CN105044385A - 基于emccd的干涉瑞利散射速度脉动测量方法 - Google Patents

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杨富荣
陈力
鲍伟义
苏铁
陈爽
刘亭序
李仁兵
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Abstract

本发明公开了一种基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：包括1）将激光束聚焦于气体流场测量点；2）以较小立体角收集测量点气体流场瑞利散射光；3）将收集的瑞利散射光形成法布里-珀罗干涉仪多光束干涉条纹；4）利用EMCCD采集记录所述多光束干涉条纹；5）用EMCCD采集激光器输出的窄线宽激光形成的法布里-珀罗干涉仪多光束干涉条纹，作为参考；6）用数字图像处理算法，计算瑞利散射干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；7）数据处理分析，获得流场速度脉动测量结果。该方法不外加示踪粒子就能对气体流场速度脉动的非接触测量，具有测速范围广，测量精度高、速度快，不干扰流场等优点。

Description

基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法
技术领域
本发明涉及实验空气动力学气体流场流动速度脉动非接触测量领域，具体地讲是一种实现气体流场速度脉动非接触测量的方法。
背景技术
流体的流动速度是流场最为基本的物理量,对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，随着现代航空、航天技术以及空气动力学科的迅速发展，超声速、高超声速复杂流动速度脉动的测量需求变得更加迫切,发展先进的速度脉动测量技术,为实验空气动力学提供可靠的速度测量结果,对国家先进飞行器及武器装备的快速发展,推动空气动力学科不断进步具有十分重要的意义。从二十世纪四十年代起,流场速度测量技术就已经作为一种专门的学问而存在，目前能够实现流场速度脉动测量的技术主要有热线风速仪和激光多普勒测速仪两种,热线风速仪多用于亚声速、跨声速流动速度脉动测量，并且属于接触式测量,对流场存在一定的干扰；激光多普勒测速仪在速度测量时需要添加示踪粒子，受粒子添加技术及示踪粒子本身跟随性的影响，其在高速非定常流动的速度测量中受到较多的限制，甚至无法测量。即现有的速度测量技术均无法满足超声速、高超声速复杂流动速度脉动的测量需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，用该方法可实现对超声速、高超声速复杂流动速度脉动的测量。
实现本发明的技术方案是：一种基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，该方法包括如下步骤：
1）确定气体流场测量点位置，将激光器输出激光聚焦于该测量点处；
2）在与激光束成一定夹角方向，以较小立体角收集测量点气体流场瑞利散射光；
3）利用法布里-珀罗干涉仪将收集的瑞利散射光形成多光束干涉条纹；
4）利用EMCCD采集记录瑞利散射光经法布里-珀罗干涉仪形成的干涉条纹；
5）利用法布里-珀罗干涉仪，将激光器输出的窄线宽激光形成多光束干涉条纹，并利用EMCCD采集，作为参考干涉条纹；
6）将EMCCD采集记录的数据传输至图像处理系统，利用数字图像处理算法，计算瑞利散射干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；
7）数据处理分析，计算流场速度引起的多普勒频移，获得流场速度脉动测量结果。
所述步骤1）所述激光器为大功率窄线宽连续型激光器。
所述步骤3）所述法布里-珀罗干涉仪为空气间隙干涉仪或固体法布里-珀罗干涉仪。
所述步骤4）与步骤5）所述EMCCD为高帧频快响应EMCCD。
所述步骤4）与步骤5）所述EMCCD工作于线阵模式，以提高干涉条纹采集帧频。
所述步骤2）中，通过设置激光束与散射光收集方向的不同夹角，实现测量点不同方向速度脉动测量。
本发明的有益效果是：
1、利用法布里-珀罗干涉仪对瑞利散射光谱的高精度分辨，实现气体流场速度脉动的高精度测量。
2、非接触测量，避免干扰被测流场。
3、不需外加示踪粒子，实现气体流场速度脉动高精度非接触测量，可操作性强。
4、可用于低速、超声速、高超声速流动速度脉动测量，应用范围广泛。
附图说明
图1本发明实施光路示意图。
图中标号，1—激光器，2—激光束，3—透镜，4—测点位置，5—瑞利散射光，6—光学透镜组，7—法布里-珀罗干涉仪，8—成像透镜，9—EMCCD，10—计算机。
具体实施方式
如图1所示，一种基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，该方法包括如下步骤：
（1）确定需要测量的气体流场测点位置，将大功率窄线宽连续激光器1输出的激光束2，经过透镜3会聚后照射待测气体流场，激光束的焦点位于需要测量的气体流场测点位置4处。
（2）在与激光束成一定夹角方向，利用光学透镜组6，以一很小立体角收集测量点气体分子的瑞利散射光5，并形成平行光束，传输至布里-珀罗干涉仪7，实施时可通过设置不同的夹角方向，测量测量点不同方向的速度脉动。
（3）测量点气体流场瑞利散射光，经过法布里-珀罗干涉仪7和成像透镜8，基于多光束干涉原理，形成一系列干涉条纹，实现瑞利散射光信号的高精度光谱分辨。
（4）利用高帧频的EMCCD9，采集记录不同时刻瑞利散射信号经法布里-珀罗干涉仪7形成的干涉条纹，不同速度的气体流场，引起的多普勒频移量也不相同，在像平面形成的干涉条纹的空间位置也将不同。
（5）利用法布里-珀罗干涉仪7，将激光器1输出的窄线宽激光形成多光束干涉条纹，并利用EMCCD9采集，作为参考干涉条纹。
（6）将EMCCD9采集到的不同时刻的干涉条纹，以及参考激光形成的干涉条纹传送至计算机10上图像处理系统，运用数字图像处理算法，计算出各时刻干涉条纹在像平面上的位置，以及其相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量。
（7）数据处理分析，根据实验光路，建立干涉条纹偏移量与多普勒频移量的对应关系，建立多普勒频移量与气流流动速度的对应关系，通过不同时刻干涉条纹的偏移量，计算测量点不同时刻的气流流动速度，获得流场速度脉动测量结果。
上述步骤（1）所述激光器1采用大功率窄线宽连续型激光器，以保证瑞利散射光谱能够被有效分辨，并具有较高信噪比。
上述步骤（3）所述法布里-珀罗干涉仪7可为空气间隙干涉仪，也可为固体法布里-珀罗干涉仪。
上述步骤（4）所述EMCCD9为高帧频快响应EMCCD，以实现对瑞利散射干涉条纹的高帧频采集，记录时间分辨的干涉条纹的偏移量。
上述步骤（4）所述EMCCD9可工作于线阵模式，以提高采集帧频，获得高时间分辨速度脉动测量结果。

