[發明專利]基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脈動測量方法

在審

• 申請號: 201510245218.8
• 申請日: 2015-05-14
• 公開（公告）號: CN105044385A
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 發明（設計）人: 楊富榮;陳力;鮑偉義;蘇鐵;陳爽;劉亭序;李仁兵
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 成都蓉信三星專利事務所(普通合伙) 51106
• 代理人: 劉克勤;謝天府

技術領域

本發明涉及實驗空氣動力學氣體流場流動速度脈動非接觸測量領域，具體地講是一種實現氣體流場速度脈動非接觸測量的方法。

背景技術

流體的流動速度是流場最為基本的物理量,對流動特征的認識很大程度上取決于速度場的獲得，隨著現代航空、航天技術以及空氣動力學科的迅速發展，超聲速、高超聲速復雜流動速度脈動的測量需求變得更加迫切,發展先進的速度脈動測量技術,為實驗空氣動力學提供可靠的速度測量結果,對國家先進飛行器及武器裝備的快速發展,推動空氣動力學科不斷進步具有十分重要的意義。從二十世紀四十年代起,流場速度測量技術就已經作為一種專門的學問而存在，目前能夠實現流場速度脈動測量的技術主要有熱線風速儀和激光多普勒測速儀兩種,熱線風速儀多用于亞聲速、跨聲速流動速度脈動測量，并且屬于接觸式測量,對流場存在一定的干擾；激光多普勒測速儀在速度測量時需要添加示蹤粒子，受粒子添加技術及示蹤粒子本身跟隨性的影響，其在高速非定常流動的速度測量中受到較多的限制，甚至無法測量。即現有的速度測量技術均無法滿足超聲速、高超聲速復雜流動速度脈動的測量需求。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脈動測量方法，用該方法可實現對超聲速、高超聲速復雜流動速度脈動的測量。

實現本發明的技術方案是：一種基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脈動測量方法，該方法包括如下步驟：

1）確定氣體流場測量點位置，將激光器輸出激光聚焦于該測量點處；

2）在與激光束成一定夾角方向，以較小立體角收集測量點氣體流場瑞利散射光；

3）利用法布里-珀羅干涉儀將收集的瑞利散射光形成多光束干涉條紋；

4）利用EMCCD采集記錄瑞利散射光經法布里-珀羅干涉儀形成的干涉條紋；

5）利用法布里-珀羅干涉儀，將激光器輸出的窄線寬激光形成多光束干涉條紋，并利用EMCCD采集，作為參考干涉條紋；

6）將EMCCD采集記錄的數據傳輸至圖像處理系統，利用數字圖像處理算法，計算瑞利散射干涉條紋相對于參考激光形成的干涉條紋的位置偏移量；

7）數據處理分析，計算流場速度引起的多普勒頻移，獲得流場速度脈動測量結果。

所述步驟1）所述激光器為大功率窄線寬連續型激光器。

所述步驟3）所述法布里-珀羅干涉儀為空氣間隙干涉儀或固體法布里-珀羅干涉儀。

所述步驟4）與步驟5）所述EMCCD為高幀頻快響應EMCCD。

所述步驟4）與步驟5）所述EMCCD工作于線陣模式，以提高干涉條紋采集幀頻。

所述步驟2）中，通過設置激光束與散射光收集方向的不同夾角，實現測量點不同方向速度脈動測量。

本發明的有益效果是：

1、利用法布里-珀羅干涉儀對瑞利散射光譜的高精度分辨，實現氣體流場速度脈動的高精度測量。

2、非接觸測量，避免干擾被測流場。

3、不需外加示蹤粒子，實現氣體流場速度脈動高精度非接觸測量，可操作性強。

4、可用于低速、超聲速、高超聲速流動速度脈動測量，應用范圍廣泛。

附圖說明

圖1本發明實施光路示意圖。

圖中標號，1—激光器，2—激光束，3—透鏡，4—測點位置，5—瑞利散射光，6—光學透鏡組，7—法布里-珀羅干涉儀，8—成像透鏡，9—EMCCD，10—計算機。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脈動測量方法，該方法包括如下步驟：

（1）確定需要測量的氣體流場測點位置，將大功率窄線寬連續激光器1輸出的激光束2，經過透鏡3會聚后照射待測氣體流場，激光束的焦點位于需要測量的氣體流場測點位置4處。

（2）在與激光束成一定夾角方向，利用光學透鏡組6，以一很小立體角收集測量點氣體分子的瑞利散射光5，并形成平行光束，傳輸至布里-珀羅干涉儀7，實施時可通過設置不同的夾角方向，測量測量點不同方向的速度脈動。

（3）測量點氣體流場瑞利散射光，經過法布里-珀羅干涉儀7和成像透鏡8，基于多光束干涉原理，形成一系列干涉條紋，實現瑞利散射光信號的高精度光譜分辨。

（4）利用高幀頻的EMCCD9，采集記錄不同時刻瑞利散射信號經法布里-珀羅干涉儀7形成的干涉條紋，不同速度的氣體流場，引起的多普勒頻移量也不相同，在像平面形成的干涉條紋的空間位置也將不同。