CN114353697B - 一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法，解决现有烧蚀形貌的检测手段，存在或检测精度低，或易受干扰，或无法实时测量的问题。方法包括步骤1)使用脉冲激光器发射脉冲激光；柱面镜和扫描振镜对脉冲激光调制为入射片光源；使用偏振分束镜对入射片光源进行偏振选择；使用1/4波片对偏振选择后的入射片光源进行调制；2)采用1/4波片对反射光进行调制；经调制的反射光透过偏振分束镜；使用窄带滤波片对反射光进行滤波；3)对发射的每一个脉冲激光，相机接收滤波后的反射光进行扫描成像，共获得N张图像信息；4)根据每一张图像中条纹与基准条纹间位移量反演推算被测结构的深度信息，利用深度信息反演重构获得被测结构的完整深度图像。

Description

一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法

技术领域

本发明涉及烧蚀情况下的结构形貌测量技术，具体涉及一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法。

背景技术

火箭头罩、返回舱等航空航天器飞行过程存在高速穿越大气层的恶劣工况，其整流罩、头帽、鼻锥等热防护构件在气流冲刷下会发生烧蚀；因此，对结构在高速气流作用下的烧蚀行为进行检测，是开展热结构设计的一项重要工作。

目前，一般采用标准结构件作为测试对象，采用氧乙炔烧蚀(GJB 323-87)、高温风洞模拟等地面验证手段进行烧蚀工况的加载；针对烧蚀形貌的检测手段，通常分为间接法、直接法两大类。

间接法以埋入热电偶检测温度场、粘贴超声阵列检测导波信号为主，需要在被测事件上进行相关操作，并通过信号分析反演确定等效烧蚀率等性能以及局部烧蚀推移特性，该方法动态响应性能良好，但形貌检测精度较低；比如McWhorter设计了一种烧蚀电位计装置用于实时测量绝热层的烧蚀^[1](McWhorter B B,et al.An instrument for realtime measurement of solid rocket motor insulation erosion,AIAA 99-2136)，还利用在绝热层中埋设热电偶的方法实时测量航天飞机助推发动机后封头绝热层动态烧蚀过程^[2](McWhorter B B,et al.Real-time measurements of aft dome insulationerosion on space shuttle reusable solid rocket motor,AIAA 2004-3896)。以及文献利用热电偶法和烧蚀电位计法^[3,4](McWhorter B B,et al.Real-time inhibitorrecession measurements in the space shuttle reusable solidrocket motors,AIAA2003-5107；McWhorter B B,et al.Real-time inhibitor recession measurementsin two space shuttle reusable solid rocket motors,AIAA2001-3280)，获得航天飞机助推发动机中分段装药各段间阻燃层的烧蚀界面退移序列。

直接法采用可见光直接成像、激光飞行时间检测等原理，检测精度高但易受到自发光、烧蚀产物等影响。北京空气动力学研究所俞继军等利用表面粗糙度测量仪对C/C复合材料烧蚀后的试样表面形貌进行了分析和测量^[5](俞继军等.C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析,宇航材料工艺,2003,1:36-39)。西北工业大学王希亮等采用X射线实时荧屏分析技术(RTR)，实现了发动机内绝热层烧蚀率的实时轮廓测量^[6](王希亮等.基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验,固体火箭技术,2006,29(5):384-386,390)。中国航天空气动力技术研究院陈丁等针对电弧风洞试验时模型烧蚀形貌实时的变化问题，使用数字散斑相关结合双目视觉的方法^[7]在实验室通过10秒钟采集一幅图像得到了模型烧蚀过程的形貌变化历程(孙翔宇等.绝热材料动态烧蚀试验方法,推进技术,2011,32(4):597-600)。

上述直接测量方案中：传统的粗糙度测试方法通过对比、分析烧蚀前后的表面形貌，以及获取线烧蚀量和质量损失等信息，进而分析材料的氧化烧蚀机理，评估其高温热、力性能；X射线只能获取大致轮廓，不能对烧蚀试件的表面进行实时、精细的测量。以及离线、不连续的测试表征手段获取的数据量十分有限，且不能实现对材料、结构在考核环境中的演化、失效过程的实时跟踪观测，更无法获取应力、应变场和温度场等关键信息。

