CN1844873A - 基于h－s波前传感器的超声速流场探测系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于H－S波前传感器的超声速流场探测系统，由He－Ne激光器、光束扩束系统、产生流场的超声速风洞、待测试模型、H－S波前传感器、图像采集卡和数据采集处理计算机组成，采用本发明所述的流场探测方法能非常方便地获得激光穿越流场后的波面相位分布和光束像差特性，如波面三维分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，进一步分析计算还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布和Strehl比等，并且基于哈特曼－夏克波前传感器的这种方法可以很好地反映流场建立、稳定和结束的全过程。并且数据分析处理软件还具有实时性好、便于实施对流场动态特性进行准确探测的优点。

Description

基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种流场探测系统及其探测方法，特别是一种基于哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器的超声速流场探测系统及其探测方法。

背景技术

在超声速飞行器上进行光学探测或测距时，由于飞行器的外围会形成一个复杂外流场，包括分离、湍流边界层和尾流的发展、渗混边界层和粘性尾流相互作用等，而且可能形成复杂的涡系和强度不同的压缩波和膨胀波，包括激波等，从而形成密度变化梯度很强的区域，并且这些情况随飞行器飞行的不同状态而变化。这样的复杂流场会使激光在传输过程中产生各种波前畸变，若经长程传输，光束畸变将进一步加剧，严重降低光束质量，从而使激光探测或测距产生较大误差，流场对光束的影响可以通过仿真计算和实验测量相结合的方法进行研究。

目前，通过实验获得激光穿过超声速流场的传输特性常用方法是干涉法、烟雾法等。烟雾法是在流场中注入某些特定的有颜色的气体，根据气体形态的变化反映流场的某些特性譬如流场涡系的形状(参见朱自强，吴子牛，李津，等.应用计算流体力学.北京：北京航空航天大学出版社，1998)。这种方法可以获得流场的某些定性特性，但缺点是难以获得定量的数据。而干涉法原理是用待测光束与标准参考光束进行干涉，然后对干涉条纹进行处理以获得波面像差数据，优点是可以获得定量数据，但缺点在于需要对干涉仪光路进行调整以产生干涉条纹，耗时较长；并且干涉法对外界环境要求较高，一般要获得较高精度的测量都需在气垫防震平台上进行操作。而超声速风洞流场则是一个震动较剧烈、干扰较强的环境，因而对干涉法的应用产生了一定限制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于哈特曼-夏克波前传感器方法的超声速流场测试探测系统及其探测方法，可以非常方便地获得激光穿越流场后的波面相位分布和光束像差特性，如波面三维分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，进一步分析计算还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布和Strehl比等，并且基于可以很好地反映流场建立、稳定和结束全过程。

本发明的技术解决方案是：基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，它由He-Ne激光光源、光束扩束系统、超音速风洞、位于超音速风洞流场中待测试模型、H-S波前传感器、数据处理和分析计算机构成，He-Ne激光光源经过光束扩束系统扩束之后，从超音速风洞流场的左侧光学窗口进入超音速风洞流场中，透过待测试模型上一侧的窗口后，从待测试模型上的另一侧窗口及超音速风洞流场的右侧光学窗口穿出，穿越超音速风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器进行探测，通过计算机对H-S波前传感采集到的数据进行实时处理并分析。

基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于通过下列步骤实现：

(1)首先使He-Ne激光光源发出的光通过光束扩束系统，并对He-Ne激光光源和光束扩束系统进行光路共轴调整；

(2)再将待测试模型置于超声速风洞中中，待测模型的锥形面两侧均开有材料为K9的玻璃窗口，使扩束后的He-Ne激光从锥形面一侧穿入，另一侧穿出；

(3)穿越风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器进行探测，对H-S波前传感器进行调整，使光束经H-S波前传感器的缩束系统、微透镜阵列、最后成像于其CCD靶面上，探测良好的光束应为圆形对称的均匀光斑点阵；然后，采集多帧(一般范围为1～300帧，但采集帧数越多则耗时越长，一般实验条件下采集100帧即可)静态数据并对其求平均值，作为最初的定标数据；

(4)施加超声速风洞流场，流场参数由风洞测控系统进行测试，主要参数有：气流来流温度T，风洞马赫数M，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压等。

