CN111257002A - 一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法，固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置包括激光调制部，位于发动机羽流与激光光源部之间，调制入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域的激光空间参数；激光接收部，位于发动机羽流的另一侧，激光接收部用于汇聚接收经待测羽流后的不同波长的透射激光，并通过半透半反镜分束成第一光束、第二光束两束光；激光衍射探测部接收第一光束，用于探测第一光束衍射光能分布；激光衰减探测部接收第二光束后照射光栅后按波长分成多束分激光；颗粒测试处理部用于控制激光光源部，颗粒测试处理部与激光衍射探测部、激光衰减探测部分别通信连接，用于处理、显示固体火箭发动机羽流烟颗粒参数。

Description

一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法
技术领域
本发明属于航天动力技术领域，涉及一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置及方法。
背景技术
固体火箭发动机以其高可靠性和良好性能广泛应用于航天动力领域。随着军事与航天迅速发展，对于固体火箭发动机要求越来越多，推进剂配方的研制不再是片面地追求更高能量，而是逐渐转变成为在保证能量性能的同时追求低特征信号等综合性指标。固体火箭发动机排气羽流是以超声速排出喷管的燃烧产物，其在喷管出口处会进一步扩散、膨胀，形成发光发热羽流流场，其与周围环境的相互作用，会形成烟雾、辐射、对探测或制导信号衰减等多种效应，这些效应统称为排气羽流的特征信号。
发动机排气羽流会产生浓烈烟雾，烟雾中含有大量高温液体及固体颗粒，会对载体的机身造成侵蚀和沾污、干扰载体通信、造成信号衰减等问题。发动机羽流颗粒参数是这些不利影响的重要表征。然而这些羽流颗粒参数粒径具有多个量级(从纳米到毫米量级)，颗粒浓度也具有较大范围，并且温度较高，辐射较强，这给羽流颗粒参数测试带来巨大挑战，目前主要采用收集法来获得发动机羽流颗粒，但这类方法收集颗粒的效率有限，收集后冷态测试与真实高温状态相比误差较大，目前尚无有效的在线测试手段来评价固体火箭发动机羽流烟颗粒参数。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法，通过测量不同波长激光经待测羽流后的衍射光能分布及衰减程度，基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，进而评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
本发明提供了一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，具有这样的特征，包括激光光源部，位于发动机羽流一侧，用于产生不同波长的入射激光；激光调制部，位于发动机羽流与激光光源部之间，用于接受入射激光，调制入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域的激光空间参数；激光接收部，位于发动机羽流的另一侧，激光接收部用于汇聚接收经待测羽流后的不同波长的透射激光，并通过半透半反镜分束成第一光束、第二光束两束光；激光衍射探测部，接收第一光束，用于探测第一光束衍射光能分布；激光衰减探测部，接收第二光束后照射光栅后按波长分成多束分激光；以及颗粒测试处理部，用于控制激光光源部，其中，颗粒测试处理部与激光衍射探测部、激光衰减探测部分别通信连接，用于处理、保存与显示固体火箭发动机羽流烟颗粒参数。
在本发明提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光光源部包括激光控制器、多个激光器、光纤耦合器、光纤准直器，激光控制器分别与多个激光器连接，用于控制不同波长的多个激光器产生激光，激光器产生的激光经光纤输出至光纤耦合器中，光纤耦合器接收激光器产生的激光并将激光耦合到输出光纤中，光纤耦合器通过输出光纤与准直器连接。
另外，在本发明提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光调制部包括高斯透镜与光阑，激光调制部接收激光光源部发出的入射激光，通过设置高斯透镜与光阑的位置参数，调制入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域的激光空间参数，将入射激光调制成一束汇聚的照射羽流中测量区域且定位在高斯光束瑞利区的高斯激光光束，从而控制有效照射测量区域的位置和大小，使得测量结果表征对象可以控制。
另外，在本发明提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光接收部包括依次沿入射光路设置的带通滤波片、半透半反镜、聚光透镜、光纤耦合器，带通滤波片过滤固体火箭发动机排气羽流辐射信号后，激光接收部通过半透半反镜将高斯激光分束成第一光束、第二光束，第一光束输出到激光衍射探测部，第二光束经聚光透镜汇聚进入光纤耦合器，并输出至激光衰减探测部，同步获得透射激光衍射光能分布与强度，从而基于消光光谱颗粒反演算法与激光衍射颗粒反演算法同步得到不同颗粒范围的颗粒粒径测量。