随着航空航天器热结构设计的精益化发展，迫切需要设计针对烧蚀形貌在线、实时的测量方法，为高温风洞、氧乙炔烧蚀等试验过程中热结构烧蚀等复杂热力学行为研究提供基础数据。

发明内容

为了解决现有烧蚀形貌的检测手段，存在或检测精度低，或易受到自发光、烧蚀产物的干扰，或无法实时精细测量的技术问题，本发明提供了一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)脉冲激光的调制与入射

1.1)使用脉冲激光器发射脉宽10ps-100ps的脉冲，单脉冲能量为1μJ-1mJ，波长为380nm-780nm，脉冲周期T满足：1ms≤T≤2ms，记脉冲激光器发射的脉冲激光为Mi，其中，i＝1,2,……N，N为大于等于2的整数；

1.2)使用柱面镜和扫描振镜对每一个脉冲激光Mi进行调制，将脉冲激光调制为入射片光源，用于对被测结构进行线扫描；

其中，脉冲激光器每发射一个脉冲，扫描振镜扫描一次；

1.3)使用偏振分束镜对入射片光源进行偏振选择；

1.4)使用1/4波片对偏振选择后的入射片光源进行方向调制，调制角度为45度；

2)反射光的调制

2.1)采用步骤1.4)的1/4波片对经被测结构表面反射回的反射光进行偏振方向调制，调制角度为45度；

2.2)经过调制的反射光透过步骤1.3)的偏振分束镜；

2.3)使用窄带滤波片对透过偏振分束镜的反射光进行滤波；

3)接收成像

对于发射的每一个脉冲激光Mi，使用相机接收步骤2.3)滤波后的反射光，进行扫描成像，将光电子包含的目标距离信息通过显示在荧光屏上的条纹区分出来，共获得N张图像信息；

4)数据处理

4.1)根据步骤3)所获每一张图像中条纹与基准条纹间位移量Δt反演推算被测结构的深度信息d，d计算公式如下：

其中，c表示光速；

4.2)利用N张图像的深度信息反演重构，获得被测结构的完整深度图像。

进一步地，步骤2.3)中，窄带滤波片的选择具体如下：

对于采用酚醛树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为380nm-460nm的窄带滤波片；

对于采用环氧树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为440nm-500nm的窄带滤波片；

对于采用碳陶类材料制成的被测结构，选择带通范围为485nm-565nm的窄带滤波片。

进一步地，步骤3)中，相机采用条纹相机，帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm。

进一步地，步骤1.1)中，在脉冲激光器发射脉冲激光的同时，使用同步控制模块触发相机运行。

进一步地，步骤1.2)中，扫描振镜为平行设置的两个。

进一步地，步骤1.2)中，柱面镜为2个，分别为脉冲激光器出射方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用皮秒脉冲激光器作为激光光源，可以透过烟雾以及掩蔽干扰，并通过窄带滤波片对反射光进行滤波，滤除部分背景杂光干扰，再通过条纹相机进行超快成像，避免现有背景干扰过大而无法拍摄的问题。

2、本发明采用帧频为500fps-100fps的条纹相机进行连续扫描成像，每秒可获得5张完整的结构形貌图像，实现长时间快速观测。

3、本发明基于飞行时间测距原理，采用精密同步控制技术(同步控制模块)对脉冲激光与相机之间进行皮秒级同步控制，使用相机进行同步拍摄，相机的时间分辨率为2ps，实现被测结构表面烧蚀形貌三维高精确测量。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明针对航空航天器头帽等部件在高温风洞、氧乙炔烧蚀等模拟试验过程中的烧蚀形貌动态检测问题，基于激光飞行时间测距原理，通过高时间分辨的条纹成像技术实现快速线扫描，进行烧蚀材料表面形貌的在线、实时测量。

