CN110987357A - 二维聚焦激光差分干涉仪及平板边界层密度脉动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维聚焦激光差分干涉仪及平板边界层密度脉动测量方法，属于流场测量领域，包括由光信号发射单元、第一柱面透镜、第二柱面凸透镜、第三柱面凸透镜、第一棱镜、第二棱镜、第一偏振片、第二偏振片及光电转换单元构成的激光差分干涉仪，光信号发射单元的光信号依次经过第一柱面透镜、第一偏振片、第一棱镜、第二柱面凸透镜、第三柱面凸透镜、第二棱镜及第二偏振片后到达光电转换单元。在进行平板边界层测量时，将光路聚焦点放置在平板边界层中；启动风洞并记录光电转换单元的电信号；根据电压信号获得所测流场的密度脉动。本发明中二维聚焦激光差分干涉仪中的片光聚焦点能够贴近平板表面以测得平板边界层内部流场密度脉动信息。

Description

二维聚焦激光差分干涉仪及平板边界层密度脉动测量方法

技术领域

本发明属于流场测量领域，更具体地，涉及一种二维聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法。

背景技术

风洞实验是现阶段空气动力学研究的重要手段之一，实验中对流场信息的捕获离不开流场测量设备的支持。现阶段对于平板边界层内流场的密度脉动信息的测量缺乏相关技术手段。传统聚焦激光差分干涉仪由于光线通过球面透镜发散和聚焦后均为锥形光束，在平板边界层的测量中存在平板遮光现象，其测点无法放置在靠近平板表面的边界层之内。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种二维聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法，由此解决传统聚焦激光差分干涉仪在测量平板边界层存在局限性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维聚焦激光差分干涉仪，包括：光信号发射单元、第一柱面透镜、第一偏振片、第二柱面凸透镜、第三柱面凸透镜、第一棱镜、第二棱镜、第二偏振片及光电转换单元；

所述光信号发射单元的光信号依次经过所述第一柱面透镜、所述第一偏振片、所述第一棱镜、所述第二柱面凸透镜、所述第三柱面凸透镜、所述第二棱镜及所述第二偏振片后到达所述光电转换单元；

所述光信号发射单元用于产生一束平行的相干光束；所述第一柱面透镜用于将所述相干光束发散为扇形相干光束；所述第一偏振片用于过滤相干光束中的非相干噪声；所述第一棱镜用于将所述扇形相干光束分离为两束偏振方向相互垂直的两束扇形光束，其中，所述两束扇形光束之间的分离角满足预设要求；所述第二柱面凸透镜用于将所述两束扇形光束聚焦；所述第三柱面凸透镜用于将聚焦点后的两束发散扇形光束再聚焦；所述第二棱镜用于将两束相关光束合并；所述第二偏振片用于将合并后的相干光束进行干涉过滤；所述光电转换单元用于将合并干涉后的扇形光束的光强线性转换为电压信号。

优选地，所述第一柱面透镜为柱面凹透镜或柱面凸透镜。

优选地，所述第二柱面凸透镜和所述第三柱面凸透镜的焦距和尺寸均相同。

优选地，在所述第一柱面透镜为柱面凹透镜时，第一柱面凹透镜、所述第二柱面凸透镜和所述第三柱面凸透镜之间的位置关系符合成像定理。

优选地，1/L₁+1/L₂＝1/f₂，L₃＝f₂，其中，所述第一柱面凹透镜与所述第二柱面凸透镜之间的距离为L₁，所述第三柱面凸透镜与所述光电转换单元之间的距离为L₁，所述第二柱面凸透镜与聚焦点之间的距离为L₂，所述第三柱面凸透镜与所述聚焦点之间的距离为L₂，所述第一棱镜与所述第二柱面凸透镜之间的距离为L₃，所述第二棱镜与所述第三柱面凸透镜之间的距离为L₃，f₂为所述第二柱面凸透镜的焦距，其中，所述聚焦点位于所述第二柱面凸透镜与所述第三柱面凸透镜之间距离的中点处。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述任意一项所述的二维聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法，包括：