另外，在本发明提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光衍射探测部包括依次设置的窄带滤波片、平面探测器与激光衍射处理器，激光衍射探测部位于激光接收部的一侧，窄带滤波片控制第一光束的波长，平面探测器接收第一光束并进行光电转换，可以是数十个同心半圆环探测器组成，或者扇形环组成，或者光电探测器阵列组成，输出至激光衍射处理器中，激光衍射处理器与平面探测器通过电缆连接，将电信号转变为数字信号，获得透射激光衍射光能分布。
另外，在本发明提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光衰减探测部包括准直器、光栅、多个光电探测器以及激光衰减处理器，准直器与光纤耦合器通过光纤连接，将激光接收部输出的光纤激光准直后的准直激光照射在光栅上，光栅接收准直激光后按照波长分成多束分激光，多个光电探测器分别接收多束分激光后将光信号转变为电信号通过电缆输出到激光衰减处理器中，激光衰减处理器采集多个光电探测器输出的电信号并将电信号转变为数字信号，从而获得不同波长透射激光强度。
一种采用上述的任意一种的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置安装设置在羽流两侧；
S2：打开激光控制器，驱动激光器产生激光，打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的初始激光光能分布与强度；
S3：开始试验，同时打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的透射激光衍射光能分布与强度；
S4：基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数；
S5：评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
另外，在本发明提供的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法中，还可以具有这样的特征：不同颗粒粒径范围采用不同的探测数据，基于不同的烟颗粒反演算法获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，对于0.06～10μm颗粒粒径范围，选用激光衰减探测部获得的不同波长激光衰减程度数据，基于消光光谱颗粒反演算法获得颗粒参数，对于10μm以上颗粒粒径范围，选用激光衍射探测部获得的透射激光衍射光能分布，基于高斯光照射条件下的激光衍射颗粒反演算法获得颗粒参数。
另外，在本发明提供的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法中，还可以具有这样的特征：评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号是结合0.06～10μm颗粒粒径范围与10μm以上颗粒粒径范围，采用两种算法进行同步测试与处理，综合形成最终测试结果。
另外，在本发明提供的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法中，还可以具有这样的特征：不同波长激光经待测羽流后的衰减程度符合比尔兰伯特定律，关系如下：
Figure RE-GDA0002465980500000051
下标λi表示不同波长；T为透射率，是透射光强I与初始光强I0之比；Qext为比例常数，与激光波长、烟颗粒参数等有关；L为羽流厚度；ND为烟颗粒浓度，f(D)为烟颗粒粒径分布函数，通过实验测量不同波长激光透射光强I与初始光强I0获得羽流透射率T，不同波长激光经待测羽流后衰减得到线性方程组：
E＝Af
Figure RE-GDA0002465980500000061
消光系数矩阵A中各个元素可表示为Aij＝-3LNDcjQext(λi,m,D)/2Dj,(i＝1,2,…S；j＝1,2,…,N)，其中，N为粒径分档数，cj为数值积分系数。f＝[f(D1),f(D2),…,f(Dj)]T为待测颗粒系粒径分布函数。
另外，在本发明提供的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法中，还可以具有这样的特征：根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理得到高斯光照射条件下的激光衍射颗粒反演算法，平行光照射下球形颗粒的衍射光强分布I的表达式为：
Figure RE-GDA0002465980500000062
I0为平行光入射光强度，f为傅立叶透镜的焦距，λ为波长，D为颗粒直径，X＝πDsinθ/λ，θ为衍射角度，J1为一阶Bessel函数。根据Bessel函数的特性，可求得X＝0时，2J1(X)/X＝1，在球坐标系(r,θ,φ) 中，高斯光束照射下球形颗粒的散射振幅S1和S2可以表达为：
Figure RE-GDA0002465980500000063
an和bn是米散射系数，
Figure RE-GDA0002465980500000071
和
Figure RE-GDA0002465980500000072
是光形系数，