本发明一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤1、脉冲激光的调制与入射

1.1)使用脉冲激光器发射脉宽10ps-100ps的脉冲，单脉冲能量为1μJ-1mJ，波长为380nm-780nm，脉冲周期T：1ms≤T≤2ms，记脉冲激光器发射的脉冲激光为Mi，其中，i＝1,2,……N，N为大于等于2的整数；

1.2)对每一个脉冲激光Mi使用柱面镜和扫描振镜，将脉冲激光调制形成入射片光源，用于对被测结构进行线扫描；

其中，脉冲激光器每发射一个脉冲激光，扫描振镜扫描一次，每周期T扫描一次，扫描次数共N次；

例如当扫描次数N＝100，周期T＝2ms，则扫描完被测结构需要的时间为t1＝N×T＝0.2s；

本实施例柱面镜为2个，分别为脉冲激光器出射方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜；扫描振镜为平行设置的两个；

1.3)使用偏振分束镜对入射片光源进行偏振选择；

1.4)使用1/4波片对偏振选择后的入射片光源进行方向调制，调制角度为45度；

步骤2、反射光的调制

2.1)采用步骤1.4)的1/4波片对经被测结构表面反射回的反射光进行偏振方向调制，调制角度为45度；

2.2)经过调制的反射光透过步骤1.3)的偏振分束镜；

2.3)使用窄带滤波片对透过偏振分束镜的反射光进行滤波，对波长进行精密选择；

其中，窄带滤波片的选择具体如下：

对于采用酚醛树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为380nm-460nm的窄带滤波片；

对于采用环氧树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为440nm-500nm的窄带滤波片；

对于采用碳陶类材料制成的被测结构，选择带通范围为485nm-565nm的窄带滤波片；

3)接收成像

步骤1所述脉冲激光器发射脉冲激光的同时，同步控制模块触发超快相机开始运行，精密同步控制模块可对脉冲激光与超快相机之间进行皮秒级同步控制，本实施例相机为条纹相机，相机的帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm；

对于发射的每一个脉冲激光Mi，超快相机接收步骤2.3)滤波后的所述反射光，进行扫描成像，将光电子包含的目标距离信息通过显示在荧光屏上的条纹区分出来，其时间分辨能力可达到皮秒量级，记各条纹与基准条纹间的位移量为Δt。第一个脉冲激光M1获得一张图像P1，依次对每一个脉冲进行成像，一共获得N张图像信息；

4)数据处理

4.1)根据步骤3)所获每一张图像中条纹与基准条纹间位移量Δt反演推算被测结构的深度信息d，d计算公式如下：

其中，c表示光速；

4.2)利用N张图像的深度信息反演重构，获得被测结构的完整深度图像。

本实施例通过调节扫描振镜的角度，使调制后的光源照射被测结构表面不同区域，对被测结构进行线扫描；并在窄带滤波片之前使用可调反射镜组对反射光进行折转，通过条纹相机获得多张不同照明区域的条纹图像，并对条纹图像进行重建以获得被测结构表面三维形貌深度图像，实现气动热环境下高质量的三维形变数据获取，为临近空间飞行器防热系统设计提供技术支撑。

本实施例测量方法解决结构在复杂试验环境下的在线观测问题，并具有以下特点：

1)避免烧蚀过程的气相、固相产物掩蔽干扰

航空航天器的头帽等热结构一般根据工作温度范围及环境介质类型，选用酚醛树脂类材料、环氧树脂类材料、碳陶类材料等制成；由于其分解温度、分解机理、化学组分等差异较大，本实施例针对典型的酚醛树脂类材料、环氧树脂类材料、碳陶类材料，综合考虑气相固相产物的形貌、温度、团聚情况等差异，以及产物溢出带来的掩蔽干扰问题，采用皮秒脉冲激光器作为激光光源，所选择的波长可以透过烟雾以及掩蔽干扰，并通过窄带滤波片对反射光进行滤波，滤除部分背景杂光干扰，再通过条纹相机进行超快成像，避免现有背景干扰过大(气相、固相产物掩蔽)无法拍摄的问题。

