CN112802144A - 广角visar物面重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广角VISAR物面重构方法，包括以球形靶面中心为原点，建立空间直角坐标系；建立由球形靶面上任意一物点向靶面球心附近发出的光线与椭球镜表面交点的位置方程，以及所述交点的椭球面方程，获得参数表示的交点坐标；依据所获取的交点坐标，以及反射光线的方向向量，建立所述反射光线的参数方程，获得反射光线与二维平面交点的集合；选取像质评价函数由所述集合获得物点对应的像点。本发明通过选取像质评价函数，并建立像点坐标追踪算法，同时充分考虑了不同类型工程误差对像面形状的影响，实现了物像坐标的精确对应，最终减弱甚至消除了激光聚变中广角VISAR像面变形导致的靶面冲击波速度表信息追踪困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种广角VISAR物面重构方法。
背景技术
在激光聚变中，通常使用任意反射面速度干涉仪(VISAR)作为冲击波探测的工具。在VISAR中，从冲击波阵面反射回的探针光由于光学多普勒效应频率发生改变，被成像系统收集后进入干涉仪，频率信息以干涉条纹的形式输出到条纹相机上；条纹相机扫描视场中的光强变化，并转接到检测器(一般为CCD)上进行记录，通过读取记录图样中的条纹移动可获得冲击波的速度信息，这些信息可广泛用于高压状态方程、脉冲整形、冲击波作用下的材料特性、冲击波预热及辐射温度测量等研究领域。
经典的VISAR技术应用大多局限于多点、线或平面的采样，较少应用于激光聚变内爆过程中冲击波的宽角度、高时空分辨诊断。近年来，广角VISAR技术被提出，例如公开号为CN106199038A的专利文献，其公开了一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，通过在激光聚变靶丸中设置椭球面反射镜后，实现了探测界面和VISAR探针光路的转接，表观上将3维球面的内爆冲击压缩转换成二维的平面压缩过程并记录，解决了传统冲击波探测由于取样局限难以用于三维对称性诊断的问题，为汇聚型流体力学诊断提供了新方法。该技术在神光III原型装置上被成功验证，获得了广角的动态冲击波速度干涉条纹。
在VISAR记录图样中，像面反应靶丸位置信息，条纹数据反应速度信息，两种信息同时被条纹相机进行了记录，一般只要像面与靶面具有明确的位置对应关系，就可以根据记录的条纹图样获得靶面各处位置的速度信息。在经典的VISAR测量中靶面与像面就具有明确的对应关系，而在广角VISAR中，由于椭球镜面的使用，存在像面弯曲变形，使得条纹相机记录图像不能直观反映靶面变化，导致靶面冲击波速度信息追踪困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种广角VISAR物面重构方法，通过建立像点坐标追踪算法，实现了物像坐标的精确对应，以解决由于广角VISAR像面变形导致的靶面冲击波速度信息追踪困难的技术问题。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种广角VISAR物面重构方法，包括以球形靶面中心为原点，建立空间直角坐标系；建立由球形靶面上任意一物点
向靶面球心O附近发出的光线与椭球镜表面交点P(x0,y0,z0)的位置方程，以及所述交点P(x0,y0,z0)的椭球面方程，并联立求解，获得参数表示的交点坐标；依据所获取的交点坐标，以及光线经该交点后反射光线的方向向量(c1,c2,c3)，建立所述反射光线的参数方程，并将靶面范围内各点代入该方程求解，获得反射光线与二维平面交点的集合；选取像质评价函数由所述集合获得物点对应的像点。
采用以上方法，通过建立像点坐标追踪算法，实现了物像坐标的精确对应，使得广角VISAR在像面变形后仍可实现靶面冲击波速度信息的追踪。
作为优选，所述交点P(x0,y0,z0)的位置方程为：
椭球面方程为：
所述反射光线的方向向量(c1,c2,c3)满足
其中，R是靶面到空间直角坐标系原点的距离，为常数，θ是OB在xy平面上的投影与X轴的夹角，
是OB与z轴的夹角，δθ，
是发射光线相对于OB的角度偏移，k，m是广角VISAR中决定椭球镜形状及大小的参数，t为中间变量；
反射光线的参数方程为：
作为优选，所述反射光线与二维平面交点为反射光线与xz平面的交点，通过将不同数值的y代入反射光线的参数方程求得，且仅记录满足设定条件的交点，该设定条件由收光立体角和计算算力确定，以提高运算效率及结果的准确性。