Figure RE-GDA0002465980500000073
和
Figure RE-GDA0002465980500000074
是散射角函数，n与m是Legendre多项式级数，i为复数表达。颗粒的散射光强分布为：
Figure RE-GDA0002465980500000075
高斯光束照射下颗粒衍射问题中，入射光束的光强非均匀分布，但是夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理依然成立，因此还可以根据上述两个原理推导高斯光束照射下颗粒衍射光能分布，由激光衍射探测部平面探测器获得：
Figure RE-GDA0002465980500000076
下标n代表第n环，S为半径，Sn,1为第n环的内半径，Sn,2为第n环的外半径，对应的衍射角为θn,1和θn,2，n＝1,2,…,M，其中M为多元光电探测器总环数。
当傅立叶透镜的焦距f远大于光电探测器的最大半径，即衍射角很小时，光能分布可以简化得到；
Figure RE-GDA0002465980500000077
Xn,1＝πDθn,1/λ，Xn,2＝πDθn,2/λ，D和λ分布为颗粒的粒径和入射光束的波长。上式经积分后可得第n环上的衍射光能量为：
Figure RE-GDA0002465980500000078
上式基于测量区只有一个颗粒情况。如果测量区中有许多大小不同的颗粒组成的颗粒系，或称为颗粒群，并假设直径为Di的颗粒数为 Ni，下标i表示颗粒粒径分档，i＝1,2,…,K。此时第n环上的总衍射光能量为：
Figure RE-GDA0002465980500000081
总衍射光能量可以表示为矩阵形式：
E＝TW
E＝(e1,e1,…,eM)T为光能分布列向量，W＝(W1,W1,…,WM)T为颗粒粒径分布列向量，而
Figure RE-GDA0002465980500000082
为光能分布系数矩阵，矩阵中的每个元素ti,n的物理含义是单位重量的直径为Di的颗粒所产生的衍射落在光电探测器第n个环上的光能量。由此建立了激光衍射光能分布与颗粒粒径分布之间的对应关系。光能分布列向量E可以通过试验由平面探测器测得，光能分布系数矩阵T可以通过衍射理论计算得到，然后可以求得颗粒的粒径分布、颗粒的个数分布、或者颗粒的体积分布。在此基础上，通过设置不同波长的激光光源部的激光器与激光衍射探测部的窄带滤波片相结合，可获得多个波长的颗粒激光衍射光能分布，通过多波长光能分布反演，可进一步提高测试精度。
发明的作用与效果
本发明所涉及的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法，具有的发明作用与效果有：
(1)本发明通过测量不同波长激光经待测羽流后的衍射光能分布及衰减程度，基于建立的烟颗粒反演算法来获得发动机羽流真实高温状态下颗粒参数，实现固体火箭发动机羽流烟颗粒在线测试，进而评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
(2)本发明激光调制部采用高斯透镜与光阑，通过设置高斯透镜与光阑的位置、焦距等参数，调制入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域等激光空间参数，将入射激光调制成一束汇聚的高斯光束照射羽流测量区，并将有效照射测量区域定位在高斯光束的瑞利区，从而实现有效照射测量区的控制与调整，达到既可以实现发动机羽流较大空间的平均测量，又可以实现小空间局部测量，从而获得颗粒参数在羽流空间范围内的空间分布情况的效果。
(3)本发明通过激光接收部将透射分束成两束光，其中一束光经聚光透镜汇聚进入光纤耦合器并由光纤输出光纤激光至激光衰减探测部，另外一束为空间激光，输出照射激光衍射探测部，从而同步获得透射激光衍射光能分布与强度，从而基于消光光谱颗粒反演算法与激光衍射颗粒反演算法同步得到不同颗粒范围的颗粒粒径测量，综合形成最终测试结果，有效的拓宽了颗粒粒径测量范围，提高了测量精度。
(4)本发明激光光源部多个激光器的激光波长与强度、激光接收部带通滤波片波长范围、激光衍射探测部窄带滤波片波长及激光衰减探测部光栅参数的选择需要结合发动机羽流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与羽流辐射特征等参数进行选择确定，避免了高温羽流辐射对光电探测的影响，有效的提高了测试精度。
附图说明
图1为实施例中固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置的示意图；
图2为实施例中固体火箭发动机羽流烟颗粒测试方法的原理示意图；
图3为实施例中激光衍射探测部的示意图；
图4为实施例中获得的激光衍射光能分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法作具体阐述。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，该装置包括激光光源部2、激光调制部3、激光接收部4、激光衍射探测部5、激光衰减探测部6、颗粒测试处理部7、电缆71、 72、73及光纤28、26、47。
固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置用于对固体火箭发动机羽流烟颗粒测试试验，设置在待测发动机11的排气羽流12两侧区域。
