CN112945513A - 基于四波剪切干涉仪的风洞试验段空气密度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，旨在提供一种新的光学系统，这种光学系统可以测量获得风洞试验段流场空气密度分布图像。采用①脉冲激光器作为光源，激光经过②扩束系统准直变为平行光；光线传播经过③光学窗口1进入风洞内部并穿过待测流场，光线经④光学窗口2射出进入⑤缩束系统；光线经⑥MHM(衍射光学元件)产生干涉条纹，控制⑧CCD探测器进行曝光记录干涉条纹，以达到测量风洞试验段流场在此投影方向上的波前相位分布；最后通过旋转试验段模型来获得多个投影方向的波前相位分布，使用三维层析技术重构试验段流场三维分布。本发明可以实现对风洞试验段流场的三维结构，从而测量流场密度分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的风洞内部空气密度测量系统，具体涉及一种基于四波剪切干涉仪的风洞试验段空气密度测量系统。
背景技术
风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分，它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法，流动条件容易控制。实验时，常将模型或实物固定在风洞试验段中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据。本发明设计了一种新的风洞内部空气密度测量系统，这样保证了高精度的测量得到风洞内部空气密度分布信息。
现有的风洞流场测量的技术主要有纹影技术，但是仍存在如下几个问题：
1、纹影技术对整个测试光路中流场信息进行积分显示，对于具有复杂气动外形模型而言，无法将人们感兴趣的区域与流场的其他区域区分开；
2、因为流场内空气密度变化造成光线偏折，从而在像面观察到流场形状的变化，而这仍然只是“定性”的测量，无法做到“定量”的测量。
发明内容
本发明提供了一种新的风洞内部空气密度测量装置及方法，以解决现有的风洞内部由于气体流速过快，空气密度难以使用接触式手段测量，从而获得风洞内实验目标的空气动力学信息。本发明设计了一种新的风洞内部空气密度测量系统，使用非接触式手段测量风洞内部空气密度信息，保证了测量的简便性和高精度的特点。
本发明采用的技术方案如下：
采用脉冲激光器作为光源，激光经过扩束系统准直变为平行光；光线传播经过光学窗口进入风洞内部并穿过待测流场，光线经光学窗口射出进入缩束系统；光线经衍射光学元件产生干涉条纹，控制CCD探测器进行曝光记录干涉条纹，以达到测量风洞试验段流场在此投影方向上的波前相位分布；最后通过旋转试验段模型来获得多个投影方向的波前相位分布，使用三维层析技术重构试验段流场三维分布。
本发明的有益效果：
1、本发明采用ns量级脉宽的脉冲激光器作为光源，从而使对待测流场的探测积分时间与脉冲脉宽时间相同，可以满足流场快速变化的测量要求，获得流场的瞬态结构。
2、本发明使用的四波横向剪切干涉仪，由衍射光学元件和CCD探测器组成，其中MHM采用激光直写结合离子束刻蚀工艺加工制成，具有结构简单的特点，成本较低，易于实现批量化生产。
3、本发明可以实现高动态范围，高分辨率以及高灵敏度的密度测量。
附图说明
图1为本发明光学系统示意图；
图2为衍射光学元件的设计原理图；
图3为三维投影重建图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施和附图对本发明做进一步的对本发明进行详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过以下技术方案予以实现：采用脉冲激光器作为光源，激光经过扩束系统准直变为平行光；光线传播经过光学窗口进入风洞内部并穿过待测流场，光线经光学窗口射出进入缩束系统；光线经衍射光学元件产生干涉条纹，控制CCD探测器进行曝光记录干涉条纹，以达到测量风洞试验段流场在此投影方向上的波前相位分布；最后通过旋转试验段模型来获得多个投影方向的波前相位分布，使用三维层析技术重构试验段流场三维分布。
将获得的不同投影方向的波前相位分布，使用代数重构算法(ART)进行三维层析重构，采用如下的公式，离散网格模型建立示意图如图3所示：
其中pi为某一方向上的投影数据，wij表示第i条光线在第j个网格中闯过的路程，也称权重因子，对于射线没有穿过的网格对应的权重因子为0，fj为第j个网格的函数值。
采用迭代的方式对上述方程进行求解，即可重构出三维分布。迭代公式如下：
其中
为第i条方程迭代计算后得到的近似解，而
为该方程的权重因子法向量。
通过迭代求解得到待测流场的三维折射率分布后，由盖斯定律：
n-1＝Kp
其中n为流场折射率，K为格拉斯通常数，p为流场密度，从而可以建立流场折射率分布与密度分布之间的关系。
Claims (9)
1.基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：此系统由脉冲激光器、扩束系统、光学窗口1、光学窗口2、缩束系统、衍射光学元件、CCD探测器组成。
2.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述脉冲激光器的脉冲宽度小于等于ns量级。
3.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述的扩束系统由两个透镜组成的无焦系统，即两个透镜的光学焦点重合，并且靠近光学窗口的透镜尺寸大于待测流场区域尺寸。
4.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述的缩束系统由两个透镜组成，并且靠近衍射光学元件的透镜尺寸比衍射光学元件的尺寸小。
5.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述的脉冲激光器的工作波长与衍射光学元件的工作波长一致。
6.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述的衍射光学元件为棋盘型相位光栅，采用激光直写结合离子束刻蚀工艺加工制成。
7.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：所述的衍射光学元件的原理为四波前横向剪切干涉技术，待测光经过MHM后被分成四支子光束，使其在自由空间传播一段距离后，在CCD探测器像面上产生干涉，使四支参与干涉用的衍射光能量最大化，抑制除了一级以外的其他衍射级次，从而得到某一投影方向上的风洞试验段流场波前梯度信息的干涉图。
8.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：通过使用基于傅里叶变换的相位梯度提取与相位重建步骤，将干涉图像复原成为波前畸变信息，进而使用折射定律获得风洞内部空气密度分布信息。
9.根据权利要求1所述的基于四波剪切干涉仪的风洞试验段流场空气密度测量系统，其特征在于：通过旋转试验段内模型，得到多个投影角度方向上的波前相位分布，使用三维层析技术可以重构流场的三维分布，测量出流场的密度分布。
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