作为优选，当所述椭球镜出现相对位移、角度偏转和形变时，需要对工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)依次进行变形、偏转、平移，以变换为理想情况下椭球面方程坐标(x,y,z)，从而在存在工程误差的情况下实现像面坐标的追踪。
作为优选，工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)偏转通过分别绕x,y,z轴变换角度(α,β,γ)实现，将以下公式依次代入所述椭球面方程中，每一步产生的(xs,ys,zs)作为下一步代入时的(x,y,z)
为实现工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)的平移，该平移通过将位移量(Δx,Δy,Δz)引入所述椭球面方程中运算实现，其中，
为方便运算并确保像点追踪结构的准确性，所述像质评价函数优选为点阵图或波像差。
有益效果：
采用本发明提供的广角VISAR物面重构方法，通过选取像质评价函数，并建立像点坐标追踪算法，同时充分考虑了不同类型工程误差对像面形状的影响，实现了物像坐标的精确对应，最终减弱甚至消除了激光聚变中广角VISAR像面变形导致的靶面冲击波速度表信息追踪困难的问题。
附图说明
图1为广角VISAR靶面物像关系分析简图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一种广角VISAR物面重构方法，在广角探测过程中，由于椭球镜的引入，探测面首先成虚像在椭球面附近，然后经过成像系统、干涉仪系统传递到条纹相机。由于成像系统景深原因，可以认为在后续的VISAR装置中多次成像干涉期间，像面只是经历倍率的放大缩小，而形状的变化可忽略。那么第一次像面各位置点坐标的确定显得十分重要，像面坐标追踪算法如下：
如图1所示，球形靶面1一侧设有诊断口3，其内部安装有椭球形结构的椭球镜2。
首先，以球形靶面1中心为原点，建立空间直角坐标系，其中，y轴沿着椭球镜2的长轴方向设置，为方便观察，图中仅作出了广角VISAR探测靶的yz界面简图，。
自球面上任意一点的坐标位置，即物点
向球心O附近发出一束光线，该光线的方向向量为
与椭球面的交点P(x0,y0,z0)满足：
其中，R是靶面到原点的距离，对于球壳靶，可以认作是常数；θ是OB在xy平面上的投影与X轴的夹角，
是OB与z轴的夹角，δθ，
是发射光线相对于BO的角度偏移，由于收光立体角限制并基于减少计算量的考虑，可设置
0.04为经验数值，也可综合考虑系统收光立体角与计算算力情况设置。
同时，P(x0,y0,z0)还应满足椭球面方程：
该椭球面方程的证明及推导过程可参照专利号ZL201610483038.8，名称为“激光聚变靶丸物态信息立体测量系统”的发明专利说明书第【0064】至【0087】段所记载的内容。
将该公式(2)展开，可写作：
式中，k，m是广角VISAR中决定椭球镜形状及大小的参数。t以及a1,a2…a7是方便计算的中间变量。
联立公式(1)(3)可以求得参数表示的P(x0(θ,φ,δθ,δφ),y0(θ,φ,δθ,δφ),z0(θ,φ,δθ,δφ)),这里需要说明的是，解方程会出现两组解，仅保留与B点各坐标分别同号的解即可，其余解不具有物理意义需舍弃。
从椭球面上反射光线的方向向量(c1,c2,c3)满足：
其中，
表示函数P(x,y,z)在(x0,y0,z0)处的偏导数，满足：
反射光线的参数方程为：
y取不同数值，其在xz平面上有唯一交点(b1,b2,b3)，选定合适的δθ，
步长，将满足
的所有交点记录下来，再选择合适的像质评价函数，例如点列图、波像差等，此时物点
对应像点
便可以唯一确定，其中
是像点坐标取值，(δ1,δ2,δ3)是像点分别在x,y,z方向上的空间分辨。
当存在工程误差时，计算仍以靶丸球心为原点，此时发生改变的主要是椭球面的表达式。工程误差分为装配误差和加工误差，其中装配误差可表现为对椭球面方程中的坐标进行变换，加工误差可表现为对椭球面方程坐标系数进行调整。若定义(x,y,z)是理想情况下椭球面的方程坐标，(xs,ys,zs)是出现装配误差时纳入像面坐标计算的椭球面方程坐标，ms，ks是出现加工误差时表示椭球面形状与大小的参数，对于以下工程误差情况：
1、椭球面出现相对位置的平移(Δx,Δy,Δz)，则
将公式(7)带入(2)中，后续像点坐标追踪计算流程不变。
2、椭球面相对于标准情况出现角度偏转，分别绕x，y，z轴变换(α,β,γ)可以回到标准情况的位置，则
将公式(8)、(9)、(10)依次代入(2)中，每一步产生的(xs,ys,zs)作为下一步代入时的(x,y,z)，后续像点坐标追踪计算流程不变。
3、椭球面出现变形时，若仍用椭球面方程拟合形变，只需要将公式(3)中的k，m替换为ks，ms即可；若形变可以使用新的二次曲面方程拟合，则更换P(x,y,z)＝0的函数表达形式，后续像点坐标的追踪计算流程不变。
