[发明专利]一种基于高帧频高空间分辨率哈特曼的气动像差测量方法

说明书

本发明公开一种基于高帧频高空间分辨率哈特曼的气动像差测量方法，通过脉冲激光器和高采集频率光电探测器实现气动像差短曝光高帧频采集，利用高空间分辨率微透镜阵列实现几十微米级像差探测。测量光源出射光束通过风洞内的气动流场后入射波前传感器，经缩束模块口径变换和像差传递后，气动像差被微透镜阵列空间分割形成相对理想位置存在空间偏移的点阵，经倍率匹配系统将微透镜阵列点阵成像至光电探测器。本发明更易于实现气动流场介质折射率、气动像差等的定量测量，可用于测量风洞流场中的气体密度分布，可为流场气动像差校正系统提供设计输入参数，也可以用于气动像差校正系统的畸变波前探测。

技术领域

本发明属于气动像差测量领域，尤其涉及一种基于高帧频高空间分辨率哈特曼的气动像差测量方法，其为基于高帧频高空间分辨率波前传感器的流场气动光学效应测量，可用于测量风洞流场中的气体密度分布，可为流场气动像差校正系统提供设计输入参数，也可以用于气动像差校正系统的畸变波前探测。

背景技术

高速飞行器在大气层内飞行时，会形成复杂流场，流场内介质折射率高度非均匀，且存在高频率脉动。当光波在其中传输时，会产生波前畸变、光束抖动、方向偏折等现象，称为气动光学效应，该效应使得飞行器内部光学仪器采集图像发生畸变、模糊、像质退化。为了研究气动光学效应对目标成像及激光传输的影响，需要在时空分辨率下测量高速流场内的气动光学像差，一方面可用于定量分析流场内的密度场分布，便于开展飞行器窗口优化设计，一方面可为分析气动像差时空特性提供数据输入，也可为气动像差校正提供参数约束。

现阶段多采用背景纹影(BOS)波前传感测量气动光学像差，该方法是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段，但其得到的密度场受光线方向上的积分效应影响较大，且存在时空分辨率低、对环境敏感和整体效应等问题，难以定量分析气动像差时空频率特性、局部小尺度气体密度变化。

夏克-哈特曼波前传感器(SH-WFS)具有结构简单紧凑、光能利用率高的优点，已成功应用于高精度波前探测、自适应光学校正等领域。该传感器主要由微透镜阵列和光电传感器组成，当入射波前存在波前畸变时，微透镜对应的聚焦子光斑质心位置发生偏移，通过测量聚焦子光斑质心位置相对标定位置的偏移量，可以得到该子孔径对应的波前斜率。已知入射波前斜率数据后，通过波前复原算法可以得到入射波面的相位分布。因为其结构紧凑，不含参考光束，在震动环境下也具备良好的测量精度和稳定性，适用于高速流场内的气动像差测量。但是其空间分辨率受限于子孔径分割密度和微透镜尺寸，还需要开展高空间分辨率研究。

面向高速飞行器扰动流场气动像差高精度测量需求，为了实现高速复杂流场中空间尺度从几十微米到数毫米级，时间脉动频率从上百赫兹到数千赫兹级的气动像差测量，需要开展新型波前探测方法研究。

发明内容

本发明目的在于解决现有气动像差测量方法难以实现高时空分辨率下气动像差时空频率特性和局部大起伏像差定量测量的难题。通过分析气动流场光学特性和流体特性，构建气动像差测量装置，采用风洞来模拟复杂流场，构建高帧频、高空间分辨率夏克-哈特曼波前传感器来实现气动像差测量。

本发明采用的技术方案为：一种基于高帧频高空间分辨率哈特曼的气动像差测量方法，包括脉冲激光器1、激光准直模块2、离轴抛物面主镜3、焦距调节装置4、准直镜5、杂散光抑制模块6、衰减片滤光片模块7、微透镜阵列8、倍率匹配系统9、光电探测器10和同步触发装置11，脉冲激光器1和激光准直模块2组成测量光源，离轴抛物面主镜3、焦距调节装置4、准直镜5、杂散光抑制模块6、衰减片滤光片模块7、微透镜阵列8、倍率匹配系统9、光电探测器10和同步触发装置11组成波前传感器，测量光源和波前传感器分别安置在风洞测量窗口两侧，离轴抛物面主镜3、焦距调节装置4和准直镜5构成了离轴式缩束系统，测量光源出射光束通过风洞内的气动流场后入射波前传感器，经缩束模块口径变换和像差传递后，气动像差被微透镜阵列空间分割形成相对理想位置存在空间偏移的点阵，经倍率匹配系统将微透镜阵列点阵成像至光电探测器10，具体实现步骤如下：