其中，激光光源部2位于发动机羽流12一侧，用于产生不同波长的入射激光20。
激光调制部3，位于发动机羽流12与激光光源部2之间，用于接受激光光源部2发出的入射激光20，调制入射激光20的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域等激光空间参数，输出高斯激光光束 30。
激光接收部4位于发动机羽流12另一侧，用于汇聚接收经待测羽流后的不同波长的透射激光30，并分束成两束光45、46。
激光衍射探测部5，接收一束透射光45，用于探测接收的透射激光45衍射光能分布。
激光衰减探测部6，接收另一束透射光46，用于探测接收的不同波长透射激光强度。
颗粒测试处理部7与激光衍射探测部5、激光衰减探测部6分别连接，用以控制激光光源部2，以及处理、保存与显示固体火箭发动机羽流烟颗粒参数。
激光光源部2包括激光控制器21、激光器22、23、24、光纤耦合器27、光纤准直器29、电缆25以及光纤26、28。
其中，激光控制器21与激光器22、23、24分别通过电缆25并联连接，用于控制不同波长的激光器22、23、24产生激光，激光控制器21是由颗粒测试处理部7通过控制信号电缆71控制，激光器 21产生的激光经光纤26输出至光纤耦合器27中，光纤耦合器27接收激光器22、23、24产生的激光并将激光耦合到输出光纤28中，光纤耦合器27通过输出光纤28与准直器29连接，准直器29将激光20输出。
激光调制部3包括高斯透镜31与光阑32，激光调制部3接收激光光源部2发出的入射激光20，通过设置高斯透镜31与光阑32的位置、焦距等参数，调制入射激光20的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域等激光空间参数，将入射激光调制成一束汇聚的高斯激光光束30照射羽流12，并将有效照射测量区域13定位在高斯光束的瑞利区，从而控制有效照射测量区域的位置和大小，使得测量结果表征对象可以控制。
发动机羽流颗粒测试的有效照射测量区域13由激光调制部3高斯透镜31与光阑32的位置、焦距等参数决定，通过高斯光束瑞利区调整可以控制与调整有效照射测量区13，既可以实现发动机羽流较大空间的平均测量，又可以实现小空间局部测量，从而获得颗粒参数在羽流空间范围内的空间分布情况。
激光接收部4包括依次沿入射光路设置的带通滤波片41、半透半反镜42、聚光透镜43、光纤耦合器44。
激光光源部2与激光调制部3产生和调制的高斯入射激光30经羽流待测区域后，透射激光进入激光接收部4，由带通滤波片41过滤固体火箭发动机11排气羽流12辐射信号，之后由半透半反镜42 分束成两束光45、46，其中一束光46经聚光透镜43汇聚进入光纤耦合器44并由光纤47输出光纤激光至激光衰减探测部6，另外一束为空间激光45，输出到照射激光衍射探测部5，，同步获得透射激光衍射光能分布与强度，从而基于消光光谱颗粒反演算法与激光衍射颗粒反演算法同步得到不同颗粒范围的颗粒粒径测量，综合形成最终测试结果，有效的拓宽了颗粒粒径测量范围，提高了测量精度。
激光衍射探测部5包括依次设置的窄带滤波片51、平面探测器 52与激光衍射处理器53，激光衍射探测部5位于激光接收部4的一侧。
如图3所示，激光衍射探测部5接收激光接收部4照射的一束空间激光45，这束空间激光45是经待测区域13颗粒衍射形成的衍射光环，经窄带滤波片51将空间激光45通过波长控制在选择的波长上，由平面探测器52接收并进行光电转换，可以是数十个同心半圆环探测器组成，或者扇形环组成，或者光电探测器阵列组成，输出至激光衍射处理器53中，激光衍射处理器53与平面探测器52通过电缆54 连接，将电信号转变为数字信号，获得透射激光衍射光能分布，并经数字信号通讯电缆72输出至颗粒测试处理部7。
激光衰减探测部6包括准直器61、光栅63、多个光电探测器65、 66、67与激光衰减处理器69。
准直器61与激光接收部4的光纤耦合器44通过光纤47连接，将激光接收部4输出的一束光纤激光准直后得到激光62后照射光栅 63。
光栅63接收激光62后按照波长分成多束分激光64；多个光电探测器65、66、67分别接收多束分激光64后将光信号转变为电信号通过电缆68输出到激光衰减处理器69中，激光衰减处理器69采集探测器65、66、67输出的电信号并将电信号转变为数字信号，获得不同波长透射激光强度，并经数字信号通讯电缆73输出至颗粒测试处理部7。
颗粒测试处理部7通过控制信号电缆71连接激光控制器21，控制入射激光的产生，并通过数字信号通讯电缆72、73分别连接激光衍射处理器53与激光衰减处理器69，分别获得透射激光衍射光能分布与不同波长透射激光强度，颗粒测试处理部7基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，处理、保存与显示固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，进而评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
进一步，激光光源部2中多个激光器22、23、24的激光波长与强度、激光接收部4带通滤波片41波长范围、激光衍射探测部5窄带滤波片51波长及激光衰减探测部6光栅63参数的选择需要结合发动机羽流12颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与羽流辐射特征等参数进行选择确定，通常为避免羽流辐射影响，激光光源部2多个激光器22、23、24的激光波长选择在蓝紫光波长范围内。
