CN108680335A - 一种高速瞬态纹影系统 - Google Patents

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一种高速瞬态纹影系统，包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；光源替代系统将高频脉冲激光经过空间准直、消像散差后经过马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ后形成高频的脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞的试验段模型流场后经反射镜Ⅱ、马蹄镜Ⅱ会聚到刀口，数据采集与记录替代系统采集经刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像；所述的高频为高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率，所述的脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。

Description

一种高速瞬态纹影系统
技术领域
本发明涉及建立高速瞬态纹影技术的多个关键组成设备，利用这些设备构成的纹影仪可作为实现Taylor冻结假设下密度梯度空间流场的高频率测试技术，属于航天航空实验技术领域。
背景技术
当前，航天航空风洞实验测量面临的技术难题是复杂空间流场特征(如转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰等)的同步测量和显示。传统纹影技术(1864年特普勒提出，22年后得到应用)以连续发光的卤钨灯作光源，采集的图像记录在胶片上。由于采用连续光源带来的时均效应，导致流场的波系结构和涡系结构相互叠加，这样所显示的流场只有密度间断面的激波比较清晰，其它流场信息很难识别；为解决时间分辨率问题，国外发明了火花光源(放电时间2us左右)来解决这一问题。由于火花光源采集频率很低(1Hz)，一次风洞试验只能采集一幅图像，经济效益低下，现在已经被弃用。
但是随着跨速域跨空域飞行器的出现，飞行器的飞行速度越来越高，带控制的升力体性质的气动布局越来越多，使流场的流型流谱越来越复杂，导致地面风洞实验模拟时对测试技术的要求越来越高，不仅要求较高的采样频率，还要求较多的流动细节。这样只能进行激波位置确认的传统纹影技术已经不能满足现代飞行器设计与风洞实验的要求，因此如何克服传统纹影技术在时间和空间分辨率方面的缺陷，成为国内外纹影技术研究者主要的攻关对象。国外提供的解决方案是提高采集设备的空间分辨率和采集速率，这反映在：1)他们首先引入了CCD相机替代胶片；2)后来又不断提高CCD相机的像素级别(由2×2个像素提高到目前的2048×2048个像素)；3)最近又将CCD相机的采集速度提升到百万Hz的水平(如2012年时，Laurence等人采用超高速Shimadzu HPV-1相机，实现了100kHz以上的采样频率，应用于流场测量后捕捉到了高超声速边界层的失稳频率，即Mack模态,但这一相机存在的主要问题是视野太小，空间分辨率太低；2014年德国宇航发展中心发展的CMOS相机，其时间分辨率可以达到2.8微秒，但是该相机的空间分辨率仅为1408×40像素)。
其实，解决传统纹影技术在时空分辨率方面缺陷的另一个方案是在满足Taylor冻结假设的前提下提高图像的空间分辨率，也即用曝光时间极短的光源替代连续光源，用高像素的专业CCD相机或CMOS相机替代低分辨率的CCD相机，这样就可以实现复杂空间流场特征(如转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰等)的同步测量和显示。最近(2013年)国内外出现的脉冲火花光源加高速相机的组合，其脉冲带宽虽可达25ns，解决了流场测试的时均效应问题，但由于脉冲火花易漂移和空气电离层堆积引起的放电不稳定，使流动显示的精准度下降，置信度降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：通过将曝光时间极短、时空性能稳定的高速脉冲激光光源和高空间分辨率/高速CMOS相机引入传统纹影仪，实现Taylor冻结假设下密度梯度流场的高频率测量。
本发明的技术解决方案是：一种高速瞬态纹影系统，包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；
准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；
光源替代系统将高频脉冲激光经过空间准直、消像散差后经过马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ后形成高频的脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞的试验段模型流场后经反射镜Ⅱ、马蹄镜Ⅱ会聚到刀口，数据采集与记录替代系统采集经刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像；所述的高频为高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率，所述的脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。
进一步的，所述的光源替代系统包括双凹透镜组件以及放置在平行导轨上的高频脉冲激光器、激光器对准组件、双分离物镜；
高频脉冲激光器发出高频脉冲可见光经激光器对准组件对准双分离物镜的光心，由双分离物镜进行消像散差，之后通过双凹透镜组件实现光束的扩散，达到最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。
进一步的，还包括光束调整移动组件，通过光束调整移动组件调节双分离物镜、双凹透镜组件的相对位置，以保证最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。
