[发明专利]一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统

说明书

本发明涉及一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统，该系统使用普通双腔脉冲激光器和常规工业相机就能够达到纳秒量级的时间分辨率。该系统主要设备为照明激光器、工业相机、同步器、点火激光器、照明透镜组和聚焦点火透镜组。本系统由点火激光器诱导空泡形成，并利用同步器调整照明激光器、点火激光器和工业相机的工作时序，使照明激光器发出的2次激光脉冲均曝光在工业相机采集的一张图片上。调整点火激光器与照明激光器第一次激光脉冲之间的时间间隔，拍摄空泡生长过程的双曝光图片。本发明具有成本较低，稳定性高，可操作性强等特点，使用常规设备实现了纳秒时间分辨率的空化过程测量，在水力机械领域的空化实验研究中具有重要的推广价值。

技术领域

本发明属于水力机械研究领域，特别涉及一种用于空化研究的使用普通双腔脉冲激光设备达到纳秒精度的图像测量系统。

背景技术

空化空蚀现象一直以来是制约水力机械安全、高效与稳定运行的瓶颈问题。空化是一种持续时间短、过程复杂的物理现象。以激光诱导空化为例，从空化初生到空化结束的时间约在100微秒量级，初生和溃灭过程中产生的冲击波速度达到数千米每秒，而空泡尺度在数百微米量级。因此，进行空化实验研究的基础是能够以足够高的时间和空间分辨率测量空化过程的测量设备。随着高速摄影技术和光学技术的发展，激光诱导空泡实验成为研究空化现象及其机理的有效手段。在实验中对空化现象的拍摄一般用到高速相机、分幅相机以及条纹相机。其中高速相机可连续拍摄100帧以上图像，应用广泛，常规高速相机的帧频在1万帧/秒的量级，最高帧频可达1000万帧/秒左右。利用高速相机搭建的图像测量系统可以拍摄激光诱导空泡的中间发展过程，但是仍然满足不了对空泡初生和溃灭阶段的精确测量需求。要清晰研究空泡初生和溃灭阶段的各种超快现象，时间分辨率需要达到1亿帧/秒量级。虽然分幅相机和条纹相机能够达到这一时间分辨率，但是分幅相机和条纹相机的光学结构复杂、用到大量昂贵部件，实验调试、安装和操作难度大，价格昂贵，难以在空化研究领域推广应用。因此，亟需一种使用常规设备就能达到纳秒时间分辨率(亿帧/秒)的图像测量系统来满足空化实验研究的相关需求。

发明内容

本发明的目的为了克服已有技术的不足之处，提出一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统，该图像测量系统仅使用普通双腔激光设备即可达到纳秒时间分辨率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统，其特征在于，该系统包括共第一光轴设置的照明激光器、照明透镜组和工业相机，共第二光轴设置的点火激光器和聚焦点火透镜组，与所述照明激光器和点火激光器连接的同步器，装有蒸馏水的透明玻璃池，三维摄影控制台和计算机；其中，

所述第一光轴和第二光轴垂直设置，所述照明透镜组、工业相机和聚焦点火透镜组分列于所述透明玻璃池的三侧；

所述照明激光器采用双腔脉冲激光器，所述点火激光器采用单腔脉冲激光器；所述同步器的相应接口分别与所述照明激光器和点火激光器的各激光腔体以及工业相机连接，以此控制点火激光器和照明激光器的各激光腔体发出脉冲激光束的时间和能量密度，并控制工业相机的拍摄曝光时间；所述点火激光器发出的脉冲激光束在经聚焦点火透镜组先扩束再聚焦形成的焦点处的能量密度超过蒸馏水的击穿阈值，以在焦点处形成空泡；所述照明激光器中第二激光腔体发出的脉冲激光束的时间晚于第一激光腔体发出的脉冲激光束的时间，且时间间隔小于10ns；所述工业相机固定于所述三维摄影控制台上，由同步器控制工业相机的快门打开时刻和持续时间使照明激光器发射的两次脉冲激光束均在工业相机的单张图片曝光时间内，得到空泡生长过程的双曝光图像，该图像在所述计算机上显示。

本发明技术特点以及有益效果如下：