一种激波辐射定量测量原位定标系统及方法技术方案

公开一种激波辐射定量测量原位定标系统，其能够有效地消除光学系统所引入的误差，提高激波辐射定量测量的精度。这种激波辐射测量原位定标系统，其包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、激波管、光谱仪；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。还提供了这种激波辐射定量测量原位定标系统的使用方法。

In situ calibration system and method for quantitative measurement of shock wave radiation

The invention discloses an in-situ calibration system for shock wave radiation quantitative measurement, which can effectively eliminate the error introduced by the optical system and improve the precision of the quantitative measurement of the shock wave radiation. This shock wave radiation measurement in situ calibration system, which comprises a light source, a first lens, a second lens, the third lens, the fourth lens, shock tube, spectrometer; the light source on the focus of the first lens, the first lens through the light incident parallel to second lens, the second lens to focus on the convergence of second focal points focus; the lens and the third lens, a shock tube is placed in the overlap, the light passes through the third lens after parallel incident on the fourth lens, the fourth lens converged to the focus on the spectrometer in focus fourth lens. A method for the use of in situ calibration system for quantitative measurement of shock wave radiation is provided.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高速流体特征研究的
，具体地涉及一种激波辐射定量测量原位定标系统及方法，其主要用于对整个激波测量系统进行标定。
技术介绍
激波是研究高速流体特征的一个重要载体，高速飞行目标在边界产生激波，激波将加热气体产生辐射。对激波加热高温气体的辐射定量测量将有助于更好的研究高速飞行过程中辐射加热对飞行器的影响。目前国内对激波辐射过程实验测量较少，而对激波绝对辐射强度测量定标也往往采用测量与定标从空间上分离的方法。即测量与定标为不同的光学系统。同时，由于实验测量激波的辐射强度要远大于标准灯的辐射强度，在设定CCD的积分时间时，考虑到CCD本身线性较好的特点，定标时的积分时间设置要远大于实验测量时所设置的积分时间，这样才能引起相当的DN输出。由于定标所设积分时间与实验测量所设积分时间处于不同数量级的区间，因此就不能将积分时间作为变量来定标，而应通过改变标准灯输出功率来进行定标。
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，提供一种激波辐射定量测量原位定标系统，其能够有效地消除光学系统所引入的误差。本专利技术的技术解决方案是：这种激波辐射定量测量原位定标系统，其包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、激波管、光谱仪；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。还提供了这种激波辐射定量测量原位定标系统的使用方法，该方法包括以下步骤：(1)根据标准卤钨灯在1000W、200W、45W下的总光照度输出，通过拟合的方式得到标准卤钨灯电功率与输出总照度之间的函数关系；(2)标准卤钨灯作为光源，功率分别选取125w、141w、160w、178w、199w五个值；(3)根据公式(3)得到总辐出度：H＝W*a2/4d2 (3)其中a为光源口径，根据光学系统计算，在卤钨灯位置光源的面积为a2＝85.7mm2；这样计算得到的a为9.3mm；d为光源到探测器的距离，为0.5m；根据W＝εб(T4-Tb4)可得光源辐射温度，其中T为光源辐射温度，Tb为背景温度，б为玻尔兹曼常数，ε为发射率；(4)根据公式(4)、(5)得到光谱辐照度Wλ＝C1/[λ5exp((C2/λT))-1] (4)Hλ＝Wλ*a2/4d2 (5)其中C1、C2为常数；(5)进入系统的光通量根据光谱辐照度及光学系统物像关系计算得到，将光通量与CCD输出DN代入公式(2)得到定标系数DNλ＝Aλ*Φ’λ*T+ε (2)。本专利技术利用四个透镜的光学系统将定标与实验测量系统从空间上统一起来，通过改变光源输出功率对整个激波测量系统进行标定，有效地消除了因光学系统如透镜透过率、光谱仪狭缝效率、光栅衍射效率等所引入的误差。附图说明图1示出了根据本专利技术的激波辐射定量测量原位定标系统的结构示意图。图2示出了标准卤钨灯电源功率与输出总辐照度拟合关系。图3示出了标准卤钨灯光谱辐照度分布。图4示出了光谱发射率。图5示出了波长317.7nm处光谱仪输出DN与光通量的关系。