專利名稱：空間三維流場實時測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種空間三維流場實時測量系統(tǒng)，屬于流場測量技術(shù)領(lǐng)域。
流場分布測量技術(shù)，是研究發(fā)動機燃燒過程、飛行器氣動布局、艦船外形、推進器效率等的重要技術(shù)；而實時流場測量，則是流場動態(tài)過程測量的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的測量方法一直是采用馬赫一澤德干涉儀、全息干涉儀、莫爾條紋干涉儀來獲取流場信息的，干涉儀的共同缺點是干涉條紋分析判讀困難，無法實現(xiàn)實時測量。美國Philips實驗室首先將一維哈特曼(Hartmann)波前傳感器用于流場測量，但這種傳感器只能用于流場的二維測量，限制了其應(yīng)用范圍。文獻“Hartmann Sensor and Dynamic Tomographical Analysis oforganized structure in Flow Field”(美國AIAA94-2548報告，作者Philips實驗室的L.Mcmackin等)介紹了這種測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種三維波前誤差獲取方便、速度快、實時、對測量光源相干長度要求低、結(jié)構(gòu)緊湊的空間三維流場實時測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施達到空間三維流場實時測量系統(tǒng)，由測量子系統(tǒng)和主計算機組成。在不同投射角(θ≥0°)的測量子系統(tǒng)的激光器輸出的光束，經(jīng)擴束物鏡后以不同的投射角(θ)穿過被測流場，經(jīng)口徑匹配物鏡入射到二維哈特曼波前傳感器后，二維哈特曼波前傳感器輸出的信號經(jīng)A/D數(shù)字化，輸入處理機得到二維哈特曼波前傳感器的子孔徑波前傾斜分布信息，再送主計算機解算出三維波前層析位相分布，從而測出流場的三維分布。
本發(fā)明的目的還可以通過以下措施來達到測量子系統(tǒng)中的二維哈特曼波前傳感器，其采樣過程均在主計算機控制下同步進行；二維哈特曼波前傳感器由二維微透鏡陣列和二維CCD相機組成，二維微透鏡陣列的焦面在二維CCD相機的靶面上，


圖1為發(fā)明測量原理圖(θ＝0°)圖2為二維面陣哈特曼波前傳感器結(jié)構(gòu)3為二維面陣哈特曼波前傳感器A視4為本發(fā)明測量原理圖(θ＞0°)本發(fā)明將結(jié)合附圖作進一步詳述如圖1所示空間三維流場實時測量系統(tǒng)，由包括激光器(1)，擴束物鏡(2)，口徑匹配物鏡(3)，二維哈特曼波前傳感器(4)，處理機(5)的測量子系統(tǒng)和主計算機(6)組成。其測量子系統(tǒng)工作方法為激光器(1)輸出的激光光束，經(jīng)擴束物鏡(2)擴束成大口徑的平行激光，穿過被測流場(7)后，經(jīng)口徑匹配物鏡(3)，入射二維哈特曼波前傳感器(4)，二維哈特曼波前傳感器(4)輸出的信號經(jīng)A/D數(shù)字化，輸入處理機(5)求出二維哈特曼波前傳感器(4)的子孔徑波前傾斜分布，再送主計算機(6)解算波前位相分布和流場三維層析分布。
如圖2和圖3所示二維面陣哈特曼傳感器(4)由一個二維微透鏡陣列(8)和一個二維CCD相機(9)組成。測量時，哈特曼波前傳感器(4)的y0軸，與被測流場(7)的在z軸(流場速度方向)平行，這樣在同一時刻采樣時，哈特曼傳感器(4)的y0j的微透鏡單元行，可以獲得被測流場(7)過zj點并垂直于z軸剖面的層析位相信息，同樣道理哈特曼波前傳感器(4)上，y01，y02，…y0i…yon的微透鏡單元行，可以分別獲得被測流場(7)垂直于z軸，并過z1，z2…zi…zn點各層析面的位相分布信息，從而獲得被測流場(7)的空間
體積內(nèi)三維位相分布信息，(S為被測流場(7)垂直于z軸的剖面面積)。如圖4所示從二維哈特曼傳感器(4)測得的信息，重構(gòu)被測流場(7)垂直于z軸剖面內(nèi)位相分布，需要不同激光投射角(θ)的測量數(shù)據(jù)，考慮到實時測量的要求，則需要在不同的激光投射角(θ)方向上，都有一個包括激光器(1)，擴束物鏡(2)，口徑匹配物鏡(3)，二維哈特曼波前傳感器(4)，處理機(5)的測量子系統(tǒng)。圖4中，三個測量子系統(tǒng)的采樣過程，均在主計算機(6)控制下同步進行。被測流場(7)的分布對稱性越高，則所需的測量子系統(tǒng)個數(shù)越少。如圖1所示，若被測流場(7)以z軸對稱時，只要用一個測量子系統(tǒng)(θ＝0°)，就能測得所需的全部信息。對不同的投射角(θ)，在極坐標(biāo)系內(nèi)獲得的位相分布為Radon變換值，如下所示φ(p，θ)＝∫n(γ，)δ[p-rsin(-θ]dγdφ(p，θ)為過p，與x軸夾角為θ光線路徑積分位相；n(γ，)為折射率分布；在直角坐標(biāo)系中為φ(p，θ)＝∫n(x，y)δ(p-xcosφ-ysinφ)dxdy不同角度的數(shù)據(jù)，再經(jīng)Radon逆變換
