CN108645590B - 基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法 - Google Patents

基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，包括以下步骤：对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；调节入射线偏激光的偏振方向和偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，所述与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光的偏振度、偏振角和椭率角等；基于偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布。本发明利用纳米粒子散射信号的偏振参数信息实现流场的可视化和精细测量，具有很好的抗干扰能力和较高的精度。

Description

基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法
技术领域
本发明涉及流场测量技术领域，特别地，涉及一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法。
背景技术
超声速/高超声速流场精细测量是超声速、高超声速流动机理研究的重要内容。高速飞行器的空气动力性能、飞行器表面热防护等都与飞行器外的超声速/高超声速流动结构紧密相关,需要通过实验研究流动结构为飞行器的设计提供依据。
现有可用于超声速/高超声速流动结构测量的方法包括纹影、阴影、干涉、粒子图像速度场(PIV)、滤波瑞利散射(FRS)和激光诱导荧光(PLIF)等多种方法(范洁川.近代流动显示技术[M].北京:国防工业出版社,2002.)。由于超声速/高超声速流动结构具有明显的三维特性，而纹影、阴影和干涉等方法只适合于二维或轴对称流动的测量，使得上述技术在测量超声速/高超声速三维流动时受到限制。FRS和PLIF等技术可以实现三维流动结构的测量，但这类技术都存在成像信噪比低，成像空间分辨率受限等不足，无法满足对超声速/高超声速三维流场精确测量的要求。文章《基于纳米粒子的超声速流动成像》(赵玉新等，中国科学E辑，技术科学，2009，39(12)：1911-1918)提出了一种采用纳米粒子示踪粒子，用于超声速流动结构测量的方法(简称为NPLS技术)。该技术不仅可以用于对三维流场的测量，同时具有高成像信噪比、高时间空间分辨率等特点，可以满足对超声速/高超声速流动测量的要求。
尽管NPLS技术可以很好实现对超声速/高超声速流场的可视化，但在进行流场参数定量化测量时，现有NPLS技术主要根据测量所得图像的光强分布为基础，进行其它流场参数的换算。
以流场密度场测量为例，根据NPLS技术原理，纳米粒子良好跟随流场的能力，使得粒子浓度与当地气流密度成正比，而测量图像的光强又由粒子浓度决定。因此，图像的光强与当地气流密度存在一定的函数关系，可以基于图像光强分布可以换算得到流场的密度分布。但是，这种基于光强测量方法要实现精确测量，必须消除光强自身分布不均匀对测量的影响。理论上，在整个测量区域的入射光强必须是一致的，且没有其它因素对光强分布产生干扰才能保证测量结果的准确性。然而，实际上由于NPLS技术采用的激光光源的输出能量呈高斯分布，导致激光入射光强的空间分布不均匀，即使气流密度一致，由于入射光强不均匀导致得到的图像光强不均匀，使得基于图像光强测量流场密度场存在较大误差。另外，其它干扰光线(比如背景光的干扰，物体表面散射光的影响等等)也会造成图像光强分布的不均匀，严重影响流场密度场测量。因此，基于光强实现其它流场参数测量的方法，目前还无法满足高精度流场测量。
发明内容
本发明提供了一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，以解决现有NPLS技术容易因光强不均匀性导致对超声速/高超声速流场定量测量产生较大误差的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，包括以下步骤：
对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；
调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；
偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角；
基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。
进一步地，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的步骤包括：
基于纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系，测得纳米粒子的浓度；
基于纳米粒子的浓度与流场密度之间的比例关系，测得流场密度。
进一步地，纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系在实验前进行标定：
获得不同角度斜激波在流场中对应的测量图像，对纳米粒子浓度与测量图像结果进行标定，获得纳米粒子浓度与偏振信息的比例关系。
进一步地，本发明基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法还包括：
基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
进一步地，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的步骤包括：
获取纳米粒子设定时间间隔内的两幅偏振信息图像；
采用互相关算法或者光流算法，计算两幅偏振信息图像中对应区域的相对位移；
将相对位移除以设定时间间隔，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
进一步地，对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内的步骤包括：
在线偏激光光源的光臂出口设置线偏装置，使得入射线偏激光的偏振度在99％以上。
进一步地，线偏激光光源为高能量脉冲激光光源；线偏装置包括布儒斯特窗结构和二分之一波片，布儒斯特窗结构上标定有通过激光的偏振方向，二分之一波片用于调节入射线偏激光的偏振方向。
可选地，调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：
确定入射线偏激光的偏振方向，调节偏振成像系统的接收角度，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°的位置。
可选地，调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：
