CN108731904A - 应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统 - Google Patents

应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统，方法通过控制金属膜片的破膜压力，采集金属膜片破膜后，建立流场和启动流场的光学畸变图像序列，根据光学畸变图像序列中每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到风洞内导弹导引头模型绕流流场的气动光学效应。

Description

应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统
技术领域
本发明涉及建立一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量技术，利用该技术构成的测量方法可作为实现超声速类导弹前视导引头光学成像系统瞄准误差或图像模糊量的测量技术，属于航空航天实验技术领域。
背景技术
目前，配备红外成像精密制导的超声速类导弹是世界各国军火交易的主要标的。如配备红外制导的防空弹，其销量可占总交易额的90％以上；配备红外制导的空空弹，其销量也可占总交易额的80％以上；其它如反坦克导弹、反舰导弹、巡航导弹及隐身巡航导弹等，其销量也可占总交易额的40％以上。红外导引头作为对目标的探测装置,已经经历了三代技术发展。第一代红外导引头只是对点目标跟踪，应用于空空、地空导弹以尾攻方式对付低空慢速目标。如美国的响尾蛇、红眼睛，苏联的SAM-7,SAM-9。第二代红外导引头应用于美国的毒刺导弹，具有接近全向攻击的能力。第三代红外导引头是毒刺的后继型，应用玫瑰线扫描探测技术、双模(红外/紫外)跟踪及微处理机控制等新技术，从而提高了灵敏度，能在白天全向跟踪冷目标，昼夜都能跟踪飞机热尾流,能对抗红外干扰、多目标干扰的背景干扰。
但这类超声速导弹配备的红外导引头为扩大视野和搜索效率，一般采用红外前视装置来搜索和捕获目标，即红外成像装置布置在导弹的头部，接受来自导弹前方各种目标物体的热辐射，由于导引头壁面绕流引起密度场分布不均匀，从而导致导引头内部的红外成像发生偏移、抖动或模糊等气动光学效应，而如何评估这种气动光学效应是提高红外成像质量，实现精密制导的关键。但在地面风洞模拟这种导引头模型时，由于靶标的光传输通道和气体的流动方向重合，风洞实验很难完成。从美国解密的文件(1972年)可以看到：他们并没有实现这种气动光学效应的直接测量，而是通过导弹自动驾驶仪能够获得的各种参数中推算出气动光学效应的大小。前苏联(大约在1970s)采用一束光穿越导引头外部的真实流场，同时还穿越了喷管、前室等诸多干扰流场，获得了红外导引头的气动光学效应测量数据，但这一结果引入的干扰量太多，误差比真实畸变量大，且无法消除。最近航天某院采用超声速流场丁字形布局的方式来实现红外导引头的气动光学效应模拟。该方法规避了喷管流场干扰，但由于来流流场均匀度较差和流动转向，也无法实现干扰量(或误差)的消除。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统，通过将高速脉冲激光光源、高频率CMOS相机与金属膜片破膜控制引入亚/跨/超声速风洞实验，实现超声速类导弹前视寻的头光学成像系统瞄准误差或图像模糊量的测量。
本发明的技术解决方案是：一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法，方法通过控制金属膜片的破膜压力，采集金属膜片破膜后，建立流场和启动流场的光学畸变图像序列，根据光学畸变图像序列中每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到风洞内导弹导引头模型绕流流场的气动光学效应。从金属膜片破膜开始到实现喷管设计马赫数过程为启动流场，达到喷管设计马赫数之后为建立流场。
进一步的，采集图像的速度高于气流流动特征变化速度。
进一步的，包括脉冲激光平行光管、金属膜片、喷管、导弹导引头模型和数据采集与记录系统、工控机和压力传感器；
脉冲激光平行光管放置在亚/跨/超声速风洞前室内，发出多谱段脉冲光，喷管放置在上述风洞的前室后面、试验段前面，完整的金属膜片用于实现气流阻断且位于脉冲激光平行光管与喷管之间；所述的金属膜片在额定压差Δp下能够自动破膜；导弹导引头模型放置在试验段的均匀区，数据采集与记录系统放置在导弹导引头模型内部；
