[發明專利]基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量方法

有效

• 申請號: 201910164089.8
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109883996B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）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）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 楊樂

本發明公開了一種基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量方法，包括采用彩色三步移相法對影像進行計算并得到相位信息，采用反積分曲線三維重建算法計算得到測量空間內部存在的氣液混合介質的折射率的變化數據；本發明采用彩色三步移相法，結合三維非均勻介質場的反積分曲線三維重建算法，通過投影屏和遠心光學系統的組合設置，實現了對非均勻介質場的測量光線的準確追跡及對三維空間折射率的瞬態折射特性測量，大大提高了測量精確度和效率；并且基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量系統整體設計精密，測量精度高，成本較低，應用范圍廣，具有重要的理論意義和工程應用價值，適合推廣應用。

技術領域

本發明涉及一種測量方法，尤其涉及一種基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量方法，非均勻介質場是指由于壓力、速度、溫度、密度、物質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場，也包括液液混合介質、氣液混合介質、氣體介質形成的非均勻介質場。

背景技術

非均勻介質場是指由于壓力、速度、溫度、密度、物質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，通過非均勻介質場的測量能實現溫度、壓力、氣流等物理量的復現。因此，對非均勻介質場的三維測量，在流體力學、傳熱學等科學研究以及能源、環境、動力及化工等很多行業中具有十分重要的科學意義和廣泛的應用前景。

化學反應流、層流、湍流、稀薄流、低溫流動、高溫氣體動力學、超聲速和高超聲速流動，以及風洞實驗、水洞流場都是典型的非均勻介質場，準確地實現非均勻介質場的檢測，能為燃燒等化學反應過程、空氣動力學設備的設計和控制等提供有效的參數，實現最優控制策略，在工業鍋爐、發電廠燃煤、燃氣渦輪機以及航空、汽車發動機燃燒、船舶推進器、噴灑作業等領域都得到了廣泛的應用。例如，應用于鍋爐的燃燒溫度場監控，爐膛燃燒工況的不合理是導致鍋爐運行事故的主要因素，燃燒狀態的合理與不合理，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定運行，提高燃燒效率，對爐膛內燃燒場的溫度分布實現在線監測，是調控燃燒狀態的必要措施；也能為空氣動力學設備的設計和改進提供基礎的測量數據，如火箭發動機在高、真空狀態下噴射出來的狀似羽毛的噴流羽流的測量，羽流流型缺陷會導致飛行器的擺動、推力減弱、飛行不穩定、不能按預定軌道飛行，最終飛行器在飛行過程中很可能達不到預定的高度和區域，對羽流流場的實時準確測量，是調整火箭噴射流型的基礎；還能為石油、天然氣的開采提供實時混合流場的數據，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。

目前，對非均勻介質場的通用測量方法主要通過測量非均勻介質場的折射率的變化來實現。光線透過不均勻介質的折射率場時，將會發生兩種變化，一是光線偏離原來的方向，二是光線產生位相的相對變化相位移。折射率法就是根據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過程，甚至能跟蹤空間非均勻介質場變化的過程；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場，如激波、小火焰等；能同時提供空間非均勻介質場的測量，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、紋影法是根據光的偏折效應測量的；光學干涉法和全息干涉法則直接測量相位變化，而假設光線無偏折；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。

紋影法利用光在內部密度各異的介質中傳播時會產生偏折這一現象，通過使用刀口裝置對偏折的光線進行遮擋，進而光線的通過量產生變化，在光屏或者相機等接收面上可觀察到明暗變化實現折射率測量。除了傳統紋影法，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折射率的測量。紋影法和陰影法的實驗原理和系統構成都比較簡單，但陰影法的精度相對較低，傳統紋影法易受背景亮度影響，背景紋影法不能準確確定每一個點的位移量，限制了測量的精度。