确定偏振成像系统的接收角度，调节入射线偏激光的偏振方向，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°。
进一步地，偏振成像系统包括偏振成像相机。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用纳米粒子散射光信号的偏振信息代替纳米粒子散射光强信号进行流场测量，通过合理调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统与散射光的角度位置，利用偏振成像系统对超声速/高超声速流场纳米粒子散射光的偏振度进行测量，利用粒子散射偏振信息与流场参数之间的关系，实现流场的可视化和精细测量，偏振信号只与粒子浓度有关，不受入射光强变化和背景光强的干扰，具有很好的抗干扰能力和较高的精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法的流程图；
图2是线偏激光照射在纳米尺度粒子上的散射机制示意图；
图3是基于偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的子流程图；
图4是基于偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的子流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明在现有基于NPLS技术的基础上，综合利用纳米粒子的激光散射特性和偏振成像技术，通过合理调节入射线偏激光的偏振态以及偏振成像系统与散射光的角度位置，利用偏振成像系统对超声速/高超声速流场纳米粒子散射光的偏振态进行测量，利用粒子散射偏振态与流场参数之间的关系，实现流场的可视化和精细测量。并基于相邻两个时间间隔内的粒子散射偏振信息图像，计算流场的速度场分布。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，包括以下步骤：
步骤S100，对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内。
步骤S200，调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强。
步骤S300，偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角。
步骤S400，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，所述偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。
本发明中用于入射照明的线偏激光光源优选采用高能量脉冲激光光源，比如通用的Nd:YAG 532nm激光器。本发明的偏振成像系统包括偏振成像相机。可以同时实现对0°、45°、90°和135°四个偏振方向的散射光信号进行测量，并通过后处理程序计算得到偏振度、偏振角和椭率角等参数。
线偏激光器出光理论上是线偏激光，但是由于激光束通过(激光器内部合束装置和导光臂的)多个反射镜组件，激光束发生退偏，导致是不完全的偏振光源。在进行优化之前的激光是激光束。入射线偏激光的偏振度越高，对后面流场散射光偏振成像测量的干扰越小。虽然理论上激光器发出的光束是线偏光，但光束在光臂传播过程中会发生一定的退偏效应，影响入射线偏激光偏振度。因此，本发明对入射照明的激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内的步骤S100包括：
在线偏激光光源的光臂出口设置线偏装置，使得入射线偏激光的偏振度在99％以上。入射线偏激光的偏振度直接决定后面测量的精度。
本发明的优选实施例中，线偏装置采用针对高脉冲能量激光器的线偏装置，与普通自然光采用的线偏镜不同。本发明的线偏装置主要包括布儒斯特窗结构和二分之一波片。布儒斯特窗上标定有通过激光的偏振方向，通过调节布儒斯特窗的角度，可以设定需要的入射照明激光偏振方向。二分之一波片可以调节入射线偏激光束的偏振方向。当偏振方向与布儒斯特窗的偏振方向一致时，光束透光布儒斯特窗的能量最大，当偏振方向不一致时，部分光束被反射并通过逃逸窗口散射出去，透过布儒斯特窗的能量降低。
根据纳米粒子的光散射特性，本发明的步骤S200通过合理调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度(散射角度)，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强，保证成像信噪比最优化。
具体地，可以确定入射线偏激光的偏振方向，调节偏振成像系统的接收角度，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°的位置。
或者，可以确定偏振成像系统的接收角度，调节入射线偏激光的偏振方向，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°。
或者，还可以同时调节入射线偏激光的偏振方向和偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强。
图2所示为线偏激光照射在纳米尺度粒子上的散射机制示意图。垂直方向偏振的入射线偏激光照射在纳米粒子上，只有在与偏振方向(上下方向)垂直的平面(水平平面)内才能观察到散射信号，且散射信号的强度与接收信号方向与入射光传播方向的夹角成余弦关系，即散射信号＝入射信号×cos(夹角)。因此，当入射线偏激光的偏振方向确定以后，相机位于有散射信号且方向与入射光线夹角为90°或270°的位置，如图2中s的位置。或者，如果相机位置固定，可以根据以上关系合理调节入射线偏激光的偏振方向。
散射信号强度可通过能量计标定。具体地，首先测量没有加线偏装置时激光束的总能量；然后，根据试验要求确定好布儒斯特窗的位置以后，通过调整二分之一波片旋转一周，记录能量最强位置的时能量计的读数，看其是否大于总能量的99％。或者将布儒斯特窗结构旋转90°，找到能量最小位置，判断最小能量是否低于总能量的1％。
本发明的步骤S300中，利用偏振成像相机代替普通CCD相机对流场进行成像测量，获得纳米粒子散射图像的偏振度、偏振角和椭率角等与偏振相关的结果。与光强分布由多种因素干扰不同，纳米粒子散射信号的偏振度、偏振角等受粒子直径、粒子浓度、入射光偏振度等参数影响，这些参数在实验过程中一般是固定不变的，因此，散射信号偏振度所受干扰远远小于散射信号的光强分布。偏振成像相机可以直接测量出偏振度、偏振角和椭率角等信息。基于这些偏振信息，将更有助于成像显示出更多细节信息。
参照图3，本发明基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的步骤S400包括：
步骤S401，基于纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系，测得纳米粒子的浓度；