(1)将所述二维聚焦激光差分干涉仪的聚焦点放置在平板边界层中所需要测量的空间点上；

(2)启动风洞并记录所述二维聚焦激光差分干涉仪输出的电压信号；

(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。

优选地，在步骤(1)中，所述聚焦点所在的位置为所述第二柱面凸透镜与所述第三柱面凸透镜之间距离的中点处，且所述二维聚焦激光差分干涉仪的光线传播方向与流场的流动方向相互垂直，由所述二维聚焦激光差分干涉仪产生的二维扇形光束和平板表面平行，且所述聚焦点在边界层内部。

优选地，步骤(3)包括：

由

获得所测流场的密度脉动信息，其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρ_L为测点平均密度；λ₀为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V₀＝2I₀RR_L，I₀为通过第一棱镜分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；R_L为光电传感器的负载电阻。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明通过柱面透镜在光路中产生二维扇形光束，使得光学测点能够在不遮光的情况下靠近平板表面以测得平板边界层内部流场密度脉动信息。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种二维聚焦激光差分干涉仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种二维聚焦激光差分干涉仪的扇形光束；

图3是本发明实施例提供的一种基于二维聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种平板边界层内流场的密度脉动间接测量方法及二维聚焦激光差分干涉仪，其目的在于获得平板边界层内流场的密度脉动信息。

本发明为了获得平板边界层流场的密度脉动信息，提出一种平板边界层内流场密度脉动间接测量方法，利用柱面透镜对光线的二维发散和聚焦得到二维聚焦激光差分干涉仪系统。

本发明的目的旨在提出一种非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法。利用柱面透镜得到二维聚焦激光差分干涉仪，并将其用在平板边界层内部。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种二维聚焦激光差分干涉仪，包括：光信号发射单元、第一柱面透镜C₁、第二柱面凸透镜C₂、第三柱面凸透镜C₃、第一棱镜W₁、第二棱镜W₂、第一偏振片P₁、第二偏振片P₂及光电转换单元D；

光信号发射单元的光信号依次经过第一柱面透镜C₁、第一偏振片P₁、第一棱镜W₁、第二柱面凸透镜C₂、第三柱面凸透镜C₃、第二棱镜W₂及第二偏振片P₂后到达光电转换单元D。

作为一种可选的实施方式，光信号发射单元可以采用激光器实现。

作为一种可选的实施方式，第一柱面透镜C₁为柱面凹透镜或柱面凸透镜。

作为一种可选的实施方式，第二柱面凸透镜C₂和第三柱面凸透镜C₃的焦距和尺寸均相同。

作为一种可选的实施方式，在第一柱面透镜C₁为柱面凹透镜时，第一柱面凹透镜C₁、第二柱面凸透镜C₂和第三柱面凸透镜C₃之间的位置关系符合成像定理。

作为一种可选的实施方式，1/L₁+1/L₂＝1/f₂，L₃＝f₂，其中，第一柱面凹透镜C₁与第二柱面凸透镜C₂之间的距离为L₁，第三柱面凸透镜C₃与光电转换单元D之间的距离为L₁，第二柱面凸透镜C₂与聚焦点之间的距离为L₂，第三柱面凸透镜C₃与聚焦点之间的距离为L₂，第一棱镜W₁与第二柱面凸透镜C₂之间的距离为L₃，第二棱镜W₂与第三柱面凸透镜C₃之间的距离为L₃，f₂为第二柱面凸透镜C₂的焦距，其中，聚焦点位于第二柱面凸透镜C₂与第三柱面凸透镜C₃之间距离的中点处。