压力传感器用于采集风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj并传输至放置在风洞外部的工控机；工控机根据接收的压力信号，判断二者的压差是否达到额定压差Δp，若达到，工控机控制脉冲激光平行光管发出预设谱段的脉冲光，并触发数据采集与记录系统开始按照预设的频率进行图像采集并传输至工控机，工控机对接收的图像进行处理获取每幅图像对应的气动光学效应即视线误差，根据每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到导弹导引头模型绕流流场的视线误差。
进一步的，脉冲激光平行光管包括放置在平行导轨上的高频脉冲激光器、激光器对准组件、双凹透镜、双分离物镜；高频脉冲激光器发出的多谱段脉冲激光束经激光器对准组件进入双凹透镜的光心，经双凹透镜扩束后的光经双分离物镜形成脉冲平行光束。
进一步的，还包括放置在平行导轨上的光束调整移动组件，通过调整光束调整移动组件保证经双凹透镜扩束后的光经双分离物镜形成脉冲平行光束。
进一步的，将脉冲激光平行光管放置在机箱内，机箱的出口安装分束板，用于提供多束脉冲平行光束。
进一步的，金属膜片破膜后形成的流动通道面积至少为金属膜片面积的80％。
进一步的，金属膜片为具备一定厚度的圆盘形状，圆盘上加工十字划，十字划处厚度保证在额定压差Δp下能够自动破膜，Δp＝Po-Pj，其中，风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj通过风洞实验来确定。
进一步的，所述的数据采集与记录系统采用满足采集速度的CMOS相机，并且在相机前增加伽利略系统，以防止实焦点的电离。
进一步的，采集每幅图像时，流场流动到达位置至少包括喷管收缩段之前位置、喷管出口位置、导弹导引头模型尾缘位置。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明采用高速脉冲激光光源加高频率CMOS相机加金属膜片破膜控制的气动光学效应风洞实验方法。利用光速远高于气流流动速度，以及图像采集相机的采样速度(或采样频率)远高于气流流动特征变化速度的特点，实现光束穿越喷管流场的干扰量消除；利用膜片控制，实现光束穿越前室流场和来流流场的干扰量消除，从而实现红外导引头气动光学效应的测量。
本发明实现的测试方法和系统突破了美国和前苏联在开展超声速红外成像制导武器气动光学性能地面模拟实验时的局限，解决了前视红外成像不能实现气动光学效应准确测量的难题，为国内开展超声速巡航或空空类导弹导引头红外成像性能的实验提供了一种有效的测量方法和系统，也为其它配备有前视红外成像系统的低速类武器成像性能的地面模拟提供了一种有效的解决方案。
本发明实现的测试方法和系统可以开展导弹导引头绕流流场气动光学效应的测量，实现视线误差的准确测量。为导弹的精准定位，实现精密制导提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量系统示意图；
图2为本发明高频脉冲激光光源系统示意图；
图3为本发明高频脉冲激光器组件示意图；
图4为本发明调整移动组件示意图；
图5为本发明双凹透镜示意图；
图6为本发明双分离物镜组件示意图；
图7为本发明分束板示意图；
图8为本发明金属膜片示意图；
图9为本发明数据采集与记录系统示意图；
图10为本发明一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法，方法通过控制金属膜片的破膜压力，采集金属膜片破膜后，建立流场和启动流场的光学畸变图像序列，根据光学畸变图像序列中每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到风洞内导弹导引头模型绕流流场的气动光学效应。采集图像的速度要高于气流流动特征变化速度。
图1给出了一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量系统，包括脉冲激光平行光管1、金属膜片2、喷管3、导弹导引头模型4和数据采集与记录系统5、工控机7和压力传感器6组成。
