[发明专利]高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统及方法

权利要求书

1.高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其特征在于，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)；高速稀薄气体风洞(1)提供高速稀薄气体流场；激光光源模块(2)包括：YAG激光器、染料激光、倍频模块，用于提供波长精确度在皮米量级的紫外激光；激光光束整形模块(3)包括若干套透镜及光阑，或透镜及光栅；高压电弧放电模块(4)用于在高速稀薄气体流场产生基态的目标粒子；荧光信号采集和记录模块(5)包括：波长选择模块、荧光记录模块和纳秒快门的增强型紫外相机；数据处理模块(6)提取各个不同位置和时刻的荧光图像获取高速稀薄气体流场的多维速度分布；时序同步控制模块(7)控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像；

高精度的标准尺放置在目标测试区域，采用荧光拍摄时完全相同的参数设置，拍摄确定气流流向及其垂直方向上标准尺的图像；

所述的目标粒子为NH自由基。

2.根据权利要求1所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其特征在于，所述的高速稀薄气体风洞的工作压力为0.2Pa；出口气流速度高达7km/s；风洞直径为2.5m，并且根据测量要求调整气压、速度、焓值以及出口尺寸参数，而且根据测量需求更换另外型号的高速稀薄气体风洞。

3.根据权利要求1所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)采用直流高压电弧放电产生目标粒子；

(2)调谐激光光源模块，使之输出符合要求的激发激光；

(3)根据测试要求设计好激光整形模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，光阑或光栅，使激发激光经过整形模块后成为需要的激光片光或栅格光；

(4)根据测试要求设计好荧光信号收集和记录模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，滤光片和相机，波长选择模块布置在紫外增强型相机前并用于控制透射的荧光的谱段，荧光信号记录模块控制紫外增强型相机的曝光时间和增益获得合格的荧光信号；

(5)采用时序同步控制模块控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像；

(6)数据处理模块提取各个不同位置和时刻的荧光图像，利用最小二乘法拟合算法来定位荧光标记线的具体位置；

(7)在目标测试区域放置高精度的标准尺，采用荧光拍摄时完全相同的参数设置，拍摄标准尺的图像，用以确定荧光采集和记录模块的放大率；

(8)根据拍摄设备的放大率、拍摄时间延迟和荧光标记线的位移获取流场的速度；

(9)在数据处理模块中，针对流场不同位置的不同时刻采集得到的荧光标记线，重复步骤(6)-(8)，获取高速稀薄气体流场的距离喷嘴位置确定的一维速度分布；

(10)通过整形模块后的激发激光通过电动平移台沿气流方向移到下一位置，重复步骤(5)-(9)，获取高速稀薄气体流场的距离喷嘴另一位置的一维速度分布；

(11)重复步骤(5)-(10)，可获得高速稀薄气体流场的二维速度分布。

4.根据权利要求3所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用直流高压电弧放电产生目标粒子，则单束激光的实施分子标记测速MTV，这种产生目标粒子的方式拓展为DBD放电、直流尖端放电、ns脉冲放电、微波放电，采用热解、直接加入目标粒子、电子束解离以及光解产生目标粒子。

5.根据权利要求3所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中，调谐激光光源模块，使之输出符合要求的激发激光，激光光源模块包括作为种子光源的YAG激光器和波长可精确连续调节的染料激光以及它们各自的倍频模块，用于提供波长精确度在皮米量级的紫外激光，将基态的目标粒子泵浦到其激发态，从而产生荧光。