CN112683487A - 一种保形侧窗结构集成式纹影仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保形侧窗结构集成式纹影仪，包括依次设置的光源系统、保形侧窗系统和成像系统，保形侧窗系统包括沿光路主轴布置的准直保形侧窗和聚焦保形侧窗，准直保形侧窗和聚焦保形侧窗相对布置，准直保形侧窗和聚焦保形侧窗之间设有圆柱形的扰流区域，准直保形侧窗内壁和聚焦保形侧窗内壁分别贴合扰流区域的侧面，准直保形侧窗外壁和聚焦保形侧窗外壁分别为XY多项式自由曲面，使得光源系统的出射光经过准直保形侧窗后以平行光路通过扰流区域，并通过聚焦保形侧窗汇聚后进入成像系统。本发明的侧窗内壁贴合流场的同时，侧窗外壁采取XY多项式自由曲面设计以达到光束的准直和光线汇聚成像的要求，实现对扰流区域密度分布的精确观测。
Description
技术领域
本发明涉及流场显示与测量领域，尤其涉及一种保形侧窗结构集成式纹影仪。
背景技术
高超声速飞行器指的是超过5倍声速、每秒能够飞行大约1.6公里以上的飞行器，其超高声速的飞行特点成为各个国家觊觎的实力。目前超高声速飞行器主要依托于超燃冲压发动机的能力水平，在大气层内部，其吸气式的发动机构造特点能够使其节省氧化剂的携带并提升有效载荷。
超燃冲压发动机的气流依次通过进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管，从而实现从加压、混合燃烧到减压膨胀等一系列流程，以达到飞行器高超声速的目的。进气道与隔离段部分是位于混合燃烧的前端，此部分通过有效的内转式结构设计以达到高压、低阻的效果，在工程上具有重要的研究价值。
内转式进气道的结构设计包含异型曲面进气道结构设计，为观测相应的内转式进气道结构，在观测流道侧面采取保形玻璃结构的设置，常规的平面侧窗结构已经无法适应当前异型曲面进气道的观测要求，所以针对流场观测的纹影仪系统提出了保形侧窗结构以达到观测要求。
现有技术针对保形侧窗结构和集成式纹影仪系统的设计和制造上存在难度，尚未实现保形结构的集成式观测纹影仪系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种保形侧窗结构集成式纹影仪，针对圆柱形的扰流区域，在侧窗的内壁采取圆柱面的保形设计的要求以达到贴合流场的目的；同时，在侧窗的外壁针对光源部分和成像部分分别采取XY多项式自由曲面设计，以达到对光源光束的准直和通过流场区域光线汇聚成像的要求，实现对扰流区域密度分布的精确观测。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种保形侧窗结构集成式纹影仪，包括依次设置的光源系统、保形侧窗系统和成像系统，所述保形侧窗系统包括沿光路主轴布置的准直保形侧窗和聚焦保形侧窗，所述准直保形侧窗和聚焦保形侧窗相对布置，所述准直保形侧窗和聚焦保形侧窗之间设有圆柱形的扰流区域，所述准直保形侧窗内壁和聚焦保形侧窗内壁分别贴合扰流区域的侧面，所述准直保形侧窗外壁和聚焦保形侧窗外壁分别为XY多项式自由曲面，使得光源系统的出射光经过准直保形侧窗后以平行光路通过扰流区域，并通过聚焦保形侧窗汇聚后进入成像系统。
进一步的，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域底面的圆心为原点，准直保形侧窗外壁和聚焦保形侧窗外壁的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，k为二次曲面系数，x为垂直光轴方向的扰流区域轴向坐标变量，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，A，B，C，D，E分别为项系数，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
进一步的，沿光路经过的保形侧窗系统面型带来的波前像差小于四分之一波长。
进一步的，所述准直保形侧窗内壁和聚焦保形侧窗内壁为圆柱面，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域底面的圆心为原点，准直保形侧窗内壁和聚焦保形侧窗内壁的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，x为垂直纸面方向的坐标变量，y为平行纸面方向的坐标变量，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
进一步的，所述光源系统包括沿光路主轴依次放置的光源和狭缝，所述光源采用二极管光源，输出波长为532nm且发散角5°的圆形高斯光束。
进一步的，所述光源与准直保形侧窗外壁的距离为100mm。
进一步的，所述成像系统包括沿光路主轴放置的刀口、成像物镜和相机，所述刀口设置于聚焦保形侧窗的焦点。
进一步的，所述准直保形侧窗和聚焦保形侧窗分别采用K9玻璃材质，并进行退火处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的保形侧窗结构集成式纹影仪，针对圆柱形扰流区域，准直保形侧窗内壁和聚焦保形侧窗内壁的面型结构皆采取圆柱面以达到贴合流场的作用，准直保形侧窗外壁和聚焦保形侧窗外壁的面型结构分别采取XY多项式自由曲面，实现对二极管高斯光源的准直和对平行光路的汇聚成像作用，最终达到保形侧窗结构设计的目的，即对扰流区域流场实现精确观测。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的保形侧窗系统的二维结构示意图
