氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)及方法技術方案

本發(fā)明專利技術提供了一種氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)，包括第一雙腔激光器及第二雙腔激光器、正對第一雙腔激光器的出光口的第一半透半反鏡、正對第二雙腔激光器的出光口的第一反射鏡、并排設置的第一CCD相機和第二CCD相機、同步控制器、連接于第一及第二CCD相機和同步控制器的計算機系統(tǒng)、正對第二CCD相機的鏡頭的第二半透半反鏡、正對第一CCD相機的鏡頭的第二反射鏡、分別位于風洞實驗艙的相對兩側的背景圖像和凸透鏡及小孔。背景圖像與第二雙腔激光器位于同一側；第一及第二CCD相機和第一及第二雙腔激光器均連接于同步控制器。本發(fā)明專利技術還涉及測量方法，該方法利用計算機對拍攝的背景圖像進行分析計算，以實現全場氣動光學波前畸變的超高頻測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及航空航天領域，特別地，涉及一種用于超聲速成像制導、航空攝像和機載望遠鏡等領域的氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)。此外，本專利技術還涉及一種包括上述測量系統(tǒng)的方法。
技術介紹
氣動光學波前測量技術可用于研究超聲速成像制導、航空攝像和機載望遠鏡等領域遇到的氣動光學效應。現有的測量方法有很多種，比如干涉測量法、小孔徑光束技術及Malley探針測量法等。常用的Malley探針測量法通過位置傳感器以很高的頻率測量光束的偏折，只能測量單點波前，不能進行全場測量。Malley探針測量法是利用凍結流假設，凍結流假設認為，氣流經過光束的過程中，流場的折射率只有沿氣流方向上的平移，而沒有空 間分布的變化。然而，實際流場中，對流速度是非定常的，流場結構也是發(fā)展變化的，因此凍結流假設并不是嚴格正確的。尤其是對于超聲速流動的氣動光學研究而言，急需一種高頻、全場測量波前畸變的技術和設備。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種能夠測量時間間隔達到微秒量級的全場氣動光學波前的系統(tǒng)和方法，以獲取超聲速湍流氣動光學波前變化時間歷程的數據，實現超高頻測量。并且，本專利技術的氣動光學波前測量系統(tǒng)的設備簡單，易于操作。為實現上述目的，根據本專利技術的一個方面，提供了一種氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)，用于對通過超聲速風洞實驗艙的激光束的氣動光學波前畸變進行超高頻的測量，超聲速風洞實驗艙產生超聲速流場，包括并排設置的第一雙腔激光器及第二雙腔激光器；第一半透半反鏡，第一半透半反鏡正對第一雙腔激光器的出光口 ；第一反射鏡，第一反射鏡正對第二雙腔激光器的出光口 ；并排設置的第一 CCD相機和第二 CCD相機；同步控制器,第一及第二 CCD相機和第一及第二雙腔激光器均連接于同步控制器；計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)連接于第一及第二 CCD相機和同步控制器；第二半透半反鏡，第二半透半反鏡正對第二 CCD相機的鏡頭；第二反射鏡，第二反射鏡正對第一 CCD相機的鏡頭；分別位于風洞實驗艙的相對兩側的背景圖像及凸透鏡，背景圖像與第一及第二雙腔激光器位于同一側，且鄰近第一半透半反鏡；及位于凸透鏡和第二半透半反鏡之間的小孔。進一步地，第一及第二 CXD相機均為跨幀相機。進一步地，第一雙腔激光器和第一 CXD相機同時使用；第二雙腔激光器和第二 CXD相機同時使用。進一步地，第一或第二雙腔激光器發(fā)射的每一束激光束正好分別處于對應的第一或第二 CCD相機的曝光時間范圍之內。進一步地，風洞實驗艙設有光學窗口，背景圖像和凸透鏡均正對光學窗口。根據本專利技術的另一方面，還提供了一種氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)的方法，其包括上述氣動光學波前測量系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)向同步控制器發(fā)出第一個指令，同步控制器收到第一個指令后向第一雙腔激光器和第一 CCD相機發(fā)出第一個控制信號；收到第一個控制信號后，第一雙腔激光器按照計算機系統(tǒng)預定好的第一預定脈沖時序依次發(fā)射照亮風洞實驗艙內流場的激光束；第一 CCD相機按照計算機系統(tǒng)預定好的第二預定脈沖時序依次對被激光照亮的背景圖像拍照；計算機系統(tǒng)存儲第一 CCD相機每一次拍攝的被激光照亮的背景圖像；計算機系統(tǒng)向同步控制器發(fā)出第二個指令，同步控制器收到第二個指令后向第二雙腔激光器和第二 CCD相機發(fā)出第二個控制信號；收到第二個控制信號后，第二雙腔激光器按照計算機系統(tǒng)預定好的第三預定脈沖時序依次發(fā)射照亮風洞實驗艙內流場的激光束；第二 CCD相機按照計算機系統(tǒng)預定好的第四預定脈沖時序依次對被激光照亮的背景圖像拍照；計算機系統(tǒng)存儲第二 CCD相機每一次拍攝的被激光照亮的背景圖像；計算機對其保存的背景圖像和參考圖像進行互相關計算，得到背景圖像的圖像位移，再通過圖像位移與氣動光學波前的關系計算得到不同時刻的氣動光學波前畸變，其中，上述過程中，第一預定脈沖時序、第二預定脈沖時序、第三預定脈沖時序依及第四預定脈沖時序的每相鄰兩個脈沖時序之間的時間間隔均小于或等于0. 