CN104316289A - 一种高超声速风洞双光路系统 - Google Patents

Abstract

一种高超声速风洞双光路系统，在国内常规高超声速风洞试验段中，利用洞内圆锥流场与洞壁之间较大的非流场区域，在不对风洞结构产生任何改变前提下，设计安装洞内光源，45度斜置反光镜，新双观察窗门，结合洞外光路部件，组成对试验段垂直方向进行观测的光路系统。该光路采用远心光路方案，可以消除模型沿景深方向运动产生的视差。

Description

一种高超声速风洞双光路系统

技术领域

本发明涉及一种风洞双光路系统，用于解决风洞试验时，风洞模型变化情况的立体观测问题。

背景技术

常规高超声速风洞仅具有一个水平纹影(对应俯仰方向)光路系统。随着气动研究的不断深入，以及双目视觉图像分析技术的成熟，风洞试验能够提供模型立体光测结果成为越来越普遍的需求。要实现这个要求，必须对常规高超声速风洞进行改造，使其具备双光路观测能力。在原有水平光路基础上，增加一套呈正交的垂直光路系统，是理想的方案。而常规高超声速风洞试验段附属设备众多，对风洞洞体结构强度也有强制要求。因此不能在垂直光路光线所需经过的上下洞壁开孔安装光源及其光路设备。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高超声速风洞双光路系统，在不影响原水平光路基础上，实现增加垂直光路的结果。

本发明的技术解决方案是：

一种高超声速风洞双光路系统，包括：第一圆柱光源、第二圆柱光源、洞内45度斜置平面反射镜、第一观察窗、第二观察窗、洞外平面反射镜、第一凹面聚焦物镜、第二凹面聚焦物镜、第一孔径光阑、第二孔径光阑；

所述第一圆柱光源和洞内45度斜置平面反射镜均固定在所述高超声速风洞内部，且洞内45度斜置平面反射镜位于第一圆柱光源的正上方，第一圆柱光源发出的光经过洞内45度斜置平面反射镜的反射，从风洞侧壁上的第一观察窗中射出，经过洞外平面反射镜反射到第一凹面聚焦物镜上，第一凹面聚焦物镜将光线聚焦到第一孔径光阑上成像，

第二圆柱光源位于风洞外部，且第二圆柱光源发出的光线照射到风洞内部，通过风洞侧壁上的第二观察窗射出，通过第二凹面聚焦物镜聚焦到第二孔径光阑上成像。

所述洞内45度斜置平面反射镜和第一圆柱光源之间为所述高超声速风洞内的高超声速气流流场。

飞行器模型位于洞内45度斜置平面反射镜和第一圆柱光源之间的光路上，同时，飞行器模型还位于第二圆柱光源和第二观察窗之间的光路上。

所述第一观察窗位于第二观察窗的上方。

所述第一观察窗和第二观察窗为矩形或者圆形。

所述第一圆柱光源和第二圆柱光源均为平行光源。

飞行器模型在双光路中空间位置的变化对成像清晰度无影响。

本发明的优点是：

(1)采用远心光路，位置测量精度高，不受景深变化影响；

(2)本装置与原纹影仪水平光路各自独立，不影响原纹影仪使用；

(3)对风洞流场不够成干扰；

(4)对风洞现有强度不造成改变；

(5)所有光路设备安装可逆，即撤除设备后可恢复风洞原貌；

(6)在国内相同类型风洞中具备可复制性。

附图说明

图1为远心方案原理图；

图2为大孔径长焦距光学系统原理示意图；

图3为本发明双光路系统结构图。

具体实施方式

本发明为在高超声速风洞试验段中，在流场与洞壁之间区域，安装光源与45度斜置反射镜，结合双观察窗门与洞外光路，在不影响原水平光路基础上，实现增加垂直光路的结果。

如图3所示，本发明提供了一种高超声速风洞双光路系统，包括：第一圆柱光源1、第二圆柱光源2、洞内45度斜置平面反射镜3、第一观察窗4、第二观察窗5、洞外平面反射镜6、第一凹面聚焦物镜7、第二凹面聚焦物镜8、第一孔径光阑9、第二孔径光阑10；

第一圆柱光源1和洞内45度斜置平面反射镜3均固定在所述高超声速风洞内部，且洞内45度斜置平面反射镜3位于第一圆柱光源1的正上方，第一圆柱光源1发出的光经过洞内45度斜置平面反射镜3的反射，从风洞侧壁上的第一观察窗4中射出，经过洞外平面反射镜6反射到第一凹面聚焦物镜7上，第一凹面聚焦物镜7将光线聚焦到第一孔径光阑9上成像，