图3是本发明实施例的保形侧窗系统的三维结构示意图。
图4是本发明实施例的光源系统的出射光通过准直保形侧窗后的波前像差图。
图5是本发明实施例的光线通过位置面A1的光强分布示意图。
图6是本发明实施例的光线通过位置面A2的光强分布示意图。
图7是本发明实施例的光线通过位置面A3的光强分布示意图。
图8是本发明实施例的光线通过位置面A4的光强分布示意图。
图例说明：1、准直保形侧窗；2、聚焦保形侧窗；3、扰流区域；4、光源；5、狭缝；6、刀口；7、成像物镜；8、相机；11、准直保形侧窗内壁；12、准直保形侧窗外壁；21、聚焦保形侧窗内壁；22、聚焦保形侧窗外壁。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明的保形侧窗的含义为：当隔离段的截面为圆形时，其对应的观测窗口的内壁应为圆柱体结构，所以加工出来的侧窗内壁必须与流场段紧密贴合，并且其侧窗外壁设计能达到矫正光路的作用。
如图1所示，本发明提供一种保形侧窗结构集成式纹影仪，包括依次设置的光源系统、保形侧窗系统和成像系统，扰流区域位于保形侧窗系统中央，相较于传统的透射式纹影仪观测系统中包含的光源部分、准直透镜、侧窗部分、聚焦透镜、成像部分等，本发明通过对侧窗内外壁的异型曲面设计以实现对扰流区域保形和纹影仪观测的要求。
如图1所示，本实施例中，保形侧窗系统包括沿光路主轴布置的准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2，准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2相对布置，准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2之间设有圆柱形的扰流区域3，准直保形侧窗内壁11和聚焦保形侧窗内壁21分别贴合扰流区域3的侧面，准直保形侧窗外壁12和聚焦保形侧窗外壁22分别为XY多项式自由曲面，使得光源系统的出射光经过准直保形侧窗1后以平行光路通过扰流区域3，并通过聚焦保形侧窗2汇聚后进入成像系统，光源系统的出射光经过准直保形侧窗1的矫正后以达到平行光输出，扰流区域3的气体密度变化将映射到平行光路之中，再通过聚焦保形侧窗2的汇聚作用进入成像系统实现成像效果。
相比于传统的透射式纹影仪结构，本实施例中将准直透镜和聚焦透镜分别与侧窗进行合并形成准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2，从而将光学元件数目减少。本实施例中，准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2分别采用K9玻璃材质，并进行退火处理以尽量消除表面应力对光学成像的影响，后续对于高温高压的高超实验环境还需对玻璃做特殊处理。
如图2所示，光源系统的出射光依次经过准直保形侧窗外壁12、准直保形侧窗内壁11、扰流区域3、聚焦保形侧窗内壁21、聚焦保形侧窗外壁22，采用商用光学设计软件对光学系统进行优化，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域3底面的圆心为原点，准直保形侧窗内壁11、聚焦保形侧窗内壁21、准直保形侧窗外壁12和聚焦保形侧窗外壁22的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，k为二次曲面系数，x为垂直光轴方向的扰流区域轴向坐标变量，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，A，B，C，D，E分别为XY多项式的x2、y2、x4、x2y2、y4项系数，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
为了对光源系统的出射光的波前进行矫正，本实施例中采取准直保形侧窗外壁12和聚焦保形侧窗外壁22的面型为XY多项式的通用面型，实现对光源系统的出射光的准直以达到平行光路通过扰流区域，并通过扰流区域3以后实现汇聚成像。准直保形侧窗内壁11和聚焦保形侧窗内壁21的面型为标准的圆柱面以达到扰流区域3的保形设计要求，为达到纹影仪系统对扰流区域精确观测的要求，沿光路经过的保形侧窗系统面型带来的波前像差小于四分之一波长。
本实施例中同时对于准直保形侧窗内壁11、聚焦保形侧窗内壁21、准直保形侧窗外壁12和聚焦保形侧窗外壁22的面型参数进一步优化，优化的结果如表1所示，此时准直保形侧窗1和聚焦保形侧窗2能够达到最佳的校正效果，此时准直保形侧窗外壁12和聚焦保形侧窗外壁22的面型为最高四阶的XY多项式自由曲面，准直保形侧窗内壁11和聚焦保形侧窗内壁21的面型为具有相反曲率值的圆柱面。
表1保形侧窗系统优化面型参数
在式(1)的基础上，根据表1中优化后的面型参数，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域3底面的圆心为原点，准直保形侧窗内壁11和聚焦保形侧窗内壁21的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，x为垂直纸面方向的坐标变量，y为平行纸面方向的坐标变量，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
本实施例中的光源系统包括沿光路主轴依次放置的光源4和狭缝5，光源4采用二极管光源，二极管光源发出的圆形高斯光束经过狭缝5的孔径限制作用作为出射光发出。
