CN115389463A - 用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，可用于纳秒量级时间分辨率和微米量级空间分辨率的流场测量。本发明提出了连续光源与脉冲光源联用的技术，结合分幅多帧高速摄影技术和皮秒时间量级的时序同步控制方法将时间分辨率提高至纳秒量级；同时，本发明提出了减小纹影系统像差的方法和小景深小视场纹影系统设计方法，发展了光源整形收束技术，并给出了优选的布局方式和高品质光路的调节方法，将空间分辨率至微米量级。该系统可广泛应用于微尺度高速非定常流动特性诊断，具有重要价值。

Description

用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种纳秒量级时间分辨率、微米量级空间分辨率的纹影系统及设计方法，用于微尺度高速复杂流场特性诊断。

背景技术

纹影是传统的光学测量技术，它基于流场密度变化引起光线折射率变化的基本原理，对流场进行非接触式光学成像，广泛应用于实验流体力学研究。随着实验器件水平的提高，纹影测量技术取得了长足的进步，然而针对一些特殊的应用场景，仍显不足，例如：微纳卫星是当今世界航天领域的热点研究方向，为微纳卫星寻求一种高比冲、小体积、小质量的微推进技术迫在眉睫，其中激光微烧蚀靶材产生反冲量的推进技术备受关注，激光微烧蚀靶材产生的羽流具有烧蚀尺度小(μm尺度)、喷射速度快(1000m/s以上)、非定常(流动特性变化快)的特点，为研究羽流特性及其演化过程，纹影测量系统必须满足纳秒量级时间分辨率、微米量级空间分辨率的要求。纳秒量级时间分辨率既要求单帧照片的曝光时间达到纳秒量级，也要求跨帧时间为纳秒量级，微米量级空间分辨率要求纹影照片在1毫米的长度内能够清晰识别超过100个黑白线对，这些要求挑战了纹影测量技术水平的极限。根据文献检索和查阅结果可知，目前尚未有能够同时满足这两项要求的纹影技术报道，更未见能够同时达到这两项要求的纹影实验照片。

发明内容

鉴于此，本申请提出了一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，利用连续光源与脉冲光源联用装置、分幅多帧高速摄影技术、皮秒时间量级的时序同步控制方法，将纹影系统的时间分辨率提高至纳秒量级。该发明极大提高了纹影系统的时间和空间分辨率，并通过实验证实了该方法的可行性和先进性，在微尺度快速非定常流场特性测量领域具有重要应用价值。本申请的纹影系统具体结构如下：

一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，包括光源、第一透镜、狭缝、第二透镜、第一纹影镜、平面反射镜、第二纹影镜、刀口、聚焦透镜、高速相机、数字脉冲信号发生器、脉冲激光器、靶材和显示控制器。

所述脉冲激光器通过照射靶材产生微尺度高速复杂流场，作为纹影系统的被测流场。

光源出射的光束依次经过第一透镜、狭缝、第二透镜后照射到第一纹影镜的中心部位，经由第一纹影镜形成的平行光经被测流场区域后入射于平面反射镜，平面反射镜将平行光反射向第二纹影镜，经第二纹影镜反射的平行光一次经过刀口、聚焦透镜后成像至高速相机。所述被测流场位于第一纹影镜和平面反射镜之间。

所述数字脉冲信号发生器的时间控制精度为皮秒级，分别与光源、脉冲激光器和高速相机相连，在数字脉冲信号发生器上预设光源、脉冲激光器和高速相机的延迟时间，使得被测流场出现的同时，脉冲光源照亮被测流场，同时高速相机拍照。

所述显示控制器与高速相机连接，用于存储并显示高速相机拍摄的纹影照片。

所述第一透镜用于将光源亮度最高的发光区域成像在狭缝平面上，经过狭缝后形成一维平面光源。

进一步的，所述纹影系统为小景深小视场纹影系统，所述第一纹影镜和第二纹影镜的焦距均≥2m，被测流场的位置设置在第一纹影镜的1倍至2倍焦距之间。

进一步的，所述光源为连续、脉冲复合光源；连续光源和脉冲光源的焦斑位置重合，测量开始前光源设定为连续光源模式，用于调节光路；待光路调节完成后，光源设定为脉冲光源模式，利用脉冲光源的高亮度性照亮被测流场。