流场测控参数比如气流来流温度T，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压等可由风洞测控系统中的温度传感器和压力传感器直接测定。参数值依照每次实验的要求而定。并且流场参数间存在一定关系，可以由流体力学中的相关公式进行表达。比如对静压来讲，设试验时测得的喷管(本实验使用拉阀尔喷管，这是超音速风洞产生超音速气流的关键部件)侧壁上沿轴向任一静压孔处的压力值为P_i，则该测压孔处的静压P可按下式计算：

P＝P_a+P_i

式中：P_a为大气压强，P_i可正可负，若P＜P_a时，P_i为负。

由风洞稳定段经喷管到试验段的气流近似可认为是绝热等熵过程，因此测点处气流马赫数M数可根据测出的静压按下式求得：

$M=\sqrt{\frac{2}{k-1}[{\left(\frac{p_0}{p}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1]}=\sqrt{5[{\left(\frac{p_0}{p}\right)}^{0.2857}-1]}$ (空气k＝1.4)

式中：P₀为气流总压，近似等于稳定段内的压强(因为稳定段内的流速很低，静压近似等于总压)，这个压强可用压力表读出。应该注意，压力表读出的数值为表压，计算时，应换算成绝对压力，即表压加上一个大气压Pa。

下面举例说明，实验中的一组测控参数(由压力传感器直接测定)为：总压P₀＝2.386kg，静压A＝0.302kg，静压B＝0.298kg。那么代入上式，喷管A处的气流马赫数为M_a＝2.006；喷管B处的气流马赫数为M_B＝2.015，符合超声速流场要求。

当给定气体来流温度或总温T₀后，流场速度所能达到的理论最大值就已经确定，即： $v_{\max }=\sqrt{{2c}_p{T}_0},$ 其中c_p为等压摩尔热容。

以上给出的只是几个比较简单的关系，风洞流场参数中有的物理量之间关系比较复杂，可参考相关流体力学参考文献，这里不逐一列出。

(5)通过计算机对H-S波前传感器采集到的光斑图像采用模式法进行波前重构，得到激光穿越流场后的波面相位分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，并对数据进一步分析还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布曲线和Strehl比。

在所述的步骤(5)后进一步由光束波面分布得到观测区域内流场所造成的光程差分布，进而可以用数学相关的方法得出剪切层中相干结构(涡)的流动速度

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)本发明采用H-S波前传感器作为超声速流场探测器件，是利用一个微透镜阵列将被测孔径分开为许多子孔径，用CCD等成像器件测出阵列透镜焦平面上畸变波前所成像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差，然后按照特定的数学波前复原算法，即可求出全孔径波前相位分布或光程差分布，因此具有结构简单、使用方便、对环境干扰不敏感、容易得到定量数据等优点。而且采用更高空间分辨率和采样频率的哈特曼波前传感器可以更精细地测量波面随时间、空间以及不同流场参数的变化情况。

(2)通过H-S波前传感器来测量穿过超声速流场的激光束的波面变化，再通过波前复原软件，可以方便地得到波前相位分布，各阶像差Zernike系数，进一步计算获得光束质心漂移、环围能量分布、Strehl比等定量数据，并可以很好地反映流场建立、稳定和结束全过程。为对超声速风洞流场的理论仿真研究提供实验验证，并为实际的设计提供准确的实验定量依据。

附图说明

图1为本发明的基于H-S波前传感器的超声速流场探测基本原理及光路设置示意图；

图2为待测试模型几何结构示意图；

图3为无流场(a)和有流场(b)时激光波面的PV和RMS随时间(采样帧数)变化曲线；

图4为采集到的第50帧波面相位的二维分布；

图5为第50帧波面的第3～35阶Zernike系数(去除了第1、2阶倾斜像差)；

图6为由第50帧波面进一步计算得到的远场光斑二维分布；

图7为第50帧波面计算得到的远场光斑的环围能量积分曲线，其中红色为理论值，蓝色为测量值；

图8为流场建立、稳定和结束过程中的激光波面PV和RMS曲线；

图9为流场建立、稳定和结束过程中的激光束质心随时间(或采样帧数)的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统由He-Ne激光光源1、光束扩束系统2、超音速风洞4、待测试模型5、H-S波前传感器6、数据处理和分析计算机7构成，其中的待测试模型5上开有材料为K9的透明玻璃窗口，He-Ne光源1在光束扩束系统2之前，光束扩束系统2位于超音速风洞4左侧光学窗口3前方，距离约为0.5m，超音速风洞4位于光束扩束系统2和H-S波前传感器6之间，H-S波前传感器6与超音速风洞4右侧光学窗口3’的距离约为1.0m，H-S波前传感器6采集到的数据由计算机7进行处理及分析，采用模式法进行波前相位复原；光束扩束系统2由一组透镜构成，作用是将光腰直径约为1.5mm的He-Ne激光扩束为30mm的平行光束，扩束之后的激光束应当与待测试模型5中光学窗口尺寸匹配。本实施例中待测试模型5中光学窗口的尺寸为30mm。哈特曼波前传感器6主要由缩束系统、微透镜阵列、光电耦合器件(CCD探测器)构成，其中微透镜阵列位于缩束系统和光电耦合器件之间，光电耦合器件位于微透镜阵列的焦平面上。哈特曼传感器的参数为：子孔径数32×32阵列，动态范围±1.5λ/子孔径，波面测量精度PV＜1/10λ、RMS＜1/20λ，整体倾斜测量范围±60″。

如图1所示，本发明的基于H-S波前传感器的超声速流场探测方法步骤如下：

(1)首先是系统的定标过程，即选取标准平行光束作为测量基准，使He-Ne激光器发出的细光束通过光束扩束系统，然后对二者进行光路共轴调整，扩束后的He-Ne激光应为强度非常均匀的光束；再用剪切板对光束进行检验，应当使看到的干涉条纹为平直条纹为止，则说明这时的光束即为平行光束；

(2)将待测试模型置于超声速风洞中(此时风洞尚未吹风)，待测锥形面两侧均开有材料为K9的玻璃窗口，使扩束后的He-Ne激光从锥形面一侧完全穿入，另一侧穿出；

(3)穿越风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器进行探测，对H-S波前传感器进行调整(可进行多个方向的精密调整)，使光束经H-S波前传感器中的缩束系统、微透镜阵列、最后成像于CCD靶面上，探测良好的光束应为圆形对称的均匀光斑点阵，本实施例中为12×12点阵，视模型光学窗尺寸而定，CCD靶面全孔径为32×32阵列，采集多帧(如100帧)静态数据并对其求平均值，作为最初的定标数据，以后计算的结果都是相对于这一定标数据而言；另外，这是对放入模型的静态过程进行定标，那么吹风后测试的结果即是超声速流场与模型作用后的综合结果；也可以不放待测模型，而单独对超声速流场的性质进行测定；

(4)施加超声速风洞流场，流场参数由风洞测控系统进行测试，主要参数有：风洞马赫数M，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压等。流场参数如气流总温，风洞流场中的两点静压(指风洞喷管不同测点处的静压)，即静压A和静压B，流场总压等可由风洞测控系统中的温度传感器和压力传感器直接测定。参数值依照每次实验的要求而定，例如对于本实验而言，由于产生的是超声速流场，那么风洞测控点中静压、总压和风洞马赫数必须满足一定关系。

流场各参数间存在一定关系，可以由流体力学中的公式进行表达。比如对静压来讲，设试验时测得的喷管(本实验使用拉阀尔喷管，为超音速风洞产生超音速气流的关键部件)侧壁上沿轴向任一静压孔处的压力值为P_i，则该测压孔处的静压P可按下式计算：

P＝P_a+P_i

式中：P_a为大气压强，P_i可正可负，若P＜P_a时，P_i为负。

由风洞稳定段经喷管到试验段的气流近似可认为是绝热等熵过程，因此测点处气流马赫数M数可根据测出的静压按下式求得：

$M=\sqrt{\frac{2}{k-1}[{\left(\frac{p_0}{p}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1]}=\sqrt{5[{\left(\frac{p_0}{p}\right)}^{0.2857}-1]}$ (空气k＝1.4)

式中：P₀为气流总压，近似等于稳定段内的压强(因为稳定段内的流速很低，静压近似等于总压)，这个压强可用压力表读出。应该注意，压力表读出的数值为表压，计算时，应换算成绝对压力，即，表压加上一个大气压P_a。风洞流场参数中有的物理量之间关系较为复杂，可参考相关流体力学参考文献，这里不逐一列出。

(5)通过计算程序对采集到的光斑图像采用模式法进行波前复原，可以得到激光穿越流场后的波面相位分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，进一步分析计算还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布和Strehl比等。进一步进行反演即可以得到流场的某些特性，譬如由光束波面分布可以得到观测区域内流场所造成的光程差分布，进而可以用数学相关的方法得出剪切层中相干结构(涡)的运动速度等。

a.Zernike像差系数和波面相位分布

Hartmann-Shack探测到的只是经微透镜阵列成像后的光斑点阵分布，必须经过波前复原算法进行波前重构，才能够得到全孔径波前的相位分布。常用的波前重构算法是Zernike模式法。基本原理在于将波前相位用Zernike多项式表示，入射光束波前相位畸变φ(x，y)可以用模式函数系列F_k(x，y)展开成

$\mathrm{\φ}(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^l{a}_k\·F_k(x,y)---\left(1\right)$

式中：l为模式数；a_k为待定的各模式系数。

模式法波前重构的实质是建立起模式函数系列F_k(x，y)与波前传感器测量的波前相位斜率间的关系，以求解各个模式系数a_k。波前传感器测量的第j个子孔径内的入射光束波前相位平均斜率G_jx和G_jy为：

$G_{\mathrm{jx}}=\frac{1}{S_j}\underset{s_j}{\∫}\∫{\left[\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂x}\right]}_j\mathrm{dxdy}=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{a_k}{S_j}\right)\underset{s_j}{\∫}\∫{\left[\frac{\∂F_k(x,y)}{\∂x}\right]}_j\mathrm{dxdy}=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{F}_{\mathrm{jkx}}---\left(2\right)$

$G_{\mathrm{jy}}=\frac{1}{S_j}\underset{s_j}{\∫}\∫{\left[\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂y}\right]}_j\mathrm{dxdy}=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{a_k}{S_j}\right)\underset{s_j}{\∫}\∫{\left[\frac{\∂F_k(x,y)}{\∂y}\right]}_j\mathrm{dxdy}=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{F}_{\mathrm{jky}}---\left(2\right)$

波前传感器共有M个子孔径，并取模式函数系列F_k(x，y)的前l项进行波前重构，则有

                            G＝FA                   (4)

式中G为波前相位斜率向量，包括波前传感器测量的入射光束波前相位在所有子孔径内x和y方向的平均斜率；F为波前重构矩阵；A为待定的模式函数系数向量。利用波前传感器测量得到波前相位斜率向量G后，利用奇异值分解法求出波前重构矩阵F的广义逆F⁺，就可以得到模式函数系数向量A在最小二乘意义下的最小范数解

                            A＝F+G                  (5)

将(5)式计算得到的模式函数系数向量A代入(1)式，即可以得到完整的波前相位展开式。

b.波面PV和RMS值的计算

在第1步求出波面相位分布之后，即可计算出波面PV和RMS值，即：波面PV值＝波面相位中的最大值(Peak)-最小值(Vale)；单位为波长。波面RMS值即均方根值(Root mean square)。定义为： $\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}/(n-1);$

其中n为波面采样点数，y_i为波面畸变量值， y为y₁～y_n的平均值。计算结果单位为波长。

c.光束质心漂移特性

Hartmann-Shack波前传感器中的成像器件为CCD，CCD探测到的是光束经微透镜阵列分割成像于其焦平面上的光斑点阵(如32×32阵列)的光强分布，对每一个光斑的质心位置(x_i，y_i)采用质心算法：

$x_i=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}/\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}},y_i=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}/\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}---\left(6\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为CCD靶面上对应的像素区域，I_nm是CCD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。求出每一个像点的质心位置后，即可按物理学质心公式求出所探测的全孔径光束质心位置。设像差光束质心位置为(x′，y′)，若参考光束质心位置为(x₀，y₀)。那么光束质心漂移量定义为Δx＝x′-x₀；Δy＝y′-y₀。

d.远场分布和环围能量

远场分布为近场相位(由H-S传感器测量得到)的Fourier变换，即：

E₂(x₂，y₂)＝FFT{E₁(x₁，y₁)}                   (7)

