[发明专利]气动光学波前超高频测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别地，涉及一种用于超声速成像制导、航空摄像和机载望远镜等领域的气动光学波前超高频测量系统。此外，本发明还涉及一种包括上述测量系统的方法。

背景技术

气动光学波前测量技术可用于研究超声速成像制导、航空摄像和机载望远镜等领域遇到的气动光学效应。现有的测量方法有很多种，比如：干涉测量法、小孔径光束技术及Malley探针测量法等。常用的Malley探针测量法通过位置传感器以很高的频率测量光束的偏折，只能测量单点波前，不能进行全场测量。Malley探针测量法是利用冻结流假设，冻结流假设认为，气流经过光束的过程中，流场的折射率只有沿气流方向上的平移，而没有空间分布的变化。然而，实际流场中，对流速度是非定常的，流场结构也是发展变化的，因此冻结流假设并不是严格正确的。尤其是对于超声速流动的气动光学研究而言，急需一种高频、全场测量波前畸变的技术和设备。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够测量时间间隔达到微秒量级的全场气动光学波前的系统和方法，以获取超声速湍流气动光学波前变化时间历程的数据，实现超高频测量。并且，本发明的气动光学波前测量系统的设备简单，易于操作。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种气动光学波前超高频测量系统，用于对通过超声速风洞实验舱的激光束的气动光学波前畸变进行超高频的测量，超声速风洞实验舱产生超声速流场，包括并排设置的第一双腔激光器及第二双腔激光器；第一半透半反镜，第一半透半反镜正对第一双腔激光器的出光口；第一反射镜，第一反射镜正对第二双腔激光器的出光口；并排设置的第一CCD相机和第二CCD相机；同步控制器，第一及第二CCD相机和第一及第二双腔激光器均连接于同步控制器；计算机系统，计算机系统连接于第一及第二CCD相机和同步控制器；第二半透半反镜，第二半透半反镜正对第二CCD相机的镜头；第二反射镜，第二反射镜正对第一CCD相机的镜头；分别位于风洞实验舱的相对两侧的背景图像及凸透镜，背景图像与第一及第二双腔激光器位于同一侧，且邻近第一半透半反镜；及位于凸透镜和第二半透半反镜之间的小孔。

进一步地，第一及第二CCD相机均为跨帧相机。

进一步地，第一双腔激光器和第一CCD相机同时使用；第二双腔激光器和第二CCD相机同时使用。

进一步地，第一或第二双腔激光器发射的每一束激光束正好分别处于对应的第一或第二CCD相机的曝光时间范围之内。

进一步地，风洞实验舱设有光学窗口，背景图像和凸透镜均正对光学窗口。

根据本发明的另一方面，还提供了一种气动光学波前超高频测量系统的方法，其包括上述气动光学波前测量系统，计算机系统向同步控制器发出第一个指令，同步控制器收到第一个指令后向第一双腔激光器和第一CCD相机发出第一个控制信号；收到第一个控制信号后，第一双腔激光器按照计算机系统预定好的第一预定脉冲时序依次发射照亮风洞实验舱内流场的激光束；第一CCD相机按照计算机系统预定好的第二预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像拍照；计算机系统存储第一CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的背景图像；计算机系统向同步控制器发出第二个指令，同步控制器收到第二个指令后向第二双腔激光器和第二CCD相机发出第二个控制信号；收到第二个控制信号后，第二双腔激光器按照计算机系统预定好的第三预定脉冲时序依次发射照亮风洞实验舱内流场的激光束；第二CCD相机按照计算机系统预定好的第四预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像拍照；计算机系统存储第二CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的背景图像；计算机对其保存的背景图像和参考图像进行互相关计算，得到背景图像的图像位移，再通过图像位移与气动光学波前的关系计算得到不同时刻的气动光学波前畸变，其中，上述过程中，第一预定脉冲时序、第二预定脉冲时序、第三预定脉冲时序依及第四预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的时间间隔均小于或等于0.2微秒~10微秒。

进一步地，第一双腔激光器收到第一个控制信号后，第一激光器的每一激光腔按照第一预定脉冲时序发出激光束，每一激光束依次经过第一半透半反镜、背景图像、风洞实验舱、凸透镜、小孔、第二半透半反镜及第二反射镜，第一CCD相机按照第二预定脉冲时序曝光而分别对由第二反射镜反射后的被每一激光束照亮后的背景图像进行拍摄。

进一步地，当第一双腔激光器和第一CCD相机工作时，第二双腔激光器及第二CCD相机关闭。