基于Ｈ－Ｓ波前传感器的超声速流场探测系统及其探测方法技术方案

一种基于Ｈ－Ｓ波前传感器的超声速流场探测系统，由Ｈｅ－Ｎｅ激光器、光束扩束系统、产生流场的超声速风洞、待测试模型、Ｈ－Ｓ波前传感器、图像采集卡和数据采集处理计算机组成，采用本发明专利技术所述的流场探测方法能非常方便地获得激光穿越流场后的波面相位分布和光束像差特性，如波面三维分布、ＰＶ和ＲＭＳ值、各阶Ｚｅｒｎｉｋｅ像差系数，进一步分析计算还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布和Ｓｔｒｅｈｌ比等，并且基于哈特曼－夏克波前传感器的这种方法可以很好地反映流场建立、稳定和结束的全过程。并且数据分析处理软件还具有实时性好、便于实施对流场动态特性进行准确探测的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种流场探测系统及其探测方法，特别是一种基于哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器的超声速流场探测系统及其探测方法。
技术介绍
在超声速飞行器上进行光学探测或测距时，由于飞行器的外围会形成一个复杂外流场，包括分离、湍流边界层和尾流的发展、渗混边界层和粘性尾流相互作用等，而且可能形成复杂的涡系和强度不同的压缩波和膨胀波，包括激波等，从而形成密度变化梯度很强的区域，并且这些情况随飞行器飞行的不同状态而变化。这样的复杂流场会使激光在传输过程中产生各种波前畸变，若经长程传输，光束畸变将进一步加剧，严重降低光束质量，从而使激光探测或测距产生较大误差，流场对光束的影响可以通过仿真计算和实验测量相结合的方法进行研究。目前，通过实验获得激光穿过超声速流场的传输特性常用方法是干涉法、烟雾法等。烟雾法是在流场中注入某些特定的有颜色的气体，根据气体形态的变化反映流场的某些特性譬如流场涡系的形状(参见朱自强，吴子牛，李津，等.应用计算流体力学.北京北京航空航天大学出版社，1998)。这种方法可以获得流场的某些定性特性，但缺点是难以获得定量的数据。而干涉法原理是用待测光束与标准参考光束进行干涉，然后对干涉条纹进行处理以获得波面像差数据，优点是可以获得定量数据，但缺点在于需要对干涉仪光路进行调整以产生干涉条纹，耗时较长；并且干涉法对外界环境要求较高，一般要获得较高精度的测量都需在气垫防震平台上进行操作。而超声速风洞流场则是一个震动较剧烈、干扰较强的环境，因而对干涉法的应用产生了一定限制。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出了一种基于哈特曼-夏克波前传感器方法的超声速流场测试探测系统及其探测方法，可以非常方便地获得激光穿越流场后的波面相位分布和光束像差特性，如波面三维分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，进一步分析计算还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布和Strehl比等，并且基于可以很好地反映流场建立、稳定和结束全过程。本专利技术的技术解决方案是基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，它由He-Ne激光光源、光束扩束系统、超音速风洞、位于超音速风洞流场中待测试模型、H-S波前传感器、数据处理和分析计算机构成，He-Ne激光光源经过光束扩束系统扩束之后，从超音速风洞流场的左侧光学窗口进入超音速风洞流场中，透过待测试模型上一侧的窗口后，从待测试模型上的另一侧窗口及超音速风洞流场的右侧光学窗口穿出，穿越超音速风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器进行探测，通过计算机对H-S波前传感采集到的数据进行实时处理并分析。基于H-S波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于通过下列步骤实现(1)首先使He-Ne激光光源发出的光通过光束扩束系统，并对He-Ne激光光源和光束扩束系统进行光路共轴调整；(2)再将待测试模型置于超声速风洞中中，待测模型的锥形面两侧均开有材料为K9的玻璃窗口，使扩束后的He-Ne激光从锥形面一侧穿入，另一侧穿出；(3)穿越风洞后的He-Ne激光由H-S波前传感器进行探测，对H-S波前传感器进行调整，使光束经H-S波前传感器的缩束系统、微透镜阵列、最后成像于其CCD靶面上，探测良好的光束应为圆形对称的均匀光斑点阵；然后，采集多帧(一般范围为1～300帧，但采集帧数越多则耗时越长，一般实验条件下采集100帧即可)静态数据并对其求平均值，作为最初的定标数据；(4)施加超声速风洞流场，流场参数由风洞测控系统进行测试，主要参数有气流来流温度T，风洞马赫数M，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压等。