[发明专利]一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速摄影相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的图像测试方法；根据氧/碘混合热流场研究的需要和由上述实验测试方法得到的图像，定义了一系列流场定量评价的参数，通过这些参数对氧碘超音速混合流场不同方面的特性给出了定量的数值。该方法的建立为氧碘化学激光器中关键部件—喷管模块的结构设计研究和氧碘化学激光器气流运行参数的优化提供了便利。

背景技术

氧碘混合过程是氧碘化学激光器（COIL）运行中的一个重要的环节，因为激发态氧为COIL提供能量来源，而碘原子是COIL的发光介质。氧碘混合的好坏直接关系着COIL的化学效率和激光输出的光束质量，因此氧碘混合过程的检测和评估是对COIL硬件设计(尤其是喷管设计)评价优化的一个重要参考依据。

氧碘混合流场具有超音速、低压力等特点，使得氧碘混合流场的检测变得困难。在流场检测中常用的纹影/阴影法、mie/瑞利散射、PIV等测量方法基本不适用于COIL的氧碘混合流场。近年来，有人用激光诱导荧光（PLIF）对氧碘混合流场进行了测量。美国科学家Carrie A.Noren等人曾建立了一套基于染料激光器（565nm）的PLIF系统，并对超音速横向流注碘喷管进行了研究。但是PLIF为有源检测，要求气流中不能存在发光粒子，因此PLIF只适用于对氧/碘冷气流流场的检测，对于热气流流场（即真实的COIL运行流场），PLIF无法使用。

采用化学发光成像流场检测的基本原理是利用流场中存在的荧光进行成像，并通过图像分析获得流场的相关定量参数。化学发光成像检测曾经被用于HF激光器流场的检测中，但是由于这些研究是在几十年前完成的，当时的光学成像设备还比较落后，没有如今的高速摄影技术，当时采用的扫描成像手段对真实考察整个流场和实时检测方面存在一定的局限。

在COIL运行过程中，氧碘混合后首先会碰撞产生激发态碘分子，而碘分子会自发辐射出光谱范围很宽的荧光，因此利用这一特点，可以采用化学发光成像法对COIL的实时热流场进行检测。但是目前为止，对于化学发光法用于COIL氧碘混合热流场的研究还未见报道。

发明内容

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。基于氧碘化学激光器中氧/碘超音速混合热流场的特点，采用高速CCD相机，建立了一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法。该测试方法主要包含两部分，（1）图像采集：根据氧碘混合热流场中的光谱成分特点，通过一个滤光衰减装置，建立了一套氧/碘超音速混合热流场图像采集的方法；（2）数据处理：根据氧/碘超音速混合热流场的特征和研究需要，定义了一系列流场定量评价的参数，并由数字图像处理程序，给出了各种实验条件下的各定量参数的数值，并给出了每一个参数随时间的变化曲线。

一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法，

采用高速CCD相机采集氧碘化学激光器中光腔段的氧/碘超音速混合热流场的图像；像采集过程中，于采用微距镜头的高速CCD相机，微距镜头前方依次设置衰减片和滤光片，滤光片靠近所需采集图像的氧/碘超音速混合热流场所在的光腔段壁面外侧；

通过高速CCD相机从光腔段侧壁面上采集光腔段内的二维图像；所采集图像区域包括从光腔段入口至光腔段出口的所有光腔段内区域；

高速CCD相机通过数据电缆与带有数据采集与处理系统的计算机相连接；

对计算机中的氧/碘超音速混合热流场的图像进行分析：通过数字图像处理软件，读取测试图像每个像素的灰度值；界定混合区与非混合区的灰度阈值，确定混合流场中混合区的边界；

所述测试图像是指所采集图像中光腔段内区域所对应的图像；

根据混合区的边界，可以定义定量和定性的流场混合过程的相关参数，来对混合流场沿气体流动方向的发展情况进行定量的评价；

此外通过计算测试区图像每一像素点灰度值的总和与图像中像素最大灰度值和测试区总像素数之积的比值来定量地评价混合效率。

以所采集图像上光腔段内区域的光腔段入口处的中点为圆点，以气体流动方向为X轴，以所采集图像区域上垂直X轴的方向为Y轴；

输出处理过程中所定义的参数包括：

氧/碘超音速混合区穿过氧喷管中心线所经历的最短流向距离LC，该距离的测量起点为喷管出口截面（NEP）；该参数反映的是混合区横向（y轴）发展速度；LC值越小，说明混合区的横向发展速度越快。