CN1776389A - 瞬态三维流场光学层析测量系统 - Google Patents

Abstract

瞬态三维流场光学层析测量系统，采用具有同步信号输出的脉冲激光器作为光源，激光经过渡系统产生脉冲平行光并在多个方向上穿过待测流场；用微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割各方向上光束穿过流场后的波前，并且在会聚透镜的焦平面会聚成子光斑阵列；脉冲激光器出光的同时发出触发信号，该触发信号由外触发接口电路接收，产生CCD曝光采集外触发信号，控制CCD探测器曝光采集，CCD曝光采集与脉冲光发射同步，各投影方向上的子光斑阵列图像由数据采集卡采集，送入计算机计算对应投影方向上的三维投影波前相位分布，采用计算机层析重建技术获得流场物理量的三维分布。本发明能够实现对流场瞬态结构的三维重建，且结构简单。

Description

瞬态三维流场光学层析测量系统

技术领域

本发明涉及一种瞬态空间三维流场光学层析测量系统，属于流场测量技术领域。

技术背景

流场分布测量技术，是研究气动力学流场、热力学流场、等离子体诊断等的一种重要的无损测量技术。而瞬态流场测量则是流场动态过程测量的关键技术。传统的测量方法采用马赫—泽德干涉仪、全息干涉仪、莫尔条纹干涉仪等来获取流场信息的，干涉仪的共同缺点是干涉条纹分析判读困难，无法实现实时测量。美国Philips实验室的L.Mcmackin首先将一维哈特曼(Hartmann)波前传感器用于流场测量(Hartmann sensor and dynamictomograohical analysis of organized structure in flow field，AIAA94-2548)，但这种方法只能用于流场的二维测量，也不能获得流场的瞬态分布，限制了其应用范围。

采用(微)透镜分光结构的哈特曼—夏克波前传感器的局限性：(1)系统采用(微)透镜结构时，通常需要在(微)透镜和CCD之间加一个转像系统，这样耦合就比较复杂；(2)(微)透镜阵列单元的焦距误差不一致影响传感器的精度；(3)(微)透镜阵列制作、安装、调试等过程要求高。

张雨东等在中国专利申请号“98112211.6”的实施方案中提出用连续He-Ne激光器加二维(微)透镜阵列哈特曼传感器的解决方案，这种方案由于采用连续He-Ne激光器，所以无法获取瞬态三维流场分布，即使采用高帧频CCD相机其采样频率也很低，就目前的最高帧频也最高在几千赫兹的水平，远不能实现对高速流场的瞬态测量的要求；由于采用(微)透镜阵列，所以无法克服上文所述(微)透镜分光结构的局限性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种瞬态三维流场光学层析测量系统，可实现瞬态三维流场层析测量，且结构简单，测量精度高。

本发明的技术解决方案是：瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：包括带同步信号输出的脉冲激光器、过渡系统、缩束系统、微棱镜阵列、会聚透镜、光电探测器CCD、数据采集卡、外触发接口电路和计算机，采用带同步信号输出的脉冲激光器作为光源，经过渡系统产生脉冲平行光并在多个方向上穿过待测流场；采用微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割各方向上光束穿过流场后的波前，并且在会聚透镜的焦平面会聚成子光斑阵列；脉冲激光器出光的同时发出触发信号，该触发信号由外触发接口电路接收，产生CCD曝光采集外触发信号，控制CCD探测器曝光采集，CCD曝光采集与脉冲光发射同步，各投影方向上的子光斑阵列图像由数据采集卡采集，送入计算机计算对应投影方向上的三维投影波前相位分布，采用计算机层析重建技术获得瞬态流场物理量的三维分布。

上述的微棱镜阵列为二维微棱镜阵列，它可以由具有不同楔角的棱镜组成的阵列，也可以利用二元光学技术加工的微浮雕锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，还可以利用微光学技术加工成的连续面形的微棱镜阵列。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明提出的瞬态三维流场光学层析测量系统，采用脉冲激光器作为探测光源，使得对待测流场的采样持续时间等于脉冲激光持续时间，如当采用飞秒脉冲激光时，采样时间可以提高到10^-15量级上，因此可以获得流场的瞬态结构。

(2)本发明提出的瞬态三维流场光学层析测量系统，采用的二维微棱镜阵列可以利用微光学或者二元光学技术直接在同一基片上刻蚀，工艺简单，费用相对较低。其结构简单，加工工艺易于实现，易于实现批量化生产。