2)针对烧蚀过程的连续动态特性，实现的长时间快速观测

航空航天器的头帽等热结构的烧蚀过程存在百秒级长时维持以及高Ma数来流等连续动态特征，典型工况下烧蚀面的每秒推移量达到mm级，其烧蚀形貌的测量应具备长时间尺度内的快速观测能力，以支撑烧蚀量的精准计算。本实施例采用帧频为500fps-100fps的条纹相机进行连续扫描成像，可解决长时间观测问题，且每秒可获得5张完整的结构形貌图像，实现长时间快速观测。

3)针对烧蚀形貌的空间分布差异，实现三维高精度观测

航空航天器的头帽等热结构普遍采用多向复合的成型工艺，细观尺度上表现为微米级颗粒填充或纤维增强，具有强烈的物理强间断和几何非连续特性，导致烧蚀部位的整体推移伴随有亚毫米级的点蚀、局部脱落等现象，其观测方法应具备覆盖空间分布差异的三维高精度能力。本实施例基于飞行时间测距原理，采用精密同步控制技术对脉冲激光与超快相机之间进行皮秒级同步控制，使用条纹相机进行同步拍摄，相机的时间分辨率为2ps，因此，根据公式

计算得其精度可达0.3mm，可实现被测结构烧蚀形貌三维高精确测量。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)脉冲激光的调制与入射

1.1)使用脉冲激光器发射脉宽10ps-100ps的脉冲，单脉冲能量为1μJ-1mJ，波长为380nm-780nm，脉冲周期T满足：1ms≤T≤2ms，记脉冲激光器发射的脉冲激光为Mi，其中，i＝1,2,……N，N为大于等于2的整数；

1.2)使用柱面镜和扫描振镜对每一个脉冲激光Mi进行调制，将脉冲激光调制为入射片光源，用于对被测结构进行线扫描；

其中，脉冲激光器每发射一个脉冲，扫描振镜扫描一次；

1.3)使用偏振分束镜对入射片光源进行偏振选择；

1.4)使用1/4波片对偏振选择后的入射片光源进行方向调制，调制角度为45度；

2)反射光的调制

2.1)采用步骤1.4)的1/4波片对经被测结构表面反射回的反射光进行偏振方向调制，调制角度为45度；

2.2)经过调制的反射光透过步骤1.3)的偏振分束镜；

2.3)使用窄带滤波片对透过偏振分束镜的反射光进行滤波；

3)接收成像

对于发射的每一个脉冲激光Mi，使用相机接收步骤2.3)滤波后的反射光，进行扫描成像，将光电子包含的目标距离信息通过显示在荧光屏上的条纹区分出来，共获得N张图像信息；

4)数据处理

4.1)根据每一张图像中条纹与基准条纹间位移量Δt反演推算被测结构的深度信息d，d计算公式如下：

其中，c表示光速；

4.2)利用N张图像的深度信息反演重构，获得被测结构的完整深度图像。

2.根据权利要求1所述烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于：步骤2.3)中，窄带滤波片的选择具体如下：

对于采用酚醛树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为380nm-460nm的窄带滤波片；

对于采用环氧树脂类材料制成的被测结构，选择带通范围为440nm-500nm的窄带滤波片；

对于采用碳陶类材料制成的被测结构，选择带通范围为485nm-565nm的窄带滤波片。

3.根据权利要求1所述烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于：步骤3)中，相机采用条纹相机，帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm。

4.根据权利要求1至3任一所述烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于：步骤1.1)中，在脉冲激光器发射脉冲激光的同时，使用同步控制模块触发相机运行。

5.根据权利要求1所述烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于：步骤1.2)中，扫描振镜为平行设置的两个。

6.根据权利要求1所述烧蚀过程结构表面形貌测量方法，其特征在于：步骤1.2)中，柱面镜为2个，分别为脉冲激光器出射方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜。