[发明专利]一种高速瞬态纹影系统

说明书

一种高速瞬态纹影系统，包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；光源替代系统将高频脉冲激光经过空间准直、消像散差后经过马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ后形成高频的脉冲平行光；脉冲平行光经过风洞的试验段模型流场后经反射镜Ⅱ、马蹄镜Ⅱ会聚到刀口，数据采集与记录替代系统采集经刀口切割后的瞬态密度梯度变化图像；所述的高频为高于试验段模型流场的拟序结构移动速度对应的频率，所述的脉冲带宽满足泰勒流场冻结假设要求。

技术领域

本发明涉及建立高速瞬态纹影技术的多个关键组成设备，利用这些设备构成的纹影仪可作为实现Taylor冻结假设下密度梯度空间流场的高频率测试技术，属于航天航空实验技术领域。

背景技术

当前，航天航空风洞实验测量面临的技术难题是复杂空间流场特征(如转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰等)的同步测量和显示。传统纹影技术(1864年特普勒提出，22年后得到应用)以连续发光的卤钨灯作光源，采集的图像记录在胶片上。由于采用连续光源带来的时均效应，导致流场的波系结构和涡系结构相互叠加，这样所显示的流场只有密度间断面的激波比较清晰，其它流场信息很难识别；为解决时间分辨率问题，国外发明了火花光源(放电时间2us左右)来解决这一问题。由于火花光源采集频率很低(1Hz)，一次风洞试验只能采集一幅图像，经济效益低下，现在已经被弃用。

但是随着跨速域跨空域飞行器的出现，飞行器的飞行速度越来越高，带控制的升力体性质的气动布局越来越多，使流场的流型流谱越来越复杂，导致地面风洞实验模拟时对测试技术的要求越来越高，不仅要求较高的采样频率，还要求较多的流动细节。这样只能进行激波位置确认的传统纹影技术已经不能满足现代飞行器设计与风洞实验的要求，因此如何克服传统纹影技术在时间和空间分辨率方面的缺陷，成为国内外纹影技术研究者主要的攻关对象。国外提供的解决方案是提高采集设备的空间分辨率和采集速率，这反映在：1)他们首先引入了CCD相机替代胶片；2)后来又不断提高CCD相机的像素级别(由2×2个像素提高到目前的2048×2048个像素)；3)最近又将CCD相机的采集速度提升到百万Hz的水平(如2012年时，Laurence等人采用超高速Shimadzu HPV-1相机，实现了100kHz以上的采样频率，应用于流场测量后捕捉到了高超声速边界层的失稳频率，即Mack模态,但这一相机存在的主要问题是视野太小，空间分辨率太低；2014年德国宇航发展中心发展的CMOS相机，其时间分辨率可以达到2.8微秒，但是该相机的空间分辨率仅为1408×40像素)。

其实，解决传统纹影技术在时空分辨率方面缺陷的另一个方案是在满足Taylor冻结假设的前提下提高图像的空间分辨率，也即用曝光时间极短的光源替代连续光源，用高像素的专业CCD相机或CMOS相机替代低分辨率的CCD相机，这样就可以实现复杂空间流场特征(如转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰等)的同步测量和显示。最近(2013年)国内外出现的脉冲火花光源加高速相机的组合，其脉冲带宽虽可达25ns，解决了流场测试的时均效应问题，但由于脉冲火花易漂移和空气电离层堆积引起的放电不稳定，使流动显示的精准度下降，置信度降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：通过将曝光时间极短、时空性能稳定的高速脉冲激光光源和高空间分辨率/高速CMOS相机引入传统纹影仪，实现Taylor冻结假设下密度梯度流场的高频率测量。

本发明的技术解决方案是：一种高速瞬态纹影系统，包括由光源替代系统、马蹄镜Ⅰ、反射镜Ⅰ构成的准直光系统、由马蹄镜Ⅱ、反射镜Ⅱ、刀口、数据采集与记录替代系统构成的观视光系统以及同步控制系统；

准直光系统与观视光系统离轴Z字对称布置，当风洞试验的流场建立后，同步控制系统发出控制信号控制光源替代系统以及数据采集与记录替代系统开始工作；