流场测控参数比如气流来流温度T，风洞流场中两点静压，即静压A和静压B，流场总压等可由风洞测控系统中的温度传感器和压力传感器直接测定。参数值依照每次实验的要求而定。并且流场参数间存在一定关系，可以由流体力学中的相关公式进行表达。比如对静压来讲，设试验时测得的喷管(本实验使用拉阀尔喷管，这是超音速风洞产生超音速气流的关键部件)侧壁上沿轴向任一静压孔处的压力值为Pi，则该测压孔处的静压P可按下式计算P＝Pa+Pi式中Pa为大气压强，Pi可正可负，若P＜Pa时，Pi为负。由风洞稳定段经喷管到试验段的气流近似可认为是绝热等熵过程，因此测点处气流马赫数M数可根据测出的静压按下式求得M=2k-1=5]]>(空气k＝1.4)式中P0为气流总压，近似等于稳定段内的压强(因为稳定段内的流速很低，静压近似等于总压)，这个压强可用压力表读出。应该注意，压力表读出的数值为表压，计算时，应换算成绝对压力，即表压加上一个大气压Pa。下面举例说明，实验中的一组测控参数(由压力传感器直接测定)为总压P0＝2.386kg，静压A＝0.302kg，静压B＝0.298kg。那么代入上式，喷管A处的气流马赫数为Ma＝2.006；喷管B处的气流马赫数为MB＝2.015，符合超声速流场要求。当给定气体来流温度或总温T0后，流场速度所能达到的理论最大值就已经确定，即vmax=2cpT0,]]>其中cp为等压摩尔热容。以上给出的只是几个比较简单的关系，风洞流场参数中有的物理量之间关系比较复杂，可参考相关流体力学参考文献，这里不逐一列出。(5)通过计算机对H-S波前传感器采集到的光斑图像采用模式法进行波前重构，得到激光穿越流场后的波面相位分布、PV和RMS值、各阶Zernike像差系数，并对数据进一步分析还可以得到光束远场分布，光束质心漂移特性，环围能量分布曲线和Strehl比。在所述的步骤(5)后进一步由光束波面分布得到观测区域内流场所造成的光程差分布，进而可以用数学相关的方法得出剪切层中相干结构(涡)的流动速度本专利技术与现有技术相比有如下有益效果(1)本专利技术采用H-S波前传感器作为超声速流场探测器件，是利用一个微透镜阵列将被测孔径分开为许多子孔径，用CCD等成像器件测出阵列透镜焦平面上畸变波前所成像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差，然后按照特定的数学波前复原算法，即可求出全孔径波前相位分布或光程差分布，因此具有结构简单、使用方便、对环境干扰不敏感、容易得到定量数据等优点。而且采用更高空间分辨率和采样频率的哈特曼波前传感器可以更精细地测量波面随时间、空间以及不同流场参数的变化情况。(2)通过H-S波前传感器来测量穿过超声速流场的激光束的波面变化，再通过波前复原软件，可以方便地得到波前相位分布，各阶像差Zernike系数，进一步计算获得光束质心漂移、环围能量分布、Strehl比等定量数据，并可以很好地反映流场建立、稳定和结束全过程。为对超声速风洞流场的理论仿真研究提供实验验证，并为实际的设计提供准确的实验定量依据。附图说明图1为本专利技术的基于H-S波前传感器的超声速流场探测基本原理及光路设置示意图；图2为待测试模型几何结构示意图；图3为无流场(a)和有流场(b)时激光波面的PV和RMS随时间(采样帧数)变化曲线；图4为采集到的第50帧波面相位的二维分布；图5为第50帧波面的第3～35阶Zernike系数(去除了第1、2阶倾斜像差)；图6为由第50帧波面进一步计算得到的远场光斑二维分布；图7为第50帧波面计算得到的远场光斑的环围能量积分曲线，其中红色为理论值，蓝色为测量值；图8本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Ｈ－Ｓ波前传感器的超声速流场探测系统，其特征在于：它由Ｈｅ－Ｎｅ激光光源（１）、光束扩束系统（２）、超音速风洞（４）、位于超音速风洞（４）流场中待测试模型（５）、Ｈ－Ｓ波前传感器（６）、数据处理和分析计算机（７）构成，Ｈｅ－Ｎｅ激光光源（１）经过光束扩束系统（２）扩束之后，从超音速风洞（４）流场的左侧光学窗口（３）进入超音速风洞（４）流场中，透过待测试模型（５）上一侧的窗口后，从待测试模型（５）上的另一侧窗口及超音速风洞（４）流场的右侧光学窗口（３’）穿出，穿越超音速风洞（４）后的Ｈｅ－Ｎｅ激光由Ｈ－Ｓ波前传感器（６）进行探测，通过计算机对Ｈ－Ｓ波前传感（６）采集到的数据进行实时处理并分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，王春鸿，鲜浩，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]