像采集采用了高速CCD相机，其最小曝光时间小于1ms，使得图像采集系统获得了很高的时间分辨率。

本发明的有益效果是：

本专利根据氧/碘超音速混合热流场的光谱特点、结合滤光/衰减手段、利用微距镜头和高速CCD相机等器件，建立了一个对超音速混合流场图像检测的方法；同时结合数字图像处理和混合流场的属性特点，定义了一系列的定量参数，这对于研究分析氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合流场有着重要的意义，特别是在氧碘化学激光器气流参数优化和超音速混合喷管设计研究方面，该方法为这些研究过程提供了第一手的实验数据，从而使得上述研究更方便高效。

附图说明

图1：测试光路图；

0：光腔段1：滤光片；2：衰减片；3：微距镜头；4：高速CCD相机；5：计算机数据采集与处理系统

图2.流场参数定义示意图；

5：测试区6：氧喷管中心线；7：碘喷管中心线；8：混合区；

LC：氧/碘超音速混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离；LM：混合区达到最大宽度所经历的流向距离；DM：混合区的最大宽度；

图3：实验采集到的混合流场图像

图4：处理后的混合流场轮廓曲线

具体实施方式

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速CCD相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。该测试方法主要包含两部分，（1）图像采集：根据氧碘混合热流场中的光谱成分特点，通过一个滤光衰减装置，建立了一套氧/碘超音速混合热流场图像采集的方法；（2）数据处理：根据氧/碘超音速混合热流场的特征和研究需要，定义了一系列流场定量评价的参数，并由数字图像处理程序，给出了各种实验条件下的各定量参数的数值。

图像采集的光路图如图1所示，包括滤光片1；衰减片2；微距镜头3；高速CCD相机4；计算机数据采集与处理系统5。

输出处理过程中所定义的参数包括（图2）：LC：混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离；DM：混合区的最大宽度；LM：混合区达到最大宽度所经历的流向距离；β值：混合区最大宽度（DM）与混合区达到最大宽度所经历的流向距离（LM）的比值；混合效率η_mix：测试区图像每一像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和测试区总像素数之积的比值。

通过一个滤光片（1），将氧/碘超音速混合流场中的氧气和碘原子相关的光谱成分滤掉，透过的光谱成分全部来自于碘分子。基于此，滤光片的透过范围限制在500-600nm以内。

为了更好了显示氧/碘超音速混合流场的空间分布特征，并适用于各种不同的氧碘化学激光器的运行气流条件，在测试光路上设置有一个衰减片2。通过选择不同透过率的衰减片，可以适合各种实验条件的测试，确保测到的图像像素低于饱和值，从而可以获得混合流场的空间分布特征。

在高速CCD相机4前安装有一个微距将镜头3，可以实现高精度的空间分辨。微距镜头为定焦镜头，且最小聚焦距离小于20mm。

图像采集采用了高速CCD相机，其最小曝光时间小于1ms，使得图像采集系统获得了很高的时间分辨率。

流场参数LC定义为氧/碘超音速混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离，该距离的测量起点为喷管出口截面（NEP）（如图2所示）。

流场参数LM定义为混合区达到最大宽度所经历的流向距离，该距离的测量起点为喷管出口截面（NEP）（如图2所示）。

流场参数DM定义为混合区的最大宽度，测量起点为混合区的对称中心线，终点为混合区距离对称中心线的最远距离。

流场参数β值定义为混合区最大宽度（DM）与混合区达到最大宽度所经历的流向距离（LM）的比值，其数值大小反应的氧/碘混合区的沿气流方向在混合初期的发展速度。

流场参数混合效率η_mix的定义为：混合区图像像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和混合总像素数之积的比值，即：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)}{I_{\max }\·\mathrm{\Σ}{A}_M}$

I(x,y)—坐标为(x,y)的像素的灰度值；I_max—像素最大灰度值；A_M—混合区总面积（单位：像素）。混合效率反映的是混合区内碘分子空间分布的均匀性。

根据实验中高速摄影采集的一系列的图像，可以给出混合流场所有定量参数随时间的变化情况。

具体操作步骤如下：

1.选择合适的衰减片。

2.光路系统准直、对焦。

3.启动拍照系统。

4.设定工作参数，包括高速CCD相机曝光时间和采集时间及镜头光圈等。

5.运行氧碘化学激光器。

6.预测试：根据测试结果，进一步调节步骤4的参数；必要的时候更换衰减片，并重复步骤2。

7.参数调整好后，进行正式实验，采集所研究流场的图像（图3）。

8.实验完毕后，关闭系统。

9.数据处理：对所采集的图像（图3）用数字图像处理软件进行数字处理，根据已经定义的参数，给出各次试验的定量结果（表1）

10.给出测试报告。

表1：

Claims (5)