需要说明的是，若同时出现平移、偏转与形变，需先对形变进行拟合，再旋转，最后平移，每一步产生的(xs,ys,zs)作为下一步代入时的(x,y,z)，直到变换终止，后续像点坐标的追踪流程不变。
此外，加工误差还包括粗糙度，但由于粗糙度主要影响像面功率，对于像面形状影响很小，在像面坐标追踪时可以忽略。
通过以上步骤，可以获得存在工程误差的情况下，靶面上任意物点
对应的像点坐标
对于给定参数的广角VISAR靶，通过以上像点坐标的追踪方法，对靶面各点进行遍历计算，可以得到由于各类工程误差引起的像面变化图谱，也可以得到单一误差对像面形状的特征影响特点。这些图谱以及特征变化可作为实验中标定物像关系的依据。
进行一定的光路设计后，传统的光学软件如Zemax可对上述算法的单一过程进行验证，但该类软件无法替代以上工作。传统的光学软件一般需要人工定义采样位置，并预先规定像质评价函数，无法遍历输出靶面具体位置对应的像点坐标和分辨率。而该算法能实现这项功能，即输出成像范围内所有的
最终实现减弱甚至消除激光聚变中广角VISAR像面变形导致的靶面冲击波速度信息追踪困难的问题。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种广角VISAR物面重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
以球形靶面中心为原点，建立空间直角坐标系；
建立由球形靶面上任意一物点
向靶面球心O附近发出的光线与椭球镜表面交点P(x0,y0,z0)的位置方程，以及所述交点P(x0,y0,z0)的椭球面方程，并联立求解，获得参数表示的交点坐标；
依据所获取的交点坐标，以及光线经该交点后反射光线的方向向量(c1,c2,c3)，建立所述反射光线的参数方程，并将靶面范围内各点代入该方程求解，获得反射光线与二维平面交点的集合；
选取像质评价函数由所述集合获得物点对应的像点。
2.根据权利要求1所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述交点P(x0,y0,z0)的位置方程为：
椭球面方程为：
所述反射光线的方向向量(c1,c2,c3)满足
其中，R是靶面到空间直角坐标系原点的距离，为常数，θ是OB在xy平面上的投影与X轴的夹角，
是OB与z轴的夹角，δθ，
是发射光线相对于OB的角度偏移，k，m是广角VISAR中决定椭球镜形状及大小的参数，t为中间变量；
反射光线的参数方程为：
3.根据权利要求2所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述反射光线与二维平面交点为反射光线与xz平面的交点，通过将不同数值的y代入反射光线的参数方程求得，且仅记录满足设定条件的交点，该设定条件由收光立体角和计算算力确定。
4.根据权利要求2所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：当所述椭球镜出现相对位移、角度偏转和形变时，需要对工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)依次进行变形、偏转、平移，以变换为理想情况下椭球面方程坐标(x,y,z)。
5.根据权利要求4所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)通过将参数k，m替换为出现加工误差时表示椭球球形状与大小的参数ks，ms，利用椭球面方程拟合形变，或使用新的二次曲面方程拟合形变。
6.根据权利要求4所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)偏转通过分别绕x,y,z轴变换角度(α,β,γ)实现，将以下公式依次代入所述椭球面方程中，每一步产生的(xs,ys,zs)作为下一步代入时的(x,y,z)
7.根据权利要求4所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述工程误差下的像面坐标(xs,ys,zs)的平移通过将位移量(Δx,Δy,Δz)引入所述椭球面方程中运算实现，其中，
8.根据权利要求1至7中任一项所述的广角VISAR物面重构方法，其特征在于：所述像质评价函数为点阵图或波像差。
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| GR01 | Patent grant | ||
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