[发明专利]一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统

说明书

一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，包括激光光源系统、匀化系统、纹影系统、数据采集与同步控制系统。同步控制器发出信号控制激光光源系统发出高频脉冲激光，高频脉冲激光经过匀化系统后，形成具有一定发散角度的匀化高频脉冲激光，然后匀化高频脉冲激光进入纹影系统。匀化高频脉冲激光经过第一反射镜传输到第一凹面镜后出射匀化平行高频脉冲激光，经过大型风洞流场后，被第二凹面镜会聚，再经第二反射镜反射，聚焦于纹影系统刀口处。最后，同步控制器控制相机接受瞬态纹影图像，并储存于计算机中。本发明通过增加匀化系统，实现高频脉冲激光以特定角度均匀发散并消去杂光，提高能量利用率，使瞬态纹影技术应用于大型风洞上。

技术领域

本发明涉及一种高速瞬态纹影系统。

背景技术

传统的纹影法是有Teopler.A于1864年基于纹影仪通对不均匀流场进行显示和测量而提出的光学方法。该方法是利用光在被测量流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为成像平面上相对光强的变化。传统纹影的光源一般为连续光源，会产生时均效应，导致流场波系结构叠加。因此传统纹影可以观察、分辨出可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域，而其他流场信息不容易被识别出来。

随着超声速、高超声速飞行的出现，飞行器周围的流场越来越复杂，导致对风洞流动显示技术的要求越来越高。复杂空间流场，如激波-激波干扰、激波-边界层干扰以及转捩问题，其精细结构测量和时空演变测量已经成为流动显示技术的难题。因此，以纹影系统原理为基础，国内外发展许多高精度、高时空分辨率的测试技术。首先是针对光源方面的改进，国外率先使用火花光源来解决时间分辨率的问题，但是这种方法在一次风洞试验中采集图像少，经济效益低下，现在已经被弃用。针对采集设备方面，则是提高其帧频和分辨率。随着芯片领域快速发展，传统的胶片相机已经被CCD和CMOS相机所替代。此外，相机的帧频和像素级别不断提高。

瞬态纹影技术是采用高频脉冲激光作为光源，使用高像素尺寸和高帧频的CMOS相机作为采集设备，满足Tayler冻结流假设，实现了复杂流动结构(如激波-激波干扰、激波-边界层干扰以及转捩等现象)的同步高频显示与测量。然而现有的瞬态纹影技术仅用试验段尺寸较小的风洞的试验中，这是由于试验段尺寸较小的风洞配备的纹影系统的凹面反射镜口径相应较小，焦距较短。此时，激光光束传输距离较短，只要光束能够充满第一凹面镜，光强就满足需求，能够进行瞬态纹影系统的调试和使用。而大型风洞的试验段较大，相配备纹影系统的凹面反射镜的口径和焦距较大。如果不控制光束发散角，让其恰好充满凹面反射镜，会导致光束能量严重损失，无法调试或使用瞬态纹影系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，通过增加匀化系统，实现高频脉冲激光以特定角度均匀发散并消去杂光，提高能量利用率，使瞬态纹影技术应用于大型风洞上。

本发明的技术解决方案是：一种运用于大型风洞的高速瞬态纹影系统，包括激光光源系统、匀化系统、纹影系统、数据采集与同步控制系统；纹影系统包括第一反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第二反射镜和刀口；数据采集与同步控制系统包括CMOS相机、计算机、同步控制器；

高频脉冲激光经过激光光源系统准直和消像差后，进入匀化系统，经过匀化系统后，形成匀化发射的高频脉冲激光，并消去杂光；发散匀化激光入射纹影系统，经第一反射镜和第一凹面镜反射并会聚为高频脉冲平行光，光束继续传输经过风洞试验段，经过第二凹面镜会聚，并被第二反射镜反射，聚焦到刀口处；CMOS相机采集经过刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像并发送至计算机储存；同步控制器控制激光光源系统和CMOS相机的触发和停止。

激光光源系统包括高频脉冲激光器、激光器准直器、双分离物镜、光束移动光学元件光束移动光学元件、双凹透镜、平行导轨；高频脉冲激光器、激光器准直器、双分离物镜、光束移动光学元件依次放置在平行导轨上；双凹透镜安装在平行导轨末端；