1.一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法，

1)采用高速CCD相机采集氧碘化学激光器中光腔段的氧/碘超音速混合热流场的图像；图像采集过程中，于采用微距镜头(3)的高速CCD相机(4)前方依次设置衰减片(2)和滤光片(1)；滤光片(1)靠近所需采集图像的氧/碘超音速混合热流场所在的光腔段壁面外侧；

通过高速CCD相机(4)从光腔段(0)侧壁面上采集光腔段内的二维图像；所采集图像区域包括从光腔段入口至光腔段出口的所有光腔段内区域；

高速CCD相机(4)通过数据电缆与带有数据采集与处理系统的计算机(5)相连接；

2)数据处理：

对计算机中的氧/碘超音速混合热流场的图像进行分析：通过数字图像处理软件，读取测试图像每个像素的灰度值；界定混合区与非混合区的灰度阈值，确定混合流场中混合区的边界；

所述测试图像是指所采集图像中光腔段内区域所对应的图像；

根据混合区的边界，可以定义定量和定性的流场混合过程的相关参数，来对混合流场沿气体流动方向的发展情况进行定量的评价；

此外通过计算测试区图像每一像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和测试区总像素数之积的比值来定量地评价混合效率。

2.按照权利要求1所述的氧/碘超音速混合热流场的测试方法，其特征在于：

以所采集图像上光腔段内区域的光腔段入口处的中点为圆点，以气体流动方向为X轴，以所采集图像区域上垂直X轴的方向为Y轴；

输出处理过程中所定义的参数包括：

LC：混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离，即混合区边界与氧喷管中心线交点的X轴坐标；

DM：图像区域上混合区边界到X轴的最大宽度，即Y轴方向上的混合区边界的Y轴坐标的最大绝对值；

LM：混合区达到最大宽度所经历的最短流向距离，具有最大宽度的图像区域上混合区边界点的X轴坐标中最小数值；

β值：混合区最大宽度(DM)与混合区达到最大宽度所经历的最短流向距离(LM)的比值；

混合效率η_mix：测试图像区域每一像素点灰度值的总和与测试图像区域图像中像素最大灰度值和测试区总像素数之积的比值。

3.按照权利要求2所述的氧/碘超音速混合热流场的测试方法，其特征在于：

流场参数LC定义为氧/碘超音速混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离，该距离的测量起点为喷管出口截面(NEP)；该参数反映的是混合区横向(Y轴)发展速度；LC值越小，说明混合区的横向发展速度越快；

流场参数LM定义为混合区达到最大宽度所经历的流向距离，该距离的测量起点为喷管出口截面(NEP)；该参数反映的是混合区充分发展，即达到最大宽度，所需要的时间；从混合的角度，LM数值越小，说明混合区发展的越快，这有利于提高氧碘化学激光器的运行效率；

流场参数DM定义为混合区的最大宽度，测量起点为混合区的对称中心线，终点为混合区距离对称中心线的最远距离；该参数反映的是混合充分发展后的宽度；DM值越大，说明混合区的扩散能力越强，这对氧碘化学激光器的运行是有利的；

流场参数β值定义为混合区最大宽度(DM)与混合区达到最大宽度所经历的流向距离(LM)的比值，其数值大小反映的是氧碘超音速混合区从一开始到充分发展过程中的平均发展速度；β值越大，说明该条件下的混合速度越快；

流场参数混合效率η_mix的定义为：混合区图像像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和混合总像素数之积的比值，即：

${\mathrm{\η}}_{mix}=\frac{\mathrm{\Σ}I(x,y)}{I_{max}\·{\mathrm{\ΣA}}_M}$

I(x,y)—坐标为(x,y)的像素的灰度值；I_max—像素最大灰度值；ΣA_M—混合总像素数；混合效率反映的是混合区内碘分子空间分布的均匀性。

4.按照权利要求1所述的氧/碘超音速混合热流场的测试方法，其特征在于：通过一个滤光片(1)，将氧/碘超音速混合流场中的氧气和碘原子相关的光谱成分滤掉，透过的光谱成分全部来自于碘分子；基于此，滤光片的透过范围限制在500-600nm以内；

为了更好了显示氧/碘超音速混合流场的空间分布特征，并适用于各种不同的氧碘化学激光器的运行气流条件，在测试光路上设置有一个衰减片(2)；通过选择不同透过率的衰减片，可以适合各种实验条件的测试，确保测到的图像像素低于饱和值，从而可以获得混合流场的空间分布特征。

5.按照权利要求1所述的氧/碘超音速混合热流场的测试方法，其特征在于：在高速CCD相机(4)前安装有一个微距镜头(3)，可以实现高精度的空间分辨；微距镜头为定焦镜头，且最小聚焦距离小于20mm；

图像采集采用了高速CCD相机，其最小曝光时间小于1ms，使得图像采集系统获得了很高的时间分辨率。