式中：E₁(x₁，y₁)表示近场相位复振幅分布，E₂(x₂，y₂)表示激光光束波前经理想成像透镜后形成的远场光斑。远场强度分布可表示为：

I₂(x，y)＝|E₂(x₂，y₂)|²                       (8)

远场光斑能量集中度是表示光束净化效果的主要技术指标，一般是用归一化环围能量来表示：

${\mathrm{Eng}}_r=\frac{1}{\mathrm{Eng}}\underset{t<r}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_2(x_2,y_2)---\left(9\right)$

式中：I₂代表远场光斑强度，Eng_r表示远场光斑在环围窗口内的归一化能量，其值越大，表明远场光斑能量集中度越高；r表示环围窗口尺寸；Eng表示远场光斑总能量；并且有 $t=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2},(x_0,y_0)$ 表示远场光斑峰值光强处的坐标。

e.峰值Strehl比。其定义为：S＝实际点扩展函数峰值强度/衍射极限点扩展函数峰值强度。与波像差的关系为S＝exp[-(2π/λ)²]，其中为均方根像差，λ为波长。对理想平面波，Strehl比为1，但对于存在像差光束，Stre-hl比则小于1，Strehl比越大，说明光束质量越好。

f.光束波面(相位)分布与光程差分布的关系为：

$\mathrm{\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}(d_1-d_2)=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\mathrm{\&Delta;}---\left(10\right)$

其中φ为即为光束波面(相位)分布，Δ为光程差分布。

g.剪切层中相干结构(涡)的流动速度的计算。

设两个沿气流方向的观测孔径中心线的光程差分布为Δ₁(y)和Δ₂(y)(例如：由H-S波前传感器测量得到的第n帧和n+1帧图像的相位分布按(10)式即可求出分别对应的光程差分布Δ_n和Δ_n+1)，其中下标1，2表示不同时刻，那么Δ1的自相关函数定义为

R(τ)＝∫Δ₁(y)Δ₁(y+τ)dy                   (11)

而两信号的互相关函数定义为

R(τ)＝∫Δ₁(y)Δ₂(y+τ)dy                   (12)

定义流场相干结构(涡)的流动速度为V_e＝ξ/τ_m，其中τ_m为相关图中的峰值(设其距离为ξ)的迟滞。即：将公式(11)和(12)表示的曲线绘于同一图中，求出二曲线中峰值距离ξ和对应时间差τ_m，二者之比即为流场相干结构(涡)的流动速度。对此问题更详细的论述可参考相关文献。

图2所示为待测模型结构示意图，模型为锥形结构，锥形面两侧均开有材料为K9的光学玻璃窗口，将其置于风洞中。扩束后的He-Ne激光从锥形面一侧穿入，另一侧穿出。超声速气流方向为沿模型纵向。流场建立过程采样率25帧/秒，稳态时的采样率20帧/秒。

图3～图7比较了静态过程(不施加超声速流场)和有流场过程中激光波面的变化情况，其中每幅图的左图为无流场情形；右图为有流场情形。图3为波面的PV和RMS随时间(采样帧数)变化曲线；图4为采集到的第50帧波面相位二维分布；图5为第50帧波面的3～35阶Zernike系数；图6第50帧波面计算得到的远场光斑二维分布；图7为第50帧波面计算得到的远场光斑的环围能量积分曲线，其中红色为理论值，蓝色为测量值。它表征了远场光斑能量集中度，也是衡量光束质量的重要指标之一。

其中流场采样时间约为4秒，采样速率约为25帧/秒。流场主要测控参数为：来流温度7℃，风洞马赫数M＝2.0，总压＝2.386kg，静压A＝0.302kg，静压B＝0.298kg。在波前重构得到的Zernike系数中，A1、A2分别为x和y方向倾斜，这两项是低阶像差，带来光束的整体平移，波前重构时一般将其忽略。

可以看到，和静态相比有流场时波面发生了明显变化：

(1)无流场时，波面的平均PV＝0.176λ、RMS＝0.031λ、Strehl比为0.968；有流场时，波面的平均PV＝0.904λ、RMS＝0.187λ、Strehl比为0.201。