如图2所示，本发明所述的脉冲激光平行光管1，放置在亚/跨/超声速风洞前室内(这不同于以往国内外的同类实验技术，他们都是将设备放置在风洞外，以免因设备绕流引起额外的密度不均匀干扰)。喷管3放置在上述风洞的前室后面、试验段前面，完整的金属膜片2用于实现气流阻断且位于脉冲激光平行光管1与喷管3之间；所述的金属膜片在额定压差Δp下能够自动破膜；导弹导引头模型4放置在试验段的均匀区，数据采集与记录系统5放置在导弹导引头模型4内部；压力传感器6用于采集风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj并传输至放置在风洞外部的工控机7；工控机7根据接收的压力信号，判断二者的压差是否达到额定压差Δp，若达到，工控机7控制脉冲激光平行光管1发出预设谱段的脉冲光，并触发数据采集与记录系统5开始按照预设的频率进行图像采集并传输至工控机7，工控机7对接收的图像进行处理获取每幅图像对应的气动光学效应即视线误差，根据每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到导弹导引头模型绕流流场的视线误差。
脉冲激光平行光管主要包括机箱8、高频脉冲激光器9(能量为35μJ，如图3所示)、双凹透镜组件11(如图5所示)、双分离物镜13(如图6所示)。由放置在平行导轨14上的高频脉冲激光器9发射出10kHz，527nm的可见光，经激光器对准组件10后，经过双凹透镜组件11、进入光束调整移动组件12(即光束直径调节与移动组件，如图4所示)、和消像散差的双分离物镜13后实现空间准直和位置高精度、无像散差、时间稳定的脉冲光束。脉冲平行光束可直接经喷管穿越导弹导引头模型4，进入数据采集与记录系统5，也可以通过安装在机箱8出口的分束板15(如图7所示)后经喷管穿越导弹导引头模型4，进入数据采集与记录系统5。
采集每幅图像时，流场流动到达位置至少包括喷管收缩段之前位置、喷管出口位置、导弹导引头模型尾缘位置。
如8所示，本发明所述的金属膜片2由1mm厚直径300mm或更大的20号钢加工制成。十字划处厚度保证在额定压差Δp下能够自动破膜，Δp＝Po-Pj，其中，风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj通过风洞实验来确定，具体数值通过风洞实验来确定或现有风洞实验数据确定。
如图9所示，本发明所述的数据采集与记录系统包括双分离物镜组件16、半月镜18、双凹透镜组件19和高频率CMOS相机组件20和透镜支架17。由于采用了脉冲激光器，因此为了有效的防止实焦点的电离，干涉体系采用了产生虚焦点的伽利略系统，该系统由双分离物镜组件16、半月镜18、双凹透镜组件19组成。CMOS相机组件20包括MC1310型号的CMOS相机(空间分辨率为：1280×1024像素)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 Camera Link接口连接并传输数据，采样频率可达2000Hz，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。
本发明所述的一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法及系统的特点是可以很好地消除光束穿越附加流场的干扰量，实现红外导引头气动光学效应的准确测量。
如图10所示，以M＝2.5(速度V＝560m/s)飞行的导引头，所用CMOS相机采集频率为2000Hz，其视线误差ε测量过程来说明本发明的工作原理。
在破膜之前，整个流场处于静止状态1，这时视线误差ε＝0。
随着膜片破裂，CMOS相机接受第一道脉冲激光束，测量得到的视线误差是位于喷管收缩段2(即x＝0.28m)处的视线误差ε1；
CMOS相机接受第二道脉冲激光束，测量得到的视线误差是位于喷管扩张段3(即x＝0.56m)处的视线误差ε2；此时喷管还未能启动；
CMOS相机接受第三道脉冲激光束，测量得到的视线误差是位于喷管出口位置4(即x＝0.84m)处的视线误差ε3；此时喷管已经启动；
CMOS相机接受第四道脉冲激光束，测量得到的视线误差是位于喷管出口位置5(即x＝1.12m)处的视线误差ε4；此时流场已经到达导引头的前方；
CMOS相机接受第五道脉冲激光束，测量得到的视线误差是穿越导引头流场的视线误差ε5；此时的视线误差包含前室流场、来流流场、喷管流场和导引头绕流流场综合作用的结果。
CMOS相机接受第六道、第七道、…脉冲激光束，测量得到的视线误差都是穿越导引头流场的视线误差ε6、ε7、…。