进一步，激光衰减探测部6中多个光电探测器65、66、67的位置根据光栅63分光进行设置，对应获得不同波长透射激光光强。
本实施例还提供了一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试方法，该方法通过测量不同波长激光经待测羽流后的衍射光能分布及衰减程度，基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，进而评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
固体火箭发动机羽流烟颗粒测试方法利用实施例中固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的步骤是：
S1：将固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置安装设置在羽流两侧；
S2：打开激光控制器，驱动激光器产生激光，打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的初始激光光能分布与强度；
S3：开始试验，同时打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的透射激光衍射光能分布与强度；
S4：基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数；
S5：评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
进一步，固体火箭发动机羽流烟颗粒测试方法对于不同颗粒粒径范围采用不同的探测数据，基于不同的烟颗粒反演算法获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数：
对于0.06～10μm颗粒粒径范围，选用激光衰减探测部6获得的不同波长激光衰减程度数据，基于消光光谱颗粒反演算法获得颗粒参数；
对于10μm以上颗粒粒径范围，选用激光衍射探测部5获得的透射激光衍射光能分布，基于激光衍射颗粒反演算法获得颗粒参数。
本实施例评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号是结合 0.06～10μm颗粒粒径范围与10μm以上颗粒粒径范围，采用两种算法进行同步测试与处理，综合形成最终测试结果。
进一步，上述消光光谱颗粒反演算法是建立在不同波长激光经待测羽流后的衰减程度符合比尔兰伯特定律得到的。
如图2所示，不同波长激光经待测羽流后的衰减程度关系如下：
Figure RE-GDA0002465980500000161
下标λi表示不同波长；T为透射率，是透射光强I与初始光强I0之比；Qext为比例常数，与激光波长、烟颗粒参数等有关；L为羽流厚度；ND为烟颗粒浓度，f(D)为烟颗粒粒径分布函数。由此，通过实验测量不同波长激光透射光强I与初始光强I0获得羽流透射率T。从而通过实验测量不同波长激光经待测羽流后衰减得到线性方程组：
E＝Af
Figure RE-GDA0002465980500000162
消光系数矩阵A中各个元素可表示为Aij＝-3LNDcjQext(λi,m,D)/2Dj,(i＝1,2,…S；j＝1,2,…,N)，其中，N为粒径分档数，cj为数值积分系数。f＝[f(D1),f(D2),…,f(Dj)]T为待测颗粒系粒径分布函数。
进一步，上述激光衍射颗粒反演算法是根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理得到的。平行光照射下球形颗粒的衍射光强分布I的表达式为：
Figure RE-GDA0002465980500000163
I0为平行光入射光强度，f为傅立叶透镜的焦距，λ为波长，D为颗粒直径，X＝πDsinθ/λ，θ为衍射角度，J1为一阶Bessel函数。根据Bessel函数的特性，可求得X＝0时，2J1(X)/X＝1，在球坐标系(r,θ,φ) 中，高斯光束照射下球形颗粒的散射振幅S1和S2可以表达为：
Figure RE-GDA0002465980500000171
an和bn是米散射系数，
Figure RE-GDA0002465980500000172
和
Figure RE-GDA0002465980500000173
是光形系数，
Figure RE-GDA0002465980500000174
和
Figure RE-GDA0002465980500000175
是散射角函数，n与m是Legendre多项式级数，i为复数表达。颗粒的散射光强分布为：
Figure RE-GDA0002465980500000176
高斯光束照射下颗粒衍射问题中，入射光束的光强非均匀分布，但是夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理依然成立，因此还可以根据上述两个原理推导高斯光束照射下颗粒衍射光能分布，由激光衍射探测部平面探测器获得：
Figure RE-GDA0002465980500000177