2微秒 10微秒。進一步地，第一雙腔激光器收到第一個控制信號后，第一激光器的每一激光腔按 照第一預定脈沖時序發(fā)出激光束，每一激光束依次經過第一半透半反鏡、背景圖像、風洞實驗艙、凸透鏡、小孔、第二半透半反鏡及第二反射鏡，第一 CCD相機按照第二預定脈沖時序曝光而分別對由第二反射鏡反射后的被每一激光束照亮后的背景圖像進行拍攝。進一步地，當第一雙腔激光器和第一 CXD相機工作時，第二雙腔激光器及第二 CXD相機關閉。進一步地，第二雙腔激光器收到第二控制信號后，第二雙腔激光器的每一激光腔按照第三預定脈沖時序發(fā)出激光束，每一激光束依次經過第一反射鏡，第一半透半反鏡、背景圖像、風洞實驗艙、凸透鏡、小孔、第二半透半反鏡，第二 CCD相機按照第二預定脈沖時序曝光而分別對由第二半透半反鏡透過的被每一激光束照亮后的背景圖像進行拍攝。進一步地，當第二雙腔激光器和第二 CXD相機工作時，第一雙腔激光器及第一 CXD相機關閉。本專利技術具有以下有益效果本專利技術利用雙腔第一及第二激光器，減少了每相鄰兩次激光束之間的間隔時間，從而有效地縮減了拍攝相鄰兩次氣動光學波前圖像之間的時間間隔，再通過背景圖像在不同時刻的位移進而計算出不同時刻的氣動光學波前畸變，以實現全場氣動光學波前畸變的超高頻測量。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本專利技術還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本專利技術作進一步詳細的說明。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。在附圖中圖I是本專利技術優(yōu)選實施例的氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)的示意圖；以及圖2是本專利技術優(yōu)選實施例的使用氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)的方法的示意圖。具體實施例方式以下結合附圖對本專利技術的實施例進行詳細說明，但是本專利技術可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。參見圖1，本專利技術優(yōu)選實施例的氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)用于對通過風洞實驗艙10的激光束的氣動光學波前畸變進行超高頻測量。風洞實驗艙10包括光學窗口 12，以便于被激光束照亮的背景圖像光線透過風洞實驗艙10的光學窗口 12。進行氣動光學波前測試時，風洞實驗艙10內產生超聲速流場。氣動光學波前測量系統(tǒng)包括并排設置的第一雙腔激光器20和第二雙腔激光器26、第一半透半反鏡30、第一反射鏡36、背景圖像40、凸透鏡50、小孔55、第二半透半反鏡60、第二反射鏡66、第一 CXD相機70、第二 CXD相機72、同步控制器80及計算機系統(tǒng)90。第 一CCD相機70和第二 CCD相機72均為跨幀相機。在其它實施方式中，也可以使用多個雙腔激光器并排使用。優(yōu)選地，第一及第二雙腔激光器20、26、發(fā)射單脈沖激光束的寬度為6ns，單脈沖激光束的能量最高可達500mJ，波長λ等于532nm。第一雙腔激光器20的出光口正對第一半透半反鏡30。第二雙腔激光器26的出光口正對第一反射鏡36。顯然地，在其它實施方式中，第一雙腔激光器20和第二雙腔激光器26也可以為多腔激光器；也可以采用多個雙腔激光器并排使用。背景圖像40位于風洞實驗艙10的一側，且正對風洞實驗艙10側壁的光學窗口12。背景圖像40正對第一半透半反鏡30。第一雙腔激光器20或第二雙腔激光器26發(fā)射的激光束經過通過第一半透半反鏡30和第一反射鏡36進行本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣動光學波前超高頻測量系統(tǒng)，用于對通過超聲速風洞實驗艙的激光束的氣動光學波前畸變進行超高頻測量，所述超聲速風洞實驗艙產生超聲速流場，其特征在于，所述氣動光學波前測量系統(tǒng)包括：并排設置的至少一個第一雙腔激光器及至少一個第二雙腔激光器；第一半透半反鏡，所述第一半透半反鏡正對所述第一雙腔激光器的出光口；第一反射鏡，所述第一反射鏡正對所述第二雙腔激光器的出光口；并排設置的第一CCD相機和第二CCD相機；同步控制器，所述第一及第二CCD相機和所述第一及第二雙腔激光器均連接于所述同步控制器；計算機系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)連接于所述第一及第二CCD相機和所述同步控制器；第二半透半反鏡，所述第二半透半反鏡正對所述第二CCD相機的鏡頭；第二反射鏡，所述第二反射鏡正對所述第一CCD相機的鏡頭；分別位于所述風洞實驗艙的相對兩側的背景圖像及凸透鏡，所述背景圖像與所述第一及第二雙腔激光器位于同一側，且鄰近所述第一半透半反鏡；及位于所述凸透鏡和所述第二半透半反鏡之間的小孔。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：易仕和，田立豐，陳植，何霖，趙玉新，周勇為，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發(fā)明
國別省市：