[發(fā)明專利]基于哈特曼光線追跡的非均勻介質(zhì)場的測量系統(tǒng)及其方法

有效

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• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109883995B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孔明;王道檔;單良;趙軍;許新科;劉維;徐平;龔志東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學(xué)
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 楊樂

本發(fā)明公開了一種基于哈特曼光線追跡的非均勻介質(zhì)場的測量系統(tǒng)及其方法，包括內(nèi)部存在非均勻介質(zhì)場的測量空間、用于向測量空間射出與光軸形成偏轉(zhuǎn)角為θ的入射光線的投影屏、用于對入射光線穿透測量空間內(nèi)部的非均勻介質(zhì)場折射形成平行于光軸的偏折光線進(jìn)行匯聚成影像的物方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)；本發(fā)明采用彩色三步移相法，結(jié)合三維非均勻介質(zhì)場的反積分曲線三維重建算法，通過投影屏和遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的組合設(shè)置，實現(xiàn)了對非均勻介質(zhì)場的測量光線的準(zhǔn)確追跡及對三維空間折射率的瞬態(tài)折射特性測量，大大提高了測量精確度和效率；并且該系統(tǒng)整體設(shè)計精密，測量精度高，成本較低，應(yīng)用范圍廣，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值，適合推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)，尤其涉及一種基于哈特曼光線追跡的非均勻介質(zhì)場的測量系統(tǒng)及其方法，非均勻介質(zhì)場是指由于壓力、速度、溫度、密度、物質(zhì)等因素的空間分布不均勻形成的空間物理特性非均勻的空間場，包括由于溫度、壓力、流動形成的非均勻介質(zhì)場，也包括液液混合介質(zhì)、氣液混合介質(zhì)、氣體介質(zhì)形成的非均勻介質(zhì)場。

背景技術(shù)

非均勻介質(zhì)場是指由于壓力、速度、溫度、密度、物質(zhì)等因素的空間分布不均勻形成的空間物理特性非均勻的空間場，通過非均勻介質(zhì)場的測量能實現(xiàn)溫度、壓力、氣流等物理量的復(fù)現(xiàn)。因此，對非均勻介質(zhì)場的三維測量，在流體力學(xué)、傳熱學(xué)等科學(xué)研究以及能源、環(huán)境、動力及化工等很多行業(yè)中具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

化學(xué)反應(yīng)流、層流、湍流、稀薄流、低溫流動、高溫氣體動力學(xué)、超聲速和高超聲速流動，以及風(fēng)洞實驗、水洞流場都是典型的非均勻介質(zhì)場，準(zhǔn)確地實現(xiàn)非均勻介質(zhì)場的檢測，能為燃燒等化學(xué)反應(yīng)過程、空氣動力學(xué)設(shè)備的設(shè)計和控制等提供有效的參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)控制策略，在工業(yè)鍋爐、發(fā)電廠燃煤、燃?xì)鉁u輪機(jī)以及航空、汽車發(fā)動機(jī)燃燒、船舶推進(jìn)器、噴灑作業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，應(yīng)用于鍋爐的燃燒溫度場監(jiān)控，爐膛燃燒工況的不合理是導(dǎo)致鍋爐運行事故的主要因素，燃燒狀態(tài)的合理與不合理，直接影響到鍋爐熱效率的高低和供電與燃料損耗的比例。因此，為保持爐膛的燃燒場均勻穩(wěn)定運行，提高燃燒效率，對爐膛內(nèi)燃燒場的溫度分布實現(xiàn)在線監(jiān)測，是調(diào)控燃燒狀態(tài)的必要措施；也能為空氣動力學(xué)設(shè)備的設(shè)計和改進(jìn)提供基礎(chǔ)的測量數(shù)據(jù)，如火箭發(fā)動機(jī)在高、真空狀態(tài)下噴射出來的狀似羽毛的噴流羽流的測量，羽流流型缺陷會導(dǎo)致飛行器的擺動、推力減弱、飛行不穩(wěn)定、不能按預(yù)定軌道飛行，最終飛行器在飛行過程中很可能達(dá)不到預(yù)定的高度和區(qū)域，對羽流流場的實時準(zhǔn)確測量，是調(diào)整火箭噴射流型的基礎(chǔ)；還能為石油、天然氣的開采提供實時混合流場的數(shù)據(jù)，如在石油、天然氣開采時油、水、氣的比例，這涉及石油和天然氣開采的策略，是石油和天然氣開采的基礎(chǔ)。

目前，對非均勻介質(zhì)場的通用測量方法主要通過測量非均勻介質(zhì)場的折射率的變化來實現(xiàn)。光線透過不均勻介質(zhì)的折射率場時，將會發(fā)生兩種變化，一是光線偏離原來的方向，二是光線產(chǎn)生位相的相對變化相位移。折射率法就是根據(jù)這兩個特性來確定折射率的。折射率法有其他方法不可替代的優(yōu)點，它們對原場無干擾，屬于非插入測量，時間分辨率高，能用來研究非常迅速的瞬態(tài)過程，甚至能跟蹤空間非均勻介質(zhì)場變化的過程；空間分辨率高，能用于研究溫度梯度極大極小空間非均勻介質(zhì)場，如激波、小火焰等；能同時提供空間非均勻介質(zhì)場的測量，而不是點的測量，信息量大。其他主要方法包括紋影法、陰影法、光學(xué)干涉法、全息干涉法、莫爾偏斜、激光散斑照相、激光散斑剪切干涉及臺伯干涉等。陰影法、紋影法是根據(jù)光的偏折效應(yīng)測量的；光學(xué)干涉法和全息干涉法則直接測量相位變化，而假設(shè)光線無偏折；莫爾偏斜、激光散斑照相、激光散斑剪切干涉及臺伯干涉等直接測量光線的偏折角。

紋影法利用光在內(nèi)部密度各異的介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生偏折這一現(xiàn)象，通過使用刀口裝置對偏折的光線進(jìn)行遮擋，進(jìn)而光線的通過量產(chǎn)生變化，在光屏或者相機(jī)等接收面上可觀察到明暗變化實現(xiàn)折射率測量。除了傳統(tǒng)紋影法，目前常用的紋影法還有聚焦紋影法、背景紋影法、彩虹紋影法等。陰影法原理和紋影法一樣，但它是通過記錄光線的偏折帶來的投影屏上點的位移實現(xiàn)折射率的測量。紋影法和陰影法的實驗原理和系統(tǒng)構(gòu)成都比較簡單，但陰影法的精度相對較低，傳統(tǒng)紋影法易受背景亮度影響，背景紋影法不能準(zhǔn)確確定每一個點的位移量，限制了測量的精度。