进一步的，所述系统还包括光轨，第一纹影镜和第二纹影镜的出射光严格沿光轨方向。

进一步的，所述高速相机采用分幅多帧高速摄影技术，具备多个拍照通道，每个拍照通道的最短曝光时间均能达到纳秒量级，通道之间的延迟时间能够设置为纳秒量级，使得高速相机既能够在纳秒时间尺度上冻结流场、又能在纳秒时间尺度上记录流场的变化情况。

进一步的，所述第一纹影镜和第二纹影镜都采用较大面积的纹影镜，利用纹影镜的中心区域成像，取消刀口与高速相机之间的聚焦透镜，进而减小系统球差；通过减小光束口径来减小彗差，所述第二透镜微凸透镜，经过凸透镜汇聚后的光束口径变小，光束口径能够覆盖被测流场区域即可；所述被测流场区域调整至视场中心位置，进而减小离轴距离。

进一步的，系统中各元件的中心高度一致、光线同轴，被测流场平面与光路垂直。

本发明通过以下方法实现了用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，能够实现激光微烧蚀靶材产生的羽流的测试。

S1：光源整形，利用凸透镜组将光源亮度最高的发光区域成像在狭缝平面上，以狭缝位置作为系统的光源位置，狭缝阻挡垂直维度上的光，使光源趋于理想一维平面光。

S2：光源收束，在狭缝和第一纹影镜之间增加透镜，用于将扩散光源的光线收束会聚，减小扩散角，使得第一纹影镜上的光斑面积减小到能够覆盖被测流场即可，无需覆盖整面纹影镜。

S3：小景深小视场纹影系统，选择焦距较长的纹影镜，可选为2米以上，设计较短的物距，可选将物距设计在纹影镜的1倍至2倍焦距之间，物距越接近1倍焦距则放大倍数越大。

S4：减小纹影系统像差，包括：减小球差方法：选用较大面积的纹影镜，利用纹影镜的中心附近区域成像，减少全系统透镜使用数量，可取消刀口与相机之间的聚焦透镜；减小彗差方法：在狭缝和第一纹影镜之间设置第二透镜用于减小光束口径，光束口径能够覆盖被测流场区域即可，不必覆盖整个纹影镜，被测流场区域尽量调整至视场中心位置，减小离轴距离；采用消色差透镜减小色差；采用消畸变透镜减小畸变。

S5：采用连续光源与脉冲光源联用的装置，利用光轨标记光源的焦斑位置，连续光源和脉冲光源的焦斑位置重合，在光学上可以原位替换，先利用连续光源的便捷性调节光路，光路调整好之后利用脉冲光源的高亮度性照亮被测流场，在纳秒量级的曝光时间内即可获得清晰明亮的流场照片。

S6：纹影系统布局为W型，光源光经整形收束后入射于第一纹影镜，第一纹影镜形成的平行光经被测流场区域后入射于平面反射镜，平面反射镜将平行光反射向第二纹影镜，第二纹影镜将平行光聚焦至刀口，而后成像至高速相机。

S7：高品质纹影系统调节方法，在光学平台上设置光轨，第一纹影镜和第二纹影镜的出射光严格沿光轨方向，以激光水平仪为基准调节光路，全系统各部件的中心高度调节一致、光线同轴，被测流场平面与光路垂直。

S8：采用分幅多帧高速摄影技术，高速相机具备多个拍照通道，每个拍照通道的最短曝光时间可达到纳秒量级，通道之间的延迟时间可设置为纳秒量级，既具备纳秒时间尺度的流场冻结能力，又可以记录纳秒时间尺度上的流场变化情况；

S9：皮秒时间量级的时序同步控制方法，利用出光时间可控的脉冲激光器烧蚀靶材产生微尺度高速复杂流动作为被测流场，利用时间控制精度可以达到皮秒量级的多通道数字脉冲信号发生器，分别控制脉冲光源、脉冲激光器、高速相机，在数字脉冲信号发生器上预设这三者的固有延迟时间，使得被测流场出现的同时，脉冲光源照亮被测流场、高速相机拍照。