下标n代表第n环，S为半径，Sn,1为第n环的内半径，Sn,2为第n环的外半径，对应的衍射角为θn,1和θn,2，n＝1,2,…,M，其中M为多元光电探测器总环数。
典型实施例获得的激光衍射光能分布如图4所示。
当傅立叶透镜的焦距f远大于光电探测器的最大半径，即衍射角很小时，光能分布可以简化得到；
Figure RE-GDA0002465980500000178
Xn,1＝πDθn,1/λ，Xn,2＝πDθn,2/λ，D和λ分布为颗粒的粒径和入射光束的波长。上式经积分后可得第n环上的衍射光能量为：
Figure RE-GDA0002465980500000181
上式基于测量区只有一个颗粒情况。如果测量区中有许多大小不同的颗粒组成的颗粒系，或称为颗粒群，并假设直径为Di的颗粒数为 Ni，下标i表示颗粒粒径分档，i＝1,2,…,K。此时第n环上的总衍射光能量为：
Figure RE-GDA0002465980500000182
总衍射光能量可以表示为矩阵形式：
E＝TW
E＝(e1,e1,…,eM)T为光能分布列向量，W＝(W1,W1,…,WM)T为颗粒粒径分布列向量，而
Figure RE-GDA0002465980500000183
为光能分布系数矩阵，矩阵中的每个元素ti,n的物理含义是单位重量的直径为Di的颗粒所产生的衍射落在光电探测器第n个环上的光能量。由此建立了激光衍射光能分布与颗粒粒径分布之间的对应关系。光能分布列向量E可以通过试验由平面探测器测得，光能分布系数矩阵T可以通过衍射理论计算得到，然后可以求得颗粒的粒径分布、颗粒的个数分布、或者颗粒的体积分布。在此基础上，通过设置不同波长的激光光源部的激光器与激光衍射探测部的窄带滤波片相结合，可获得多个波长的颗粒激光衍射光能分布，通过多波长光能分布反演，可进一步提高测试精度。
实施例的作用与效果
本实施例提供的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置与方法，具有的作用与效果有：
(1)本实施例通过测量不同波长激光经待测羽流后的衍射光能分布及衰减程度，基于建立的烟颗粒反演算法来获得发动机羽流真实高温状态下颗粒参数，实现固体火箭发动机羽流烟颗粒在线测试，进而评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号。
(2)本实施例激光调制部采用高斯透镜与光阑，通过设置高斯透镜与光阑的位置、焦距等参数，调制入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域等激光空间参数，将入射激光调制成一束汇聚的高斯光束照射羽流测量区，并将有效照射测量区域定位在高斯光束的瑞利区，从而实现有效照射测量区的控制与调整，达到既可以实现发动机羽流较大空间的平均测量，又可以实现小空间局部测量，从而获得颗粒参数在羽流空间范围内的空间分布情况的效果。
(3)本实施例通过激光接收部将透射分束成两束光，其中一束光经聚光透镜汇聚进入光纤耦合器并由光纤输出光纤激光至激光衰减探测部，另外一束为空间激光，输出照射激光衍射探测部，从而同步获得透射激光衍射光能分布与强度，从而基于消光光谱颗粒反演算法与激光衍射颗粒反演算法同步得到不同颗粒范围的颗粒粒径测量，综合形成最终测试结果，有效的拓宽了颗粒粒径测量范围，提高了测量精度。
(4)本实施例激光光源部多个激光器的激光波长与强度、激光接收部带通滤波片波长范围、激光衍射探测部窄带滤波片波长及激光衰减探测部光栅参数的选择需要结合发动机羽流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与羽流辐射特征等参数进行选择确定，避免了高温羽流辐射对光电探测的影响，有效的提高了测试精度。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，用于测量不同波长激光经待测的发动机羽流后的衰减程度，其特征在于，包括：
激光光源部，位于所述发动机羽流一侧，用于产生不同波长的入射激光；
激光调制部，位于所述发动机羽流与所述激光光源部之间，用于接受所述入射激光，调制所述入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域的激光空间参数；
激光接收部，位于所述发动机羽流的另一侧，所述激光接收部用于汇聚接收经待测羽流后的不同波长的透射激光，并通过半透半反镜分束成第一光束、第二光束两束光；
激光衍射探测部，接收所述第一光束，用于探测所述第一光束衍射光能分布；
激光衰减探测部，接收所述第二光束后照射光栅后按波长分成多束分激光；以及
颗粒测试处理部，用于控制所述激光光源部，
其中，颗粒测试处理部与所述激光衍射探测部、所述激光衰减探测部分别通信连接，用于处理、保存与显示固体火箭发动机羽流烟颗粒参数。
2.根据权利要求1所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，其特征在于：
其中，所述激光光源部包括激光控制器、多个激光器、光纤耦合器、光纤准直器，
所述激光控制器分别与多个所述激光器连接，用于控制不同波长的所述多个激光器产生激光，
所述激光器产生的激光经光纤输出至所述光纤耦合器中，
所述光纤耦合器接收所述激光器产生的激光并将所述激光耦合到输出光纤中，所述光纤耦合器通过所述输出光纤与所述准直器连接。