(2)波面的各阶Zernike系数变化最大项为离焦，其次是Y方向像散。无流场时的平均离焦系数A3＝0.005、Y方向的平均像散A5＝0.009；有流场时的平均离焦系数A3＝0.155、Y方向的平均像散A5＝0.084。

(3)流场稳定即稳态时，波面随时间(采样帧数)变化小，相对比较平稳。

图8～图9反映了流场在不同时刻的变化情况，流场主要测控参数为：马赫数M＝1.99，总压＝2.351kg，静压A＝0.305kg，静压B＝0.301kg。其中(a)～(c)图表示了流场在建立过程、稳态和流场结束过程中激光波面变化情况。图8为流场建立、稳定和结束过程中的激光波面PV和RMS曲线；图9为流场建立、稳定和结束过程中的激光束质心(单位为角秒)随时间(或采样帧数)的变化曲线。曲线1所示为波面RMS(均方根值)，曲线2为PV(峰谷值)。实验结果表明，在流场建立和结束段，波面PV和RMS，波面中各阶Zernike像差系数均有一个明显变化的过程，并且在有的时刻变化还非常剧烈。但当流场达到稳态后，波面较稳定，没有明显的起伏。可见，采用基于H-S传感器的探测方法可以很好地反映流场在不同时刻中的动态变化过程。

Claims (8)

1、基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：它由He-Ne激光光源(1)、光束扩束系统(2)、超音速风洞(4)、位于超音速风洞(4)流场中待测试模型(5)、H-S波前传感器(6)、数据处理和分析计算机(7)构成，He-Ne激光光源(1)经过光束扩束系统(2)扩束之后，从超音速风洞(4)流场的左侧光学窗口(3)进入超音速风洞(4)流场中，透过待测试模型(5)上一侧的窗口后，从待测试模型(5)上的另一侧窗口及超音速风洞(4)流场的右侧光学窗口(3’)穿出，穿越超音速风洞(4)后的He-Ne激光由H-S波前传感器(6)进行探测，通过计算机对H-S波前传感(6)采集到的数据进行实时处理并分析。

2、根据权利要求1所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：所述的哈特曼-夏克波前传感器(6)由缩束系统、子孔径数为32×32的圆形微透镜阵列、光电耦合器件构成，其中微透镜阵列位于缩束系统和光电耦合器件之间，光电耦合器件位于微透镜阵列的焦平面上。

3、根据权利要求1所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：所述的待测试模型(5)上开的两个窗口的材料为K9透明玻璃。

4、根据权利要求1所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：所述的光束扩束系统(2)由一组透镜构成。

5、根据权利要求1所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：所述的光束扩束系统(2)距超音速风洞左侧光学窗口(3)距离约0.4-0.6m。

6、根据权利要求1所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：所述的H-S波前传感器与超音速风洞右侧光学窗口的距离约为0.8-1.2m。

7、基于H-S波前传感器的超声速流场探测方法，其特征在于通过下列步骤实现：

(1)首先使He-Ne激光光源(1)发出的光通过光束扩束系统(2)，并对He-Ne激光光源(1)和光束扩束系统(2)进行光路共轴调整；

(2)再将待测试模型(5)置于超声速风洞中(4)中，待测模型(5)的锥形面两侧均开有材料为K9的玻璃窗口，使扩束后的He-Ne激光从锥形面一侧穿入，另一侧穿出；

(3)穿越风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器(6)进行探测，对H-S波前传感器(6)进行高低和左右调整，使光束经H-S波前传感器(6)的缩束系统、微透镜阵列、最后成像于其CCD靶面上，探测良好的光束应为圆形对称的均匀光斑点阵；然后，采集多帧静态数据并对其求平均值，作为最初的定标数据；

(4)施加超声速风洞流场，流场参数由风洞测控系统进行测试，主要参数有：气流来流温度丁，风洞马赫数M，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压；

(5)通过计算机对H-S波前传感器对采集到的光斑图像采用模式法进行波前重构，得到激光穿越流场后的波面相位分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，并对数据进一步分析还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布曲线和Strehl比。

8、根据权利要求7所述的基于H-S波前传感器的超声速流场探测方法，其特征在于：在所述的步骤(5)后进一步由光束波面分布得到观测区域内流场所造成的光程差分布，进而可以用数学相关的方法得出剪切层中相干结构涡的流动速度。

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