有益效果：

本发明提供了一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，具备纳秒时间分辨率、微米空间分辨率，用于微尺度、快速、非定常流场特性的高精度测量，通过光源整形收束、小景深小视场纹影系统设计、减小纹影系统像差、连续光源与脉冲光源联用装置、W型纹影系统布局、高品质纹影光路的设计与调节方法、分幅多帧高速摄影技术、皮秒时间量级的时序同步控制等设计，实现了激光微烧蚀靶材产生的羽流的诊断测试。

与目前的纹影测量技术方法相比，本发明同时满足了纹影系统纳秒时间分辨率和微米空间分辨率的要求，通了高品质纹影光路的设计和调节方法，可应用于微尺度(微米量级)、快速(1000m/s以上)、非定常(流场特性在纳秒时间尺度有变化)流场的诊断，测量精度远优于现有技术，应用前景广阔。

附图说明

图1为光源整形收束方法示意图；

图2为W型布局的纹影系统示意图；

图3为示时序同步控制方法意图；

附图标记：1-第一透镜；2-光源；3-狭缝；4-第一纹影镜；5-凸透镜；6-被测流场；7-平面反射镜；8-第二纹影镜；9-刀口；10-聚焦透镜；11-高速相机；12-脉冲激光器；13-靶材；14-数字脉冲信号发生器；15-高速相机控制软件；

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明进一步说明。

一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，包括光源2、第一透镜1、狭缝3、第一纹影镜4、凸透镜5、平面反射镜7、第二纹影镜8、刀口9、聚焦透镜10、高速相机11、脉冲激光器12、靶材13、数字脉冲信号发生器14和显示控制器15；

所述脉冲激光器12通过照射靶材13产生微尺度高速复杂流场，作为纹影系统的被测流场6。

光源2出射的光束依次经过第一透镜1、狭缝3、凸透镜5后照射到第一纹影镜4的中心部位，经由第一纹影镜4形成的平行光经被测流场6后入射于平面反射镜7，平面反射镜7将平行光反射至第二纹影镜8，第二纹影镜8将平行光聚焦至刀口9，经聚焦透镜10聚焦后成像至高速相机11。

如图1、2所示，利用第一透镜(1)将光源(2)亮度最高的发光区域成像在狭缝(3)平面上，以狭缝位置做为系统的光源位置，狭缝阻挡垂直维度上的光，使光源趋于理想一维平面光；在狭缝3和第一纹影镜4之间增加凸透镜5，用于将扩散光源的光线收束会聚，减小扩散角，使得第一纹影镜上的光斑面积减小到能够覆盖被测流场6即可，无需覆盖整面纹影镜。

选择焦距较长的纹影镜，第一纹影镜(4)和第二纹影镜(8)的焦距均优选为2米以上，设计较短的物距，优选将被测流场(6)的位置设计在距第二纹影镜(8)光学距离2米至4米之间，越接近2米则放大倍数越大，根据实际测量需求调整。

选用较大面积的第一纹影镜4和第二纹影镜8，利用纹影镜的中心附近区域成像，减少全系统透镜使用数量，可取消刀口与相机之间的聚焦透镜10；减小光束口径，光束口径能够覆盖被测流场6即可，不必覆盖整个纹影镜，被测流场区域尽量调整至视场中心位置，减小离轴距离；采用消色差透镜减小色差；采用消畸变透镜减小畸变。

利用光轨标记光源2的焦斑位置，连续光源和脉冲光源的焦斑位置重合，即在光学上可以原位替换，先利用连续光源的便捷性调节光路，测量过程中利用脉冲光源的高亮度性照亮被测流场，在纳秒量级的曝光时间内即可获得清晰明亮的流场照片。

在光学平台上设置光轨，第一纹影镜4和第二纹影镜8的出射光严格沿光轨方向，以激光水平仪为基准调节光路，全系统各部件的中心高度调节一致、光线同轴，被测流场6平面与光路垂直；