其中，光信号发射单元用于产生一束平行的相干光束；

第一柱面透镜C₁用于将相干光束发散为扇形光束；

第一偏振片P₁用于过滤相干光束里的噪声光线；

第一棱镜W₁用于将扇形相干光束分离为两束偏振方向相互垂直的两束扇形光束，其中，两束扇形光束之间的分离角满足预设要求；

其中，该预设要求可以根据实际需要确定，需要保证两束扇形光束的分离角尽可能小。

第二柱面凸透镜C₂用于将两束扇形光束聚焦；

第三柱面凸透镜C₃用于将聚焦点后的两束发散扇形光束再聚焦；

第二棱镜W₂用于将两束相关光束合并；

第二偏振片P₂用于将合并后的相干光束进行干涉过滤；

光电转换单元D用于将合并干涉后的扇形光束的光强线性转换为电压信号。

以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是，该实施例仅为一种可选的实施方式，各光学器件参数还可以采用其他参数，本发明实施例不做唯一性限定。

一、搭建测试系统，具体方法如下：

按照实际测量要求和光路空间尺寸搭建出合适的光路测量系统，具体搭建方式如下：

根据二维聚焦激光干涉差分仪的结构图(图1)，选择对应的光学零件搭建测量系统。其中相干光源发生器可以选择光束直径为0.63mm的偏振激光器。第一柱面透镜C₁可以选择焦距为15mm的柱面凹透镜。第一棱镜W₁和第二棱镜W₂可以均选择分光角为2弧分的Wollaston棱镜。第二柱面凸透镜C₂和第三柱面凸透镜C₃的焦距可以均选定为200mm。通过成像原理，L₁＝385mm，L₂＝400mm，L₃＝200mm。

如图2所示，是本发明实施例提供的一种二维聚焦激光差分干涉仪产生的扇形光束，其中，扇形光束的厚度取决于激光束的直径，在实施过程中选用直径较小的激光束可获得厚度更小的扇形光束，在平板边界层测量中的效果更好。

二、采集平板边界层测量数据，具体方法如下：

(1)调整光路把二维聚焦激光差分干涉仪的光路聚焦点放置在平板边界层内目标测量区域；

(2)启动风洞记录下二维聚焦激光差分干涉仪光电探测器的电压信号；

在本发明实施例中，数据采集过程中可以采用高精度数据采集卡可将系统输出的微小扰动信号完全捕捉下来，由此提高系统的测试精度。

三、对风洞实验测试数据进行分析，具体方法如下:

二维聚焦激光差分干涉仪的数据处理方式为：

将数据采集卡采集到的电压代入公式

获得所测平板边界层内部流场的密度脉动。其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρ_L为测点平均密度；λ₀为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V₀＝2I₀RR_L，I₀为通过第一棱镜W₁分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；R_L为光电传感器的负载电阻。

如图3所示是本发明实施例提供的一种基于上述的二维聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法，包括下述步骤：

(1)将二维聚焦激光差分干涉仪光学探头，聚焦点放置在流场中所需要测量的空间点上；

(2)启动风洞并记录二维聚焦激光差分干涉仪光电探测器的电压信号；

(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。

其中，在步骤(1)中，光学探头即聚焦区域A所在的位置处于柱面凸透镜C₂，C₃之间距离的中点处。在布置光学器件时需保证光学光线传播方向与流场的流动方向相互垂直。扇形聚焦激光束与平板平行，且聚焦点位于边界层内部。

在步骤(2)中，二维聚焦激光差分干涉仪的输出电压可通过数据采集卡采集保存到终端设备中。

在步骤(3)中，根据二维聚焦激光差分干涉仪的输出电压与所测流场空间点上的密度脉动之间的换算关系：

获得所测流场的密度脉动信息；其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρ_L为测点平均密度；λ₀为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度，K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V₀＝2I₀RR_L，I₀为通过第一棱镜W₁分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；R_L为光电传感器的负载电阻。由此，可以实时测量系统探头所在位置的流场的密度梯度，即该点的密度脉动。

本发明由三部分组成：一是测量光路系统的搭建，根据二维聚焦激光差分干涉仪的测量原理和实际测量的流场空间区域位置和大小构造出可用于实际测量的光路系统。二是数据采集，在风洞运行的过程中采集出测量系统中光电传感器的电压信号。三是数据后处理，将采集到的电压信号转换为所测量流场的密度脉动信息。