进一步的，双凹透镜组件包括双凹透镜以及用于安装的支架，双凹透镜的虚焦点与双分离物镜的焦点在一条水平线上，该水平线经过马蹄镜Ⅰ的顶点。
进一步的，所述的数据采集与记录替代系统采用满足采集频率的CMOS相机组件，CMOS相机组件包括CMOS相机以及采集卡；在CMOS相机前增加伽利略系统，以防止实焦点的电离。
进一步的，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。
进一步的，同步控制系统包括控制处理电路、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光源替代系统，另一路发送至数据采集与记录替代系统；光源替代系统、数据采集与记录替代系统根据接收的方波时序信号触发；上述延时匹配处理使得光源替代系统产生的脉冲激光落在数据采集与记录替代系统中CMOS相机的曝光时间内。
进一步的，光源替代系统、数据采集与记录替代系统根据接收的方波时序信号触发的响应时间不大于1us。
进一步的，光源替代系统、数据采集与记录替代系统由接收的方波时序信号的上升沿触发，光源替代系统中的高频脉冲激光器的外触发上升沿比数据采集与记录替代系统中的CMOS相机的外触发上升沿要延迟2-8微秒的时间。
进一步的，方波时序信号的频率高于百万Hz。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明提出了解决这一问题的更优方案，即采用高速脉冲激光光源加高速高像素相机的组合。脉冲激光光源可以满足湍流流场对Euler耗散时间尺度的要求，实现流场冻结；高像素的CMOS相机可以满足近微米级的流场分辨，实现激波/激波干扰、转捩和激波/边界层干扰的分辨，满足现代飞行器风洞实验对空间流场显示的需求；高速脉冲激光光源与高速相机的组合又可以提高设备的采样频率，解决运行时间极短风洞的图像采集问题；此外欲实现这些功能，还需要克服的技术难题是：脉冲激光光源替代以及CMOS相机与风洞运行状态捕捉与大数据高速传输的同步实现。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明光源替代系统示意图；
图3为本发明高频脉冲激光器组件；
图4为本发明调整移动组件；
图5为本发明双分离物镜组件；
图6为本发明双凹透镜；
图7为本发明光学透镜支架；
图8为本发明数据采集与记录替代系统；
图9为本发明数据采集与记录替代系统成像示意图；
图10为本发明数据采集与记录替代系统的波像差；
图11为本发明光源与相机同步控制系统。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
传统的双镜平行光纹影仪光源和光源像分别位于纹影系统的两侧。光源常用卤钨灯或目前的LED光源，会聚后通过狭缝、马蹄镜后形成平行光，穿越流场后聚焦于刀口处。经刀口切割后进入图像采集与处理系统，完成密度梯度场的测量。
常规纹影仪的主要性能指标是灵敏度和清晰度。
纹影仪灵敏度可由仪器所能反映的最小偏角εmin表示，
式中a为光源狭缝宽度，c为记录系统能敏感的最小对比度(常取值0.1)，f是纹影仪的焦距，因缝宽不能无限减小，否则光线太弱，所以传统纹影仪的灵敏度主要由焦距决定，焦距愈长，灵敏度愈高，可反映的气流密度梯度愈小。
传统纹影系统的清晰度由式(2)决定。
式中h是纹影镜的直径或离轴高度，f为其焦距。
本发明一种高速瞬态纹影系统，包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；
准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；光源替代系统将高频脉冲激光经过空间准直、消像散差后经过马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ后形成高频的脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞的试验段模型流场后经反射镜Ⅱ、马蹄镜Ⅱ会聚到刀口，数据采集与记录替代系统采集经刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像；所述的高频为高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率，所述的脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。
如图2所示，光源替代系统包括双凹透镜组件5以及放置在平行导轨6上的高频脉冲激光器1、激光器对准组件2、双分离物镜3、光束调整移动组件4；
高频脉冲激光器1(图3，能量为35μJ或单脉冲350mJ的YAG脉冲激光器)发出高频脉冲可见光(例如10kHz，527nm的可见光)经激光器对准组件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，之后通过双凹透镜组件5实现光束的扩散，达到最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。双凹透镜组件5的安装位置可以安装在平行导轨6上也可以安装在其它可安装的部位，只需达到利用双凹透镜组件5实现光束的扩散的上述目的即可。
光束调整移动组件4(图4)用于调节双分离物镜3、双凹透镜组件5的相对位置，以保证最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。
如图5所示，双凹透镜组件5包括双凹透镜(图6)以及用于安装的支架(图7)，双凹透镜的虚焦点与双分离物镜3的焦点在一条水平线上，该水平线经过马蹄镜Ⅰ的顶点
如图8所示，本发明所述的数据采集与记录替代系统包括双分离物镜组件7、半月镜9、双凹透镜组件10和CMOS相机组件11和透镜支架8。