利用ε5-ε4，ε6-ε4，ε7-ε4，…就可以准确得到导引头绕流流场的视线误差。
由于膜片前高压气体的质量有限，因此能够得到导引头绕流流场视线误差大约40个有效数据，这已经可以满足工程需求。
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)

1.一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量方法，其特征在于：方法通过控制金属膜片的破膜压力，采集金属膜片破膜后，建立流场和启动流场的光学畸变图像序列，根据光学畸变图像序列中每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到风洞内导弹导引头模型绕流流场的气动光学效应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采集图像的速度高于气流流动特征变化速度。
3.一种应用于亚/跨/超声速风洞的气动光学效应测量系统，其特征在于：包括脉冲激光平行光管(1)、金属膜片(2)、喷管(3)、导弹导引头模型(4)和数据采集与记录系统(5)、工控机(7)和压力传感器(6)；
脉冲激光平行光管(1)放置在亚/跨/超声速风洞前室内，发出多谱段脉冲光，喷管(3)放置在上述风洞的前室后面、试验段前面，完整的金属膜片(2)用于实现气流阻断且位于脉冲激光平行光管(1)与喷管(3)之间；所述的金属膜片在额定压差Δp下能够自动破膜；导弹导引头模型(4)放置在试验段的均匀区，数据采集与记录系统(5)放置在导弹导引头模型(4)内部；
压力传感器(6)用于采集风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj并传输至放置在风洞外部的工控机(7)；工控机(7)根据接收的压力信号，判断二者的压差是否达到额定压差Δp，若达到，工控机(7)控制脉冲激光平行光管(1)发出预设谱段的脉冲光，并触发数据采集与记录系统(5)开始按照预设的频率进行图像采集并传输至工控机(7)，工控机(7)对接收的图像进行处理获取每幅图像对应的气动光学效应即视线误差，根据每幅图像采集的时间序列与流场流动到达位置的对应关系，得到导弹导引头模型绕流流场的视线误差。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：脉冲激光平行光管(1)包括放置在平行导轨(14)上的高频脉冲激光器(9)、激光器对准组件(10)、双凹透镜(11)、双分离物镜(13)；
高频脉冲激光器(9)发出的多谱段脉冲激光束经激光器对准组件(10)进入双凹透镜(11)的光心，经双凹透镜(11)扩束后的光经双分离物镜(13)形成脉冲平行光束。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：还包括放置在平行导轨上的光束调整移动组件(12)，通过调整光束调整移动组件(12)保证经双凹透镜(11)扩束后的光经双分离物镜(13)形成脉冲平行光束。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于：将脉冲激光平行光管(1)放置在机箱(8)内，机箱(8)的出口安装分束板(15)，用于提供多束脉冲平行光束。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：金属膜片破膜后形成的流动通道面积至少为金属膜片面积的80％。
8.根据权利要求3或7所述的系统，其特征在于：金属膜片为具备一定厚度的圆盘形状，圆盘上加工十字划，十字划处厚度保证在额定压差Δp下能够自动破膜，Δp＝Po-Pj，其中，风洞内前室的压力信号Po和驻室的静压信号Pj通过风洞实验来确定。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的数据采集与记录系统采用满足采集速度的CMOS相机，并且在相机前增加伽利略系统，以防止实焦点的电离。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：采集每幅图像时，流场流动到达位置至少包括喷管收缩段之前位置、喷管出口位置、导弹导引头模型尾缘位置。
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