(3)本发明提出的瞬态三维流场光学层析测量系统，采用二维微棱镜阵列加会聚透镜和二维面阵CCD构成的二维微棱镜哈特曼传感器，可以实现流场的三维测量。

附图说明

图1为本发明测量原理图(θ＝0°)；

图2为本发明在5个投影方向上的测量原理图；

图3为本发明中二维微棱镜阵列的哈特曼传感器结构及工作原理示意图；

图4为图3所示的二维微棱镜哈特曼波前传感器的A方向视图；

图5为CCD曝光采样与脉冲光同步、出光的时序图；

图6(a)和图6(b)为脉冲光哈特曼的数据采集电路6和同步触发接口电路7原理图；

图7为本发明的测量投影示意图；

图8为本发明的测量流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由带同步信号输出的脉冲激光器1、过渡系统2、缩束系统4、微棱镜阵列与会聚透镜构成波前传感器5、光电探测器CCD、数据采集卡6、外触发接口电路7和计算机8，带同步输出的脉冲激光器1发出激光脉冲和同步触发信号，脉冲激光经过渡系统2准直并扩束成大口径的脉冲平行光，穿过待测流场3后，经缩束系统4被二维微棱镜加会聚透镜的结构5分割成子光束，并且在会聚透镜的焦平面会聚成子光斑阵列；在脉冲激光器1出光的同时，同步脉冲电信号输入外触发接口电路7，使其产生CCD曝光采集外触发信号，控制CCD探测器曝光，CCD曝光采集与脉冲光发射同步，子光斑阵列图像由数据采集卡6采集，送入计算机8计算三维投影波前相位分布。图1是θ＝0°的投影方向上的情形。

如图2所示，当围绕流场排布多套微棱镜哈特曼测量系统时，则可以同时获得待测流场在多个方向上的三维投影波前相位分布，采用计算机层析重建技术获得流场物理量(如折射率等)的三维分布。图中给出了5套测量子系统，每套测量系统实际上是图1所示系统的拷贝，以获取流场在不同方向上的投影。在实际测量中，结合物理空间的大小和流场特性可以安排更少或者更多的测量子系统。

如图3所示，二维微棱镜波前传感器5和二维CCD相机组成二维微棱镜哈特曼传感器。测量时，二维微棱镜哈特曼波前传感器的x_h方向与被测流场的z方向平行，如图4所示。这样在进行投影波前采样时，哈特曼传感器的第x_hj行微棱镜，可以获得脉冲平行光穿过被测流场后的三维波前相位，在过z_j点并垂直于z轴的剖面的相位信息，同样道理，哈特曼传感器的y_h1，y_h2，y_h3，…，y_hn行微棱镜可以分别获得脉冲平行光穿过被测流场后的三维波前相位在过z₁，z₂，z₃，…，z_n点并垂直于z轴的各剖面的相位信息，从而获得脉冲平行光穿过被测流场后的空间三维相位分布信息，在各个方向上投影波前的测量过程是相同的。从二维投影波前信息重建待测流场的三维空间分布需要在多个不同的投影角度上探测脉冲平行光穿过待测流场后的空间三维相位分布信息，待测流场分布的对称性越高，则所需的投影方向数越少。如图1所示，如果待测流场呈圆对称分布，则只需一个方向上的投影就能实现待测流场的三维重建。为了实现瞬态测量，通过反射镜和半反半射镜将脉冲平行激光分成多路，在几个不同的角度上穿过待测流场，在每个投影方向上由二维微棱镜哈特曼传感器探测投影波前相位，进而实现对待测流场的三维重建。如图2所示，各方向上的投影采集系统均在脉冲激光的同步信号下工作。

如图5所示，脉冲光哈特曼的采样测量时序图，脉冲光的同步电信号经同步触发接口电路接收，并发出信号控制CCD曝光，经延时设置的脉冲光信号恰好在CCD曝光时间内发射，CCD可以同步地采样测量脉冲光波前数据。

如图6所示，脉冲光哈特曼的数据采集电路6和同步触发接口电路7原理图，数字CCD的数据总线(D0～D7)、时钟信号(XLK)、行频信号(LDV)、帧频信号(FDV)由插头J3接入数据采集卡，这些信号是采用差分驱动方式提高抗干扰能力，U2～U4(26LS32)将其转换为单路信号，经接口电路将CCD采集的图像数据写入帧存体(CY7C1049)，一帧图像数据存储完毕后，计算机通过ISA(J1)总线读取帧存体的图像作波前重构处理。CCD数据写入接口电路的地址发生器、写数据时序逻辑控制电路，计算机读数据时序逻辑控制电路及读写数据总线切换电路由Xilinx公司的XC95288XL完成。图6中U7(R1117)是XC95288XL的电源模块电路，插头J2是XC95288XL的程序下载JTAG接口。

外触发接口电路由U6(6N137)光电隔离器接收，其作用是将脉冲激光器的同步电信号与采集卡、CCD的电源隔离，避免激光振荡器对采集测量产生干扰。外触发信号由XC95288XL传入计算机，由计算机控制CCD曝光控制信号的延时时序，再经XC95288XL、插头J3控制CCD(VINIT)曝光采集脉冲光信号。

如图7所示，对不同的投影角θ，设待测流场折射率分布为n(x，y，z)，则平行光穿过流场后的三维投影波前相位在z_k剖面上的波前相位为：

$\mathrm{\φ}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ},z_k)=\underset{l}{\∫}n(x,y,z_k)\mathrm{dl}---\left(1\right)$