如图9所示，光线穿过由双分离物镜组件7、半月镜9、双凹透镜组件10组成光路系统后聚焦成像，由于该系统采用了产生虚焦点的伽利略系统，有效的防止了实焦点的电离，消除了成像系统的像差，提高了成像的清晰度。CMOS相机组件11包括MC1310型号的CMOS相机(空间分辨率为：1280×1024像素或2048×2048像素的专业CCD相机)以及X64Xcelera型号数字图像采集卡，该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Full CameraLink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。该数据采集与记录替代系统的波像差如图10所示。由图10可以看出：该系统具有较高的成像精度。
如图11所示，同步控制系统包括以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。单片机(控制处理电路)在接到外触发信号时，将产生中断，接着就向CPLD(可编程延时电路)输出设定频率的时序信号，该信号有设定的占空比，占空比的大小决定了最大的时间延时。CPLD在接到该信号的上升沿就开始计数，在计数到达设定的数值后输出一个脉冲。
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光源替代系统，触发激光器产生脉冲激光，另一路发送至数据采集与记录替代系统即发送到PC机上的采集卡触发CMOS相机打开快门进行图像采集。单片机完成与计算机的通信和对延时CPLD的控制，输出具有一定频率的上升沿脉冲。通过CPLD芯片与单片机控制电路延时匹配使得激光器产生的脉冲激光刚好落在CMOS相机的曝光时间内。采集卡与激光器在接收到外触发脉冲时，在1us的时间内完成打开电子快门与激发脉冲激光。因此，为确保脉冲激光到达CMOS灵敏元件时，电子快门已经打开，应当使激光器的外触发上升沿比CMOS相的外触发上升沿要延迟几个微秒的时间。
本发明实现的测试技术可有效提高密度梯度场的清晰度、空间分辨率和时间分辨率(空间分辨率小于1mm，高于国内外现有同类测试技术的测量结果)，解决高超声速飞行器壁面极薄边界层流态识别问题和运行时间很短的炮风洞(其运行时间仅40ms)无法开展实现密度梯度场的清晰测量的难题(如图1)，有效解决了飞行器绕流流场流态识别问题。图2则给出了该技术在超声速喷流流动显示中的应用。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种高速瞬态纹影系统，其特征在于：包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；
准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；
光源替代系统将高频脉冲激光经过空间准直、消像散差后经过马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ后形成高频的脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞的试验段模型流场后经反射镜Ⅱ、马蹄镜Ⅱ会聚到刀口，数据采集与记录替代系统采集经刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像；所述的高频为高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率，所述的脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。
2.根据权利要求1所述的纹影系统，其特征在于：所述的光源替代系统包括双凹透镜组件(5)以及放置在平行导轨(6)上的高频脉冲激光器(1)、激光器对准组件(2)、双分离物镜(3)；
高频脉冲激光器(1)发出高频脉冲可见光经激光器对准组件(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，之后通过双凹透镜组件(5)实现光束的扩散，达到最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。
3.根据权利要求2所述的纹影系统，其特征在于：还包括光束调整移动组件(4)，通过光束调整移动组件(4)调节双分离物镜(3)、双凹透镜组件(5)的相对位置，以保证最终光束经过马蹄镜Ⅰ充满反射镜Ⅰ的目的。
4.根据权利要求1所述的纹影仪，其特征在于：双凹透镜组件(5)包括双凹透镜以及用于安装的支架，双凹透镜的虚焦点与双分离物镜(3)的焦点在一条水平线上，该水平线经过马蹄镜Ⅰ的顶点。
5.根据权利要求1所述的纹影系统，其特征在于：所述的数据采集与记录替代系统采用满足采集频率的CMOS相机组件，CMOS相机组件包括CMOS相机以及采集卡；在CMOS相机前增加伽利略系统，以防止实焦点的电离。
6.根据权利要求5所述的纹影系统，其特征在于：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。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的纹影系统，其特征在于：同步控制系统包括控制处理电路、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光源替代系统，另一路发送至数据采集与记录替代系统；光源替代系统、数据采集与记录替代系统根据接收的方波时序信号触发；上述延时匹配处理使得光源替代系统产生的脉冲激光落在数据采集与记录替代系统中CMOS相机的曝光时间内。
8.根据权利要求7所述的纹影系统，其特征在于：光源替代系统、数据采集与记录替代系统根据接收的方波时序信号触发的响应时间不大于1us。
9.根据权利要求7所述的纹影系统，其特征在于：光源替代系统、数据采集与记录替代系统由接收的方波时序信号的上升沿触发，光源替代系统中的高频脉冲激光器的外触发上升沿比数据采集与记录替代系统中的CMOS相机的外触发上升沿要延迟2-8微秒的时间。
10.根据权利要求7所述的纹影系统，其特征在于：方波时序信号的频率高于百万Hz。
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