如图3所示，数字脉冲信号发生器14的时间控制精度为皮秒级，分别于光源2、脉冲激光器12和高速相机11相连，在数字脉冲信号发生器上预设光源2、脉冲激光器12和高速相机11的固定延迟时间，使得被测流场6出现的同时，脉冲光源照亮被测流场、高速相机拍照；

显示控制器15与高速相机11连接，用于存储并显示高速相机11拍摄的纹影照片；

高速相机11具备多个拍照通道，每个拍照通道的最短曝光时间可达到纳秒量级，通道之间的延迟时间可设置为纳秒量级，既具备纳秒时间尺度的流场冻结能力，又可以记录纳秒时间尺度上的流场变化情况。

本发明利用出光时间可控的脉冲激光器12烧蚀靶材13产生微尺度高速复杂流动作为被测流场6，利用时间控制精度可以达到皮秒量级的多通道数字脉冲信号发生器14，分别控制脉冲光源2、脉冲激光器12、高速相机11，在数字脉冲信号发生器14上预设上述三者的延迟时间，使得被测流场6出现的同时，脉冲光源2照亮被测流场6，显示控制器15记录并存储纹影照片，完成实验。

Claims (7)

1.用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，包括光源、第一透镜、狭缝、第二透镜、第一纹影镜、平面反射镜、第二纹影镜、刀口、聚焦透镜、高速相机、数字脉冲信号发生器、脉冲激光器、靶材和显示控制器；

所述脉冲激光器通过照射靶材产生微尺度高速复杂流场，作为纹影系统的被测流场；

光源出射的光束依次经过第一透镜、狭缝、第二透镜后照射到第一纹影镜的中心部位，经第一纹影镜反射后形成的平行光通过被测流场区域后入射于平面反射镜，平面反射镜将平行光反射至第二纹影镜，经第二纹影镜反射的平行光依次经过刀口、聚焦透镜后成像至高速相机；

所述被测流场位于第一纹影镜和平面反射镜之间；

所述数字脉冲信号发生器的时间控制精度为皮秒级，分别与光源、脉冲激光器和高速相机相连，在数字脉冲信号发生器上预设光源、脉冲激光器和高速相机的延迟时间，使得被测流场出现的同时，脉冲光源照亮被测流场，同时高速相机拍照；

所述显示控制器与高速相机连接，用于存储并显示高速相机拍摄的纹影照片；

所述第一透镜用于将光源亮度最高的发光区域成像在狭缝平面上，经过狭缝后形成一维平面光源。

2.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于：所述纹影系统为小景深小视场纹影系统，所述第一纹影镜和第二纹影镜的焦距均≥2m，被测流场设置在第一纹影镜的1倍至2倍焦距之间。

3.权利要求1或2所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，所述光源为连续、脉冲复合光源，连续光源和脉冲光源的焦斑位置重合，测量开始前光源设定为连续光源模式，用于调节光路；待光路调节完成后，光源设定为脉冲光源模式，利用脉冲光源的高亮度性照亮被测流场。

4.根据权利要求3所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，所述系统还包括光轨，第一纹影镜和第二纹影镜的出射光沿光轨方向。

5.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，所述高速相机采用分幅多帧高速摄影技术，具备多个拍照通道，每个拍照通道的最短曝光时间均能达到纳秒量级，通道之间的延迟时间能够设置为纳秒量级，使得高速相机既能够在纳秒时间尺度上冻结流场、又能在纳秒时间尺度上记录流场的变化情况。

6.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，其特征在于，所述系统还可以为不包括聚焦透镜的系统，所述第一纹影镜和第二纹影镜都采用较大面积的纹影镜，利用纹影镜的中心区域成像，经第二纹影镜反射的平行光经过刀口后直接成像至高速相机，通过减少透镜的使用，进一步降低球差；

通过减小光束口径来减小彗差，所述第二透镜为凸透镜，经凸透镜汇聚后的光束口径变小，光束口径能够覆盖被测流场区域即可；所述被测流场区域调整至视场中心位置，进而减小离轴距离。

7.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统，系统中各元件的中心高度一致、光线同轴，被测流场平面与光路垂直。

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