3.根据权利要求1所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，其特征在于：
其中，所述激光调制部包括高斯透镜与光阑，
所述激光调制部接收所述激光光源部发出的入射激光，通过设置所述高斯透镜与所述光阑的位置参数，调制所述入射激光的光斑大小、扩束角度、有效照射测量区域的激光空间参数，将所述入射激光调制成一束汇聚的照射羽流中测量区域且定位在高斯光束瑞利区的高斯激光光束，从而控制有效照射测量区域的位置和大小，并控制测量结果表征对象。
4.根据权利要求1所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，其特征在于：
其中，所述激光接收部包括依次沿入射光路设置的带通滤波片、半透半反镜、聚光透镜、光纤耦合器，
所述带通滤波片过滤固体火箭发动机排气羽流辐射信号后，所述激光接收部通过所述半透半反镜将所述高斯激光分束成所述第一光束、所述第二光束，
所述第一光束输出到所述激光衍射探测部，
所述第二光束经所述聚光透镜汇聚进入所述光纤耦合器，并输出至所述激光衰减探测部，
同步获得透射激光衍射光能分布与强度，从而基于消光光谱颗粒反演算法与激光衍射颗粒反演算法同步得到不同颗粒范围的颗粒粒径测量。
5.根据权利要求4所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，其特征在于：
其中，激光衍射探测部包括依次设置的窄带滤波片、平面探测器与激光衍射处理器，所述激光衍射探测部位于所述激光接收部的一侧，
所述窄带滤波片控制所述第一光束的波长，
所述平面探测器接收所述第一光束并进行光电转换，输出至所述激光衍射处理器中，所述激光衍射处理器与所述平面探测器通过电缆连接，将电信号转变为数字信号，获得透射激光衍射光能分布。
6.根据权利要求4所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置，其特征在于：
其中，所述激光衰减探测部包括准直器、光栅、多个光电探测器以及激光衰减处理器，
所述准直器与所述光纤耦合器通过光纤连接，将所述激光接收部输出的光纤激光准直后的准直激光照射在所述光栅上，
所述光栅接收所述准直激光后按照波长分成多束分激光，
多个光电探测器分别接收多束所述分激光后将光信号转变为电信号通过电缆输出到所述激光衰减处理器中，
所述激光衰减处理器采集多个所述光电探测器输出的电信号并将电信号转变为数字信号，从而获得不同波长透射激光强度。
7.一种采用如权利要求1-6中任意一种所述的固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将固体火箭发动机羽流烟颗粒测试装置安装设置在羽流两侧；
打开激光控制器，驱动激光器产生激光，打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的初始激光光能分布与强度；
同时打开激光衍射探测部与激光衰减探测部，分别记录、处理、保存探测接收的透射激光衍射光能分布与强度；
基于建立的烟颗粒反演算法来获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数，不同颗粒粒径范围采用不同的探测数据，基于不同的烟颗粒反演算法获得固体火箭发动机羽流烟颗粒参数；
评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号，
其中，对于0.06～10μm颗粒粒径范围，选用所述激光衰减探测部获得的不同波长激光衰减程度数据，基于消光光谱颗粒反演算法获得颗粒参数，
对于10μm以上颗粒粒径范围，选用激光衍射探测部获得的透射激光衍射光能分布，基于高斯光照射条件下的激光衍射颗粒反演算法获得颗粒参数。
8.根据权利要求7所述的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法，其特征在于：
其中，根据米散射理论得到消光光谱颗粒反演算法，不同波长激光经待测羽流后的衰减程度符合比尔兰伯特定律，关系如下：
Figure RE-FDA0002465980490000051
下标λi表示不同波长；T为透射率，是透射光强I与初始光强I0之比；Qext为比例常数，与激光波长、烟颗粒参数等有关；L为羽流厚度；ND为烟颗粒浓度，f(D)为烟颗粒粒径分布函数，
通过实验测量不同波长激光透射光强I与初始光强I0获得羽流透射率T，
不同波长激光经待测羽流后衰减得到线性方程组：
E＝Af
Figure RE-FDA0002465980490000052
消光系数矩阵A中各个元素可表示为Aij＝-3LNDcjQext(λi,m,D)/2Dj,(i＝1,2,…S；j＝1,2,…,N)，其中，N为粒径分档数，cj为数值积分系数。f＝[f(D1),f(D2),…,f(Dj)]T为待测颗粒系粒径分布函数。
9.根据权利要求7所述的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法，其特征在于：
其中，根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理得到高斯光照射条件下的激光衍射颗粒反演算法，平行光照射下球形颗粒的衍射光强分布I的表达式为：
Figure RE-FDA0002465980490000061