第二圆柱光源2位于风洞外部，且第二圆柱光源2发出的光线照射到风洞内部，通过风洞侧壁上的第二观察窗5射出，通过第二凹面聚焦物镜8聚焦到第二孔径光阑10上成像。

洞内45度斜置平面反射镜3和第一圆柱光源1之间为所述高超声速风洞内的高速气流流场。

飞行器模型位于洞内45度斜置平面反射镜3和第一圆柱光源1之间的光路上，同时，飞行器模型还位于第二圆柱光源2和第二观察窗5之间的光路上。

第一观察窗4位于第二观察窗5的上方。第一观察窗4和第二观察窗5为矩形或者圆形。第一圆柱光源1和第二圆柱光源2均为平行光源。飞行器模型在双光路中空间位置的变化对成像清晰度无影响。

光路方案：

为消除模型沿景深方向运动产生的视差，导致风洞轴线方向，垂直风洞轴线且水平方向坐标测量不准，采用远心光路方案。原理图1所示。

在物镜焦点处设一孔径光阑，改变照明模型的光线结构，使各物点光线为平行于光轴(垂直风洞轴线且铅垂方向)的平行光。于是在像平面上，像点的中心位置不因垂直风洞轴线且铅垂方向位置改变而变化，保证风洞轴线方向，垂直风洞轴线且水平方向坐标准确。

光学系统：

为实现远心光路，设计原理采用大孔径长焦距光学系统。物镜孔径大于观察范围的尺寸，与观察范围大小成正比。该装置的光学系统示意图2所示。

光源：

采用满足毫秒量级曝光时间要求的高强度光源。为适应远心照明及充分利用光能，发出的光线集中于一个方向，且是平行光。为避免交流电的闪烁，采用直流供电。

使用大功率LED作为点光源，经菲涅尔透镜从圆柱光源内部形成平行光，光线穿过流场。

风洞配套系统：

在流场下方设计第一圆柱光源1精确定位机构。

流场上方设计45度斜置平面反射镜3安装及调节机构，采用卡榫方式固定于风洞上壁板结构梁上，不需要对风洞梁进行任何改变。45度斜置平面反射镜3两端支柱一高一低，使45度斜置平面反射镜3与第一圆柱光源1轴线形成45度角度。支柱与镜架连接机构具备角度调节功能，可以调节45度斜置平面反射镜3安装角度，保证45度设计反射角。

侧壁相应位置增加一个第一观察窗4，所有镜架都有两个角度调节机构，光学元件支架安装便捷、牢固，考虑防震要求，该系统可复制于国内同类型风洞。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于包括：第一圆柱光源(1)、第二圆柱光源(2)、洞内45度斜置平面反射镜(3)、第一观察窗(4)、第二观察窗(5)、洞外平面反射镜(6)、第一凹面聚焦物镜(7)、第二凹面聚焦物镜(8)、第一孔径光阑(9)、第二孔径光阑(10)；

所述第一圆柱光源(1)和洞内45度斜置平面反射镜(3)均固定在所述高超声速风洞内部，且洞内45度斜置平面反射镜(3)位于第一圆柱光源(1)的正上方，第一圆柱光源(1)发出的光经过洞内45度斜置平面反射镜(3)的反射，从风洞侧壁上的第一观察窗(4)中射出，经过洞外平面反射镜(6)反射到第一凹面聚焦物镜(7)上，第一凹面聚焦物镜(7)将光线聚焦到第一孔径光阑(9)上成像，

第二圆柱光源(2)位于风洞外部，且第二圆柱光源(2)发出的光线照射到风洞内部，通过风洞侧壁上的第二观察窗(5)射出，通过第二凹面聚焦物镜(8)聚焦到第二孔径光阑(10)上成像。

2.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：所述洞内45度斜置平面反射镜(3)和第一圆柱光源(1)之间为所述高超声速风洞内的高超声速气流流场。

3.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：飞行器模型位于洞内45度斜置平面反射镜(3)和第一圆柱光源(1)之间的光路上，同时，飞行器模型还位于第二圆柱光源(2)和第二观察窗(5)之间的光路上。

4.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：所述第一观察窗(4)位于第二观察窗(5)的上方。

5.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：所述第一观察窗(4)和第二观察窗(5)为矩形或者圆形。

6.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：所述第一圆柱光源(1)和第二圆柱光源(2)均为平行光源。

7.一种高超声速风洞双光路系统，其特征在于：飞行器模型在双光路中空间位置的变化对成像清晰度无影响。