即可重構(gòu)流場內(nèi)的波前折射率分布，由折射率n與密度ρ的關(guān)系p(n2-1n2+1)=C]]>C為常數(shù)，可以算出流場內(nèi)密度分布，由密度ρ與壓力P的關(guān)系PP0=(ρρ0)r]]>P被測流場壓力；P0參數(shù)點壓力或總壓力；ρ0參數(shù)點密度或總密度；r＝1.4可以算出流場內(nèi)壓力P分布。由密度ρ與速度V關(guān)系式VCf={2r-1[1-(ρρ0)r-1]}1/2]]>Cf臨界條件下聲速可以算出流場內(nèi)速度分布。由密度ρ與溫度T的關(guān)系ρ=MPRT]]>P壓力，M氣體分子量，T溫度，R氣體常數(shù)?？梢运愠隽鲌鰞?nèi)溫度分布。
實施例如圖1所示，一個橫模為TEM00、輸出功率～1mw的He-Ne激光器(1)，其輸出用以顯微物鏡、濾波針孔和望遠鏡組成的擴束物鏡(2)擴束的平行光，穿過軸對稱流場(7)，方向與該流場中心軸z方向垂直。穿過流場的光束經(jīng)口徑匹配物鏡(3)后，入射由30×30單元的微透鏡陣列和TN-9701CCD相機組成的二維哈特曼波前傳感器(4)的CCD靶面，CCD相機的輸出信號輸入處理機(5)，求出二維哈特曼傳感器(4)的子孔徑波前傾斜分布，傾斜分布信息再送主計算機(6)解算波前層析位相分布，用前面所給出的公式，重構(gòu)30個層析面上的位相分布。再根據(jù)要求，換算成密度分布、溫度分布、速度分布等。
本發(fā)明相比已有技術(shù)具有如下優(yōu)點1.采用由微透鏡陣列和二維面陣CCD構(gòu)成的哈特曼波前傳感器，可以實時測量三維空間內(nèi)流場的瞬態(tài)分布。
2.當(dāng)二維哈特曼波前傳感器所用二維面陣CCD為逐行掃描方式，并且測量光源為超短脈沖激光時，本發(fā)明可以用于超高速流場(如爆炸過程)三維分布動力學(xué)過程研究。
3.與已有的空間三維流場測量系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有波前誤差獲取方便、快捷，可以實現(xiàn)實時測量和超快過程的測量，對光源相干度要求低等諸多優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.空間三維流場實時測量系統(tǒng)，由測量子系統(tǒng)和主計算機組成，測量子系統(tǒng)的激光器(1)輸出的光束，經(jīng)擴束物鏡(2)形成的大口徑平行光穿過被測流場(7)，口徑匹配物鏡(3)入射到二維哈特曼波前傳感器(4)后，輸出的信號經(jīng)A/D數(shù)字化，輸入處理機(5)處理，再送主計算機(6)解算出流場分布，其特征在于在不同投射角的測量子系統(tǒng)的激光均穿過被測流場(7)，投射角θ≥0°；各二維哈特曼波前傳感器(4)的信號經(jīng)A/D數(shù)字化，輸入處理機(5)得出各二維哈特曼波前傳感器(4)的子孔徑波前傾斜分布信息，再送主計算機(6)解算出三維波前層析位相分布，從而測量流場的三維分布。
2.如權(quán)利要求1所述的空間三維流場實時測量系統(tǒng)，其特征在于二維哈特曼傳感器(4)由二維微透鏡陣列(8)和二維CCD相機(9)組成，二維微透鏡陣列(8)的焦面在二維CCD相機(9)的靶面上。
3.如權(quán)列要求1或2所述的空間三維流場實時測量系統(tǒng)，其特征在于測量子系統(tǒng)中的二維哈特曼波前傳感器(4)，其采樣過程均在主計算機(6)控制下同步進行。
全文摘要
空間三維流場實時測量系統(tǒng),屬于流場動態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在不同投射角(θ≥0°)的測量子系統(tǒng)的激光均穿過被測流場,各二維哈特曼波前傳感器輸出的信號經(jīng)數(shù)字化,輸入處理機得出各子孔徑波前傾斜分布信息,再送主計算機解算出三維波前層析位相分布,從而測出流場的三維分布。該系統(tǒng)具有實時測量三維流場瞬態(tài)分布的能力,以超短脈沖激光做照明光源,則可以測量超高速流場的動力學(xué)過程。
文檔編號G01M10/00GK1245894SQ9811221
公開日2000年3月1日 申請日期1998年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月26日
發(fā)明者張雨東, 姜凌濤, 姜文漢 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所