本实施例中，为实现纹影仪系统整体结构的紧凑性，通过参数优化二极管光源的高斯光束发散角和准直保形侧窗的位置，如图3所示，优化后二极管光源输出波长为532nm且发散角5°的圆形高斯光束，且光源4与准直保形侧窗外壁12的距离为100mm。
本实施例中的成像系统包括沿光路主轴放置的刀口6、成像物镜7和相机8，刀口6设置于聚焦保形侧窗2的焦点，聚焦保形侧窗2将平行光聚焦在在刀口6的位置对光源成像。为实现纹影仪系统整体敏感度的提升，本实施例的聚焦保形侧窗2的等效焦距应在系统参数限制的可接受范围内选取一个比较大的值，并以此来设置刀口6与聚焦保形侧窗外壁22的相对位置。
图4为按照表1参数，通过光学追迹软件模拟的光学波像差图，像面位于扰流区域3底面的圆心位置，得到准直以后的光束波前像差RMS值为0.0212λ，小于四分之一波长，满足实际的应用需求。
如图2所示，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域3底面的圆心为坐标原点，本实施例中在扰流区域3附近分别设置位置面A1、A2、A3和A4，A1为距离扰流区域3底面圆心(原点)z负方向20mm面，A2为过扰流区域3底面圆心(原点)位置面，A3为距离扰流区域3底面圆心(原点)z正方向20mm面，A4为准直保形侧窗1左侧，距离距离扰流区域3底面圆心(原点)z负方向60mm面。图5至图8分别为光线通过位置面A1、A2、A3和A4时的光强分布示意图，如图2所示高斯光束从光源4处发出，光斑半径不断变大，如图8所示，呈现出典型的圆形的高斯光束形态，高斯光斑半径为7.0mm。之后通过准直保形侧窗1的准直效果以后，在图5、图6、图7中所示，其对应的X向和Y向的光强归一化后的截止半径保持8.9mm和7.4mm大小不变，光斑形态相同。
通过光学追迹软件模拟在仿真的面型参数下，光线通过准直保形侧窗1前后A1、A2、A3和A4四个位置处的光照强度的分布情况可知，光束通过准直保形侧窗1后的光斑截止半径保持一致，光强归一化后的光斑形态保持不变，起到了良好的准直效果，从而能够实现纹影仪系统对扰流区域3的密度变化进行精确成像，实现了本发明保形侧窗结构集成式纹影仪观测扰流区域的目的。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，包括依次设置的光源系统、保形侧窗系统和成像系统，所述保形侧窗系统包括沿光路主轴布置的准直保形侧窗(1)和聚焦保形侧窗(2)，所述准直保形侧窗(1)和聚焦保形侧窗(2)相对布置，所述准直保形侧窗(1)和聚焦保形侧窗(2)之间设有圆柱形的扰流区域(3)，所述准直保形侧窗内壁(11)和聚焦保形侧窗内壁(21)分别贴合扰流区域(3)的侧面，所述准直保形侧窗外壁(12)和聚焦保形侧窗外壁(22)分别为XY多项式自由曲面，使得光源系统的出射光经过准直保形侧窗(1)后以平行光路通过扰流区域(3)，并通过聚焦保形侧窗(2)汇聚后进入成像系统。
2.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域(3)底面的圆心为原点，准直保形侧窗外壁(12)和聚焦保形侧窗外壁(22)的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，k为二次曲面系数，x为垂直光轴方向的扰流区域轴向坐标变量，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，A，B，C，D，E分别为项系数，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
3.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，沿光路经过的保形侧窗系统面型带来的波前像差小于四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，所述准直保形侧窗内壁(11)和聚焦保形侧窗内壁(21)为圆柱面，以光线传播方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域(3)底面的圆心为原点，准直保形侧窗内壁(11)和聚焦保形侧窗内壁(21)的面型结构函数表达式如下：
上式中，z为面型数值，c为面型的曲率值，x为垂直纸面方向的坐标变量，y为平行纸面方向的坐标变量，L为面型顶点在z向关于原点的偏离量。
5.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，所述光源系统包括沿光路主轴依次放置的光源(4)和狭缝(5)，所述光源(4)采用二极管光源，输出波长为532nm且发散角5°的圆形高斯光束。
6.根据权利要求5所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，所述光源(4)与准直保形侧窗外壁(12)的距离为100mm。
7.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，所述成像系统包括沿光路主轴放置的刀口(6)、成像物镜(7)和相机(8)，所述刀口(6)设置于聚焦保形侧窗(2)的焦点。
8.根据权利要求1所述的保形侧窗结构集成式纹影仪，其特征在于，所述准直保形侧窗(1)和聚焦保形侧窗(2)分别采用K9玻璃材质，并进行退火处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210420 |