φ(ρ，θ，z_k)为在z_k平面内，沿距原点o距离为ρ，与x轴夹角为θ的直线的积分相位；n(x，y，z_k)为流场在z_k平面内的折射率分布。

如前所述，二维微棱镜哈特曼传感器的第X_hk行微棱镜将φ(ρ，θ，z_k)分割采样，并且在会聚透镜的焦平面会聚成子光斑阵列，由数据采集卡6将图像采集入计算机8进行处理。采用质心算法：由公式(2)计算各光斑的质心位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(2\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到如图4中的CCD光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式(3)计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}},g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(3\right)$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置。

哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，由计算得到的投影波前斜率g_yi进行积分得到φ(ρ，θ，z_k)。

在获得多方向上的投影φ(ρ，θ，z_k)后，采用计算机层析重建技术即可获得流场的折射率分布n(x，y，z_k)。将待测流场区域进行网格划分，即x方向均分为m格，y方向均分为n格，则共划分的网格数为N＝mn，待测流场分布函数n(x，y，z_k)离散表示为：

$n(x,y,z_k)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{j}b(x-x_j,y-y_j)---\left(4\right)$

式中b为基函数。则由(1)式沿第i条光线的投影可表示为：

$\underset{i}{\∫}n(x,y,z_k)\mathrm{dl}=\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ},z}_k\right){|}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\underset{i}{\∫}b(x-x_j,y-y_j)\mathrm{dl}$

$=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}{n}_j---\left(5\right)$

由上式可以看到，沿M条光线的投影可以得到M个方程。层析重建过程转化为数学求解线性方程组，写成矩阵形式：

＝wn                                          (6)

通过求解上式即可求得流场折射率分布n(x，y，z_k)，将k个截面上的折射率分布n(x，y，z_k)堆叠起来即可获得流场的三维空间分布n(x，y，z)。

由折射率n和密度ρ的关系：

$\mathrm{\ρ}\left(\frac{n^2-1}{n^2+1}\right)=C---\left(7\right)$

C为常数，可以算出流场密度分布。由密度ρ和压力P的关系：

$\frac{P}{P_0}={\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^r---\left(8\right)$

可以算出流场压力分布。由密度ρ与速度V的关系：

$\frac{V}{C_f}=\left\{\frac{2}{r-1}\right[1-{\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{r-1}]{\}}^{0.5}---\left(9\right)$

C_f为临界条件下的声速，可以算出流场速度分布。由密度ρ和温度T的关系：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{MP}}{\mathrm{RT}}---\left(10\right)$

P为压力，M为气体分子量，T为温度，R为气体常数，可以算出流场温度分布。

如图8所示，在无流场3时，脉冲激光出光，采集此时各方向上的波前数据；放入待测流场后，按照图5所示的时序，脉冲激光发出同步信号，该同步信号由同步触发接口电路接收，并发出信号控制CCD曝光，经延时设置的脉冲光信号恰好在CCD曝光时间内发射，脉冲光在多个方向上穿过待测流场，CCD同步地采样测量各方向上脉冲光穿过待测流场后的波前数据。通过比较无流场和有流场时的波前数据，提取流场在多方向上的投影数据，采用计算机层析技术重建待测流场分布。

Claims (6)

1、瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：包括带同步信号输出的脉冲激光器、过渡系统、缩束系统、微棱镜阵列、会聚透镜、光电探测器CCD、数据采集卡、外触发接口电路和计算机，采用带同步信号输出的脉冲激光器作为光源，经过渡系统产生脉冲平行光并在多个方向上穿过待测流场；用微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜组合分割各方向上光束穿过流场后的波前，并且在会聚透镜的焦平面会聚成子光斑阵列；脉冲激光器出光的同时发出触发信号，该触发信号由外触发接口电路接收，产生CCD曝光采集外触发信号，控制CCD探测器曝光采集，CCD曝光采集与脉冲光发射同步，各投影方向上的子光斑阵列图像由数据采集卡采集，送入计算机计算对应投影方向上的三维投影波前相位分布，采用计算机层析重建技术获得瞬态流场物理量的三维分布。

2、根据权利要求1所述的瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：所述的带同步信号输出的脉冲激光器可以为飞秒脉冲激光器或其他脉冲激光器。

3、根据权利要求1所述的瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：所述的微棱镜阵列为二维微棱镜阵列由具有不同楔角的棱镜组成的阵列，或利用二元光学技术加工的微浮雕锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列，或利用微光学技术加工成的连续面形的微棱镜阵列。

4、根据权利要求1所述的瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：所述的光电探测器为二维平面CCD相机。

5、根据权利要求1或3或4所述的瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：所述的二维微棱镜阵列和紧贴其后的会聚透镜及光电探测器CCD组成二维微棱镜哈特曼传感器，二维微棱镜阵列的焦面在二维CCD相机的靶面上。

6、根据权利要求1或2或3所述的瞬态三维流场光学层析测量系统，其特征在于：各投影方向上的二维微棱镜哈特曼传感器，其采样过程均在脉冲激光器的同步信号下工作。

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