本发明属于非介入式流场测量系统，测量过程中没有物理探头伸入到流场内部，仅有聚焦激光束穿过流场，所以在测量过程中不会改变流场结构，测量的准确性和精确性较好，且适用范围广(可测量高焓流场等)。此外，由于光线传播数据极快，系统的响应频率较高(光路长度小于3米时，系统测量光路的频率响应高达100MHz)，此外由于聚焦激光的焦点光斑直径较小，因此系统的沿流向的测量空间分辨率好(可达0.5mm量级)。同时通过柱面棱镜，系统中的二维扇形光束具有测量平板边界层内流场密度脉动的能力。

本发明实施例提供的二维聚焦激光差分干涉仪可以应用于流场测量(低速度到高超声速)，边界层测量(低速度到高超声速)，射流(亚声速，超声速)测量等等应用领域。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二维聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，包括：光信号发射单元、第一柱面透镜、第一偏振片、第二柱面凸透镜、第三柱面凸透镜、第一棱镜、第二棱镜、第二偏振片及光电转换单元；

所述光信号发射单元的光信号依次经过所述第一柱面透镜、所述第一偏振片、所述第一棱镜、所述第二柱面凸透镜、所述第三柱面凸透镜、所述第二棱镜及所述第二偏振片后到达所述光电转换单元；

所述光信号发射单元用于产生一束平行的相干光束；所述第一柱面透镜用于将所述相干光束发散为扇形相干光束；所述第一偏振片用于过滤相干光束中的非相干噪声；所述第一棱镜用于将所述扇形相干光束分离为两束偏振方向相互垂直的两束扇形光束，其中，所述两束扇形光束之间的分离角满足预设要求；所述第二柱面凸透镜用于将所述两束扇形光束聚焦；所述第三柱面凸透镜用于将聚焦点后的两束发散扇形光束再聚焦；所述第二棱镜用于将两束相关光束合并；所述第二偏振片用于将合并后的相干光束进行干涉过滤；所述光电转换单元用于将合并干涉后的扇形光束的光强线性转换为电压信号。

2.根据权利要求1所述的二维聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第一柱面透镜为柱面凹透镜或柱面凸透镜。

3.根据权利要求1或2所述的二维聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第二柱面凸透镜和所述第三柱面凸透镜的焦距和尺寸均相同。

4.根据权利要求2所述的二维聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，在所述第一柱面透镜为柱面凹透镜时，第一柱面凹透镜、所述第二柱面凸透镜和所述第三柱面凸透镜之间的位置关系符合成像定理。

5.根据权利要求4所述的二维聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，1/L₁+1/L₂＝1/f₂，L₃＝f₂，其中，所述第一柱面凹透镜与所述第二柱面凸透镜之间的距离为L₁，所述第三柱面凸透镜与所述光电转换单元之间的距离为L₁，所述第二柱面凸透镜与聚焦点之间的距离为L₂，所述第三柱面凸透镜与所述聚焦点之间的距离为L₂，所述第一棱镜与所述第二柱面凸透镜之间的距离为L₃，所述第二棱镜与所述第三柱面凸透镜之间的距离为L₃，f₂为所述第二柱面凸透镜的焦距，其中，所述聚焦点位于所述第二柱面凸透镜与所述第三柱面凸透镜之间距离的中点处。

6.一种基于权利要求1至5任意一项所述的二维聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量平板边界层内密度脉动的方法，其特征在于，包括：

(1)将所述二维聚焦激光差分干涉仪的聚焦点放置在平板边界层中所需要测量的空间点上；

(2)启动风洞并记录所述二维聚焦激光差分干涉仪输出的电压信号；

(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述聚焦点所在的位置为所述第二柱面凸透镜与所述第三柱面凸透镜距离的中点处，且所述二维聚焦激光差分干涉仪的光线传播方向与流场的流动方向相互垂直，由所述二维聚焦激光差分干涉仪产生的二维扇形光束和平板表面平行，且所述聚焦点在边界层内部。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

由

获得所测流场的密度脉动信息，其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρ_L为测点平均密度；λ₀为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V₀＝2I₀RR_L，I₀为通过第一棱镜分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；R_L为光电传感器的负载电阻。

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