步骤S402，基于纳米粒子的浓度与流场密度之间的比例关系，测得流场密度。
本发明基于偏振度和偏振角的测量结果，对流场密度场进行换算，最后得到超声速/高超声速流场的密度分布，实现流场的可视化定量测量。研究表明，在一定纳米粒子浓度范围内，粒子浓度与粒子散射光信号的偏振度成比例关系，通过校准粒子浓度与散射光偏振度的关系式，可以实现对粒子浓度的测量，进而基于粒子浓度与流场密度的比例关系实现流场密度场测量。
本发明中，纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系在实验前进行标定：获得不同角度斜激波在流场中对应的测量图像，对纳米粒子浓度与测量图像结果进行标定，获得纳米粒子浓度与偏振信息的比例关系。
粒子浓度与散射光偏振度的关系式可以在实验前利用不同角度斜激波进行标定。理论上，斜激波前后的参数是可以通过斜激波关系式确定，通过改变斜激波的角度，在斜激波上游来流密度不变的情况下，下游的密度是已知的。用相机进行测量，通过改变斜激波角度改变激波后气体密度，即改变激波后粒子的浓度，获得不同的测量图像，对粒子浓度和图像结果进行标定，获得标定曲线，用于后期的实验测量。
本发明基于偏振信号成像并进行密度场测量，由于偏振信号只与粒子浓度有关，不受入射光强变化和背景光强的干扰，因而本发明的测量方法抗干扰能力强、精度较高。
进一步地，本发明的测量方法还包括步骤S500，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
具体地，参照图4，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的步骤S500包括：
步骤S501，获取纳米粒子设定时间间隔内的两幅偏振信息图像，包括两幅偏振度分布图和两幅偏振角分布图；
步骤S502，采用互相关算法或者光流算法，以粒子散射的偏振信息代替传统PIV算法中粒子散射光强信息，计算两幅偏振信息图像中对应区域的相对位移；
步骤S503，将相对位移除以设定时间间隔，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
本发明考虑局部空间粒子分布的不均匀性，与之对应粒子散射信号偏振度/偏振角的分布存在相应的分布。通过获得很短时间间隔内纳米粒子的两幅偏振信息图像，采用互相关算法或者光流算法，计算图像中对应区域的相对位移，再除以两幅偏振信息图像的时间间隔，实现对流场速度场的测量。
具体地，根据PIV技术的原理，在很短时间间隔内，流场中气流微团主要发生平移运动，密度几乎没有变化(通过激波流场除外)，流体微团的密度不变，其对应图像的偏振信息不变，可以将偏振信息图像看做PIV技术中示踪粒子的图像，采用互相关算法计算流体微团位移，再除以时间获得速度信息。偏振度与相对位移没有具体关系，利用图像中流体微团偏振度基本保持不变(在速度场测量中，时间间隔非常短)，两幅时间间隔非常短的偏振度分布图之间，同一流体微团偏振度基本不变，只发生平移运动，平移运动的距离除以时间，就是该微团的运动速度，每个微团运动速度获得以后，可以得到整个流场的速度分布。在其它实施例中，还可以基于偏振角辅助计算超声速/高超声速流场的速度场，以提高速度场测量精度。
本发明利用散射信号的偏振信息，进行流场显示和测量。本发明基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，定量测量精度更高，抗干扰能力更强。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；
调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强，所述偏振成像系统包括偏振成像相机；
偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，所述与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角；
基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，所述偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。
2.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的步骤包括：
基于纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系，测得纳米粒子的浓度；
基于纳米粒子的浓度与流场密度之间的比例关系，测得流场密度。
3.根据权利要求2所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系在实验前进行标定：
获得不同角度斜激波在流场中对应的测量图像，对纳米粒子浓度与测量图像结果进行标定，获得纳米粒子浓度与偏振信息的比例关系。
4.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，还包括：
基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
5.根据权利要求4所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的步骤包括：
获取纳米粒子设定时间间隔内的两幅偏振信息图像；
采用互相关算法或者光流算法，计算两幅偏振信息图像中对应区域的相对位移；
将相对位移除以设定时间间隔，得到超声速/高超声速流场的速度分布。
6.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内的步骤包括：
在所述线偏激光光源的光臂出口设置线偏装置，使得入射线偏激光的偏振度在99％以上。
7.根据权利要求6所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，
所述线偏激光光源为高能量脉冲激光光源；
所述线偏装置包括布儒斯特窗结构和二分之一波片，所述布儒斯特窗结构上标定有通过激光的偏振方向，所述二分之一波片用于调节入射线偏激光的偏振方向。
8.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：
确定入射线偏激光的偏振方向，调节偏振成像系统的接收角度，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°的位置。
9.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：
确定偏振成像系统的接收角度，调节入射线偏激光的偏振方向，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°。
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