图6-图10为定标结果。图11-图15为空气实验测量结果。具体实施方式如图1所示，这种激波辐射定量测量原位定标系统，其包括：光源1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、激波管6、光谱仪7；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。另外，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为500mm、150mm、150mm、70mm，且均为熔融石英材质的透镜。另外，该系统还包括第一光阑8、第二光阑9，第一光阑在第一透镜的入射面上，第二光阑在激波管的出口处。另外，所述第一光阑、第二光阑的口径均为10mm。另外，所述光谱仪为Andor SR500型号光谱仪，波段范围为200-1000nm，配有微通道光电倍增管。另外，所述激波管的厚度为8.4mm。具体地，该定标方法采用四透镜(4F)系统，将辐射照度已知的标准卤钨灯聚焦到激波管测量区域中心，卤钨灯定标波长范围为250nm-2400nm,然后在激波管另一侧通过透镜准直聚焦将标准光成像于光谱仪狭缝处。具体光学系统如图1所示：透镜F1、F2、F3、F4焦距分别为500mm、150mm、150mm、70mm。均采用紫外透过率较强的熔融石英材质。通过这四个透镜将光源S1成像于激波管中心，并汇聚于狭缝处，最终被光谱仪采集。透镜F1前光阑1口径为10mm，起到限制通光口径的作用。透镜F1的有效光瞳由光阑1决定，其面积LS＝πR2＝7.85x10-5m2。入射光经F2后成像于激波管中心，S2为其像面大小。因标准卤钨灯的灯丝面积无法确定，故S2只能通过光谱仪捕获的图像大小来进行反推确定。经过F3、F4准直会聚后成像于光谱仪狭缝处，其原像大小为S3，其尺寸可由光谱仪采集得到(DxL＝0.65x1.35mm)。F4的选取要满足光谱仪的F数要求，实验中光谱仪的F数为6.5，F4选取焦距为70mm，而光阑2的限制通光口径为10mm,这便能满足光谱仪F数的要求。S3出射的光通量并没有全部进入光谱仪，而是由狭缝尺寸S’大小决定。S’＝d*L,其中d＝0.4mm为狭缝宽度；L＝1.35mm为狭缝处像高。光谱仪采用Andor SR500型号，波段范围为200-1000nm。光谱仪本身配有微通道光电倍增管，可使采集系统时间分辨率达到ns量级。因此系统能满足高速激波超快过程的测量。CCD像素为：512x2048。需-20℃制冷。进入光谱仪的光通量Φ’λ为：Φ’λ＝S’/S*Φλ＝d/D*Φλ (1)其中Φλ＝E0λ*LS为标准灯出射到光学系统的光通量,辐照度E0λ的值由标准灯给出。定标过程中将标准灯的标准值作为定标源值，与输出DN建立关系。光谱仪输出值与入射光通量之间满足如下关系：DNλ＝Aλ*Φ’λ*T+ε (2)通过改变已知光通量Φ’λ，就可以定标得到光谱响应系数Aλ。还提供了这种激波辐射测量原位定标系统的使用方法，该方法包括以下步骤：(1)根据标准卤钨灯在1000W、200W、45W下的总光照度输出，通过拟合的方式得到标准卤钨灯电功率与输出总照度之间的函数关系；(2)标准卤钨灯作为光源，功率分别选取125w、141w、160w、178w、199w五个值；(3)根据公式(3)得到总辐出度：H＝W*a2/4d2 (3)其中a为光源口径，根据光学系统计算，在卤钨灯位置光源的面积为a2＝85.7mm2；这样计算得到的a为9.3mm；d为光源到探测器的距离，为0.5m；根据W＝εб(T4-Tb4)可得光源辐射温度，其中T为光源辐射温度，Tb为背景温度，б为玻尔兹曼常数，ε为发射率；(4)根据公式(4)、(5)得到光谱辐照度Wλ＝C1/[λ5exp((C2/λT))-1] (4)Hλ＝Wλ*a2/4d2 (5)其中C1、C2为常数；(5)进入系统的光通量根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：其包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、激波管、光谱仪；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。

【技术特征摘要】
1.一种激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：其包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、激波管、光谱仪；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。2.根据权利要求1所述的激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为500mm、150mm、150mm、70mm，且均为熔融石英材质的透镜。3.根据权利要求2所述的激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：该系统还包括第一光阑、第二光阑，第一光阑在第一透镜的入射面上，第二光阑在激波管的出口处。4.根据权利要求3所述的激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：所述第一光阑、第二光阑的口径均为10mm。5.根据权利要求4所述的激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：所述光谱仪为Andor SR500型号光谱仪，波段范围为200-1000nm，配有微通道光电倍增管。6.根据权利要求5所述的激波辐射定量测量原位定标系统，其特征在于：所述激波管的厚度为8.4mm。7.一种根据权利要求6所述的激波辐射定量测量原位定标系统的使用方法，其特征在于：该方法包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立拓，余西龙，吴杰，李飞，王宽亮，张少华，严浩，攸兴杰，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11