I0为平行光入射光强度，f为傅立叶透镜的焦距，λ为波长，D为颗粒直径，X＝πDsinθ/λ，θ为衍射角度，J1为一阶Bessel函数，根据Bessel函数的特性，可求得X＝0时，2J1(X)/X＝1，在球坐标系(r,θ,φ)中，高斯光束照射下球形颗粒的散射振幅S1和S2可以表达为：
Figure RE-FDA0002465980490000062
an和bn是米散射系数，
Figure RE-FDA0002465980490000063
和
Figure RE-FDA0002465980490000064
是光形系数，
Figure RE-FDA0002465980490000065
和
Figure RE-FDA0002465980490000066
是散射角函数，n与m是Legendre多项式级数，i为复数表达。颗粒的散射光强分布为：
Figure RE-FDA0002465980490000067
高斯光束照射下颗粒衍射问题中，入射光束的光强非均匀分布，但是夫琅禾费衍射理论和巴比涅原理依然成立，因此还可以根据上述两个原理推导高斯光束照射下颗粒衍射光能分布，由激光衍射探测部平面探测器获得：
Figure RE-FDA0002465980490000071
下标n代表第n环，S为半径，Sn,1为第n环的内半径，Sn,2为第n环的外半径，对应的衍射角为θn,1和θn,2，n＝1,2,…,M，其中M为多元光电探测器总环数，
当傅立叶透镜的焦距f远大于光电探测器的最大半径，即衍射角很小时，光能分布可以简化得到；
Figure RE-FDA0002465980490000072
Xn,1＝πDθn,1/λ，Xn,2＝πDθn,2/λ，D和λ分布为颗粒的粒径和入射光束的波长，上式经积分后可得第n环上的衍射光能量为：
Figure RE-FDA0002465980490000073
上式基于测量区只有一个颗粒情况。如果测量区中有许多大小不同的颗粒组成的颗粒系，或称为颗粒群，并假设直径为Di的颗粒数为Ni，下标i表示颗粒粒径分档，i＝1,2,…,K。此时第n环上的总衍射光能量为：
Figure RE-FDA0002465980490000074
总衍射光能量可以表示为矩阵形式：
E＝TW
E＝(e1,e1,…,eM)T为光能分布列向量，W＝(W1,W1,…,WM)T为颗粒粒径分布列向量，而
Figure RE-FDA0002465980490000081
为光能分布系数矩阵，矩阵中的每个元素ti,n的物理含义是单位重量的直径为Di的颗粒所产生的衍射落在光电探测器第n个环上的光能量，由此建立了激光衍射光能分布与颗粒粒径分布之间的对应关系，光能分布列向量E可以通过试验由平面探测器测得，光能分布系数矩阵T可以通过衍射理论计算得到，然后可以求得颗粒的粒径分布、颗粒的个数分布、或者颗粒的体积分布，在此基础上，通过设置不同波长的激光光源部的激光器与激光衍射探测部的窄带滤波片相结合，可获得多个波长的颗粒激光衍射光能分布，通过多波长光能分布反演，可进一步提高测试精度。
10.根据权利要求7所述的对固体火箭发动机羽流烟颗粒进行测试的方法，其特征在于：
其中，评估固体火箭发动机羽流烟颗粒特征信号是结合0.06～10μm颗粒粒径范围与10μm以上颗粒粒径范围，采用两种算法进行同步测试与处理，综合形成最终测试结果。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111678846A (zh) * 2020-06-12 2020-09-18 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 基于米氏散射理论和夫琅禾费衍射理论二维喷雾场测量方法
CN112576413A (zh) * 2020-11-19 2021-03-30 北京航天试验技术研究所 一种大尺度空间下plif测量方法
CN113552042A (zh) * 2021-07-21 2021-10-26 乐金显示光电科技(中国)有限公司 一种湿法刻蚀设备及其管理方法
CN114894438A (zh) * 2022-06-08 2022-08-12 上海交通大学 一种模拟颗粒悬浮液羽流排放的实验装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111678846A (zh) * 2020-06-12 2020-09-18 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 基于米氏散射理论和夫琅禾费衍射理论二维喷雾场测量方法
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CN112576413A (zh) * 2020-11-19 2021-03-30 北京航天试验技术研究所 一种大尺度空间下plif测量方法
CN113552042A (zh) * 2021-07-21 2021-10-26 乐金显示光电科技(中国)有限公司 一种湿法刻蚀设备及其管理方法
CN114894438A (zh) * 2022-06-08 2022-08-12 上海交通大学 一种模拟颗粒悬浮液羽流排放的实验装置

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