[发明专利]基于流场反演的激光冲量耦合系数测量方法

说明书

本发明公开了一种基于流场反演的激光冲量耦合系数测量方法，该方法采用时间同步及延时系统，触发速度干涉仪对靶界面处速度干涉条纹进行记录，将原始干涉信号经过图像处理后得到界面原位粒子速度历史，基于应力波理论，采用先时间后空间的反演方法，以界面速度历史作为输入条件，反向推导出靶前表面的推力加载历史，对靶前表面的推力加载历史进行时间积分，计算激光烧蚀产生的冲量，最后，依据激光冲量耦合系数的定义，即可获得激光冲击耦合系数。本发明的测量方法，采用带窗口的靶结构固定待测样品，将动态标定转为静态标定，能够实现激光烧蚀推力波形和冲量耦合系数的精确测量。

技术领域

本发明涉及激光移除空间碎片和激光推进技术领域，尤其是涉及一种基于流场反演的激光冲量耦合系数测量方法。

背景技术

冲量耦合系数是激光推进和激光移除空间碎片领域研究的一个重要方面，它定义为激光烧蚀靶材过程中产生的靶动量与入射激光能量的比值，它反映了激光能量转化为靶动量的能力。为了适应不同的推力测量需求，国内外学者开发了多种测量系统，包括扭摆结构、天平结构、单摆结构、导轨结构和形变结构等。激光冲量耦合过程中微小位移量的测量方法包括高速摄影和光学方法。然而，这些结构大部分为接触式系统，依靠运动参数难以克服摩擦因素随机的影响，增加了冲量耦合系数测量的不确定度。

对于具有高斯波形的激光，虽然脉宽极短，但是均存在一个激光功率密度突破阈值产生推力，推力从无到有，再下降到零的过程。采用PVDF或PCB压电传感器可实现推力波形测量，但其对系统的数据采集响应频率要求较高，动态标定困难。由于激光烧蚀作用过程非常短暂，大部分的常规测量手段无法实现推力加载过程的原位测量，无法再现激光烧蚀推力的加载历史。研究该推力的加载历史，不仅能够获得激光脉冲的冲量耦合系数，而且在提升激光冲量耦合效率和机理研究方面具有重要意义。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于流场反演的激光冲量耦合系数测量方法。该方法通过以下方式实现：在真空靶室中进行激光打靶，利用成像型速度干涉仪测量界面粒子速度。基于应力波理论，采用流场反演的方法对靶前表面的推力加载历史进行反演，对推力加载历史进行时间积分得到激光烧蚀冲量，最后，获得待测材料的激光冲量耦合系数。

本发明需要解决的技术问题包括：固定待测样品，避免动态标定的不确定性。基于应力波理论，在获得激光烧蚀推力加载历史的同时实现冲量耦合系数的测量。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的基于流场反演的激光冲量耦合系数测量方法，包括以下步骤：

1)在真空靶室内设置有三维平移台，三维平移台其上设置有靶并能够使靶在三维空间内调整角度与位置；利用前向监测望远镜和反射镜对成像型干涉仪的探测激光与相对窗口入射的入射激光光路进行校准，以保证它们在同一条直线上，利用侧向监测望远镜和平行的两组反光镜对靶平面的角度进行调节，以保证入射激光垂直辐照在靶平面上；

2)入射激光聚焦在靶上产生烧蚀压力，采用时间同步及延时系统，成像型速度干涉仪对靶界面处的速度干涉条纹进行记录；

3)将采集到的原始干涉条纹信号(界面原位粒子速度历史)经过图像处理/读取后得到粒子速度与时间的关系曲线；

4)基于应力波理论，采用先时间后空间的反演方法，以界面粒子速度历史作为输入条件，将界面粒子速度历史曲线读取为(时间,速度)形式的二元数组。将数组代入流体力学方程，反向推导出靶前表面的推力加载历史，具体形式如下:

流场各物理量随时域和空域连续变化，满足拉格朗日坐标下的流体力学质量守恒、力学响应和动量守恒方程：