[發明專利]一種用于空化研究的納秒級圖像測量系統

有效

• 申請號: 202010919788.1
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112082731B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 鐘強;江信寬;姚志峰;耿思遠;王福軍
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明涉及一種用于空化研究的納秒級圖像測量系統，該系統使用普通雙腔脈沖激光器和常規工業相機就能夠達到納秒量級的時間分辨率。該系統主要設備為照明激光器、工業相機、同步器、點火激光器、照明透鏡組和聚焦點火透鏡組。本系統由點火激光器誘導空泡形成，并利用同步器調整照明激光器、點火激光器和工業相機的工作時序，使照明激光器發出的2次激光脈沖均曝光在工業相機采集的一張圖片上。調整點火激光器與照明激光器第一次激光脈沖之間的時間間隔，拍攝空泡生長過程的雙曝光圖片。本發明具有成本較低，穩定性高，可操作性強等特點，使用常規設備實現了納秒時間分辨率的空化過程測量，在水力機械領域的空化實驗研究中具有重要的推廣價值。

技術領域

本發明屬于水力機械研究領域，特別涉及一種用于空化研究的使用普通雙腔脈沖激光設備達到納秒精度的圖像測量系統。

背景技術

空化空蝕現象一直以來是制約水力機械安全、高效與穩定運行的瓶頸問題。空化是一種持續時間短、過程復雜的物理現象。以激光誘導空化為例，從空化初生到空化結束的時間約在100微秒量級，初生和潰滅過程中產生的沖擊波速度達到數千米每秒，而空泡尺度在數百微米量級。因此，進行空化實驗研究的基礎是能夠以足夠高的時間和空間分辨率測量空化過程的測量設備。隨著高速攝影技術和光學技術的發展，激光誘導空泡實驗成為研究空化現象及其機理的有效手段。在實驗中對空化現象的拍攝一般用到高速相機、分幅相機以及條紋相機。其中高速相機可連續拍攝100幀以上圖像，應用廣泛，常規高速相機的幀頻在1萬幀/秒的量級，最高幀頻可達1000萬幀/秒左右。利用高速相機搭建的圖像測量系統可以拍攝激光誘導空泡的中間發展過程，但是仍然滿足不了對空泡初生和潰滅階段的精確測量需求。要清晰研究空泡初生和潰滅階段的各種超快現象，時間分辨率需要達到1億幀/秒量級。雖然分幅相機和條紋相機能夠達到這一時間分辨率，但是分幅相機和條紋相機的光學結構復雜、用到大量昂貴部件，實驗調試、安裝和操作難度大，價格昂貴，難以在空化研究領域推廣應用。因此，亟需一種使用常規設備就能達到納秒時間分辨率(億幀/秒)的圖像測量系統來滿足空化實驗研究的相關需求。

發明內容

本發明的目的為了克服已有技術的不足之處，提出一種用于空化研究的納秒級圖像測量系統，該圖像測量系統僅使用普通雙腔激光設備即可達到納秒時間分辨率。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提出的一種用于空化研究的納秒級圖像測量系統，其特征在于，該系統包括共第一光軸設置的照明激光器、照明透鏡組和工業相機，共第二光軸設置的點火激光器和聚焦點火透鏡組，與所述照明激光器和點火激光器連接的同步器，裝有蒸餾水的透明玻璃池，三維攝影控制臺和計算機；其中，

所述第一光軸和第二光軸垂直設置，所述照明透鏡組、工業相機和聚焦點火透鏡組分列于所述透明玻璃池的三側；

所述照明激光器采用雙腔脈沖激光器，所述點火激光器采用單腔脈沖激光器；所述同步器的相應接口分別與所述照明激光器和點火激光器的各激光腔體以及工業相機連接，以此控制點火激光器和照明激光器的各激光腔體發出脈沖激光束的時間和能量密度，并控制工業相機的拍攝曝光時間；所述點火激光器發出的脈沖激光束在經聚焦點火透鏡組先擴束再聚焦形成的焦點處的能量密度超過蒸餾水的擊穿閾值，以在焦點處形成空泡；所述照明激光器中第二激光腔體發出的脈沖激光束的時間晚于第一激光腔體發出的脈沖激光束的時間，且時間間隔小于10ns；所述工業相機固定于所述三維攝影控制臺上，由同步器控制工業相機的快門打開時刻和持續時間使照明激光器發射的兩次脈沖激光束均在工業相機的單張圖片曝光時間內，得到空泡生長過程的雙曝光圖像，該圖像在所述計算機上顯示。

本發明技術特點以及有益效果如下：