Claims (6)

1.一种基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1）确定气体流场测量点位置，将激光器输出激光聚焦于该测量点处；
2）在与激光束成一定夹角方向，以较小立体角收集测量点气体流场瑞利散射光；
3）利用法布里-珀罗干涉仪将收集的瑞利散射光形成多光束干涉条纹；
4）利用EMCCD采集记录瑞利散射光经法布里-珀罗干涉仪形成的干涉条纹；
5）利用法布里-珀罗干涉仪，将激光器输出的窄线宽激光形成多光束干涉条纹，并利用EMCCD采集，作为参考干涉条纹；
6）将EMCCD采集记录的数据传输至图像处理系统，利用数字图像处理算法，计算瑞利散射干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；
7）数据处理分析，计算流场速度引起的多普勒频移，获得流场速度脉动测量结果。
2.根据权利要求1所述基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：所述步骤1）所述激光器为大功率窄线宽连续型激光器。
3.根据权利要求1所述基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：所述步骤3）所述法布里-珀罗干涉仪为空气间隙干涉仪或固体法布里-珀罗干涉仪。
4.根据权利要求1所述基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：所述步骤4）与步骤5）所述EMCCD为高帧频快响应EMCCD。
5.根据权利要求1所述基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：所述步骤4）与步骤5）所述EMCCD工作于线阵模式，以提高干涉条纹采集帧频。
6.根据权利要求1所述基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法，其特征在于：所述步骤2）中，通过设置激光束与散射光收集方向的不同夹角，实现测量点不同方向速度脉动测量。
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