高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)。还有该系统的使用方法。

Single beam laser multidimensional velocity measuring system and method for high speed rarefied gas flow field

The invention discloses a single laser multidimensional velocity measurement system of high speed rarefied gas flow, the rarefied gas including high speed wind tunnel (1), laser light source module (2), the laser beam shaping module (3), high-voltage arc discharge module (4), fluorescence signal acquisition and recording module, data processing module (5) (6) synchronization and timing control module (7). And how to use the system.

【技术实现步骤摘要】
高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统及方法
本专利技术属于流场显示、稀薄气体和激光光谱测量相结合的
，具体地涉及一种高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，以及该高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法。
技术介绍
精确测量高速流场速度对掌握流场特征和修正数值计算模型具有关键作用，对研究流体力学和工程热物理具有重要价值。高速流场的复杂和非稳特性要求其速度测量需要非接触式光学测量方法。目前常用的非接触光学测速法主要分为三大类：第一类是基于粒子的激光方法，比如目前应用较多的粒子成像测速(ParticleImageVelocimetry)等方法，其原理是基于气流中固有或外加的粒子，利用颗粒的光散射截面较大的原理，可得到较高的测速精度。但在超声速气流中，粒子对于气体分子的跟随性并不好，且在激波风洞等脉冲设备中，粒子的均匀添加也比较困难。第二类是基于分子散射的激光测速方法，如：基于散射光的多普勒效应来测量速度，如瑞利散射测速(RayleighScatteringVelocimetry)方法和基于多普勒加宽的平面激光诱导荧光(Doppler-basedPLIFVelocimetry)方法，但此类方法对于Doppler效应较大的高速压缩流比较适合，一般常用于高速高密度流场，因为Doppler效应偏小的低速流或者粒子数密度较低的流场会极大增加此类方法的测量误差。第三类为时间飞行平面激光诱导荧光测速(Time-of-flightPLIFVelocimetry)法，也称为分子标识测速法(MolecularTaggingVelocimetry，MTV)。它是一种直接测量流场中某些分子的速度从而实现流场速度测量的先进光学测量技术，具有无外物介入，不干扰流场，不接触测量，高时空分辨，且可实现多维测量，具有很高的理论精度。同时这种方法不仅适用于高速流也可用于低速流，而且不受目标流场状态的限制，可用于气流流场也可用于液体流场。它的原理是基于时间飞行距离(TOF)的速度测量法，就是利用V＝Δd/Δt，测量目标在时间Δt内行进的距离Δd，即可算出目标的速度。具体的实现过程就是通过激发目标分子的荧光先向气流中“写”入一条标记线，而后在一个固定的时间延迟“读”出此标记线的位置，采用时间飞行的方法，根据其移动距离来得到气流速度的。但现有的MolecularTaggingVelocimetry大多采用两束甚至多束脉冲激光，第一束或者前几束用来激发荧光(可采用Raman激发、光解或者离子化等方式)，也就是用于在气流中“写”出一条荧光线；第二束用于探测一定时间延迟后此荧光线的位置，即“读”出荧光线的位置变化，从而根据此延迟内荧光线的移动位移来确定气流速度。如基于氧分子或OH的受激喇曼激发加激光诱导荧光法(RELIEF)、HydroxyltaggingVelocimetry(HTV)等。但这种多光束的MTV方法需要至少两套波长可精确调谐的激光光源系统，成本很高，调谐复杂，空间要求较高。而目前已有报道的单束激光MolecularTaggingVelocimetry方法多采用在流场中添加或者直接激发流场中固有的联乙酰、丙酮或NO等分子或者钠或锶等金属原子。这些方法均不适用于高超声速稀薄气体流场(如用于研究再入式飞行器的稀薄气体电弧风洞)，此流场为高压电弧放电产生稀薄的高温等离子体流场，要求主要供气成分为氮气，可少量含有氢气等非氧化性气，不能含有氧气等氧化性气体。从而上述的人为加入联乙酰、丙酮或NO等分子不仅会电离还可能与稀薄气体流场中的高温等离子体成分发生化学反应，影响流场成分和结构，更严重的可能会损坏高压放电设备。而钠或锶等金属原子属于重量较重和惯性较大的金属原子，其跟随性在超高声速气流中是很大的问题，无法代表气流本身的速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有测速技术的不足，为了解决高速稀薄气体流场在线测速的难题，提供一种高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，实现对高超声速低密度气体流场的多维速度的在线测量。这种高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)；高速稀薄气体风洞(1)提供高速稀薄气体流场；激光光源模块(2)包括：YAG激光器、染料激光、倍频模块，用于提供波长精确度在皮米量级的紫外激光；激光光束整形模块(3)包括若干套透镜及光阑或光栅；高压电弧放电模块(4)用于在高速稀薄气体流场产生基态的目标粒子；荧光信号采集和记录模块(5)包括：波长选择模块、荧光记录模块和纳秒快门的增强型紫外相机；数据处理模块(6)提取各个不同位置和时刻的荧光图像；时序同步控制模块(7)控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像。还提供了使用这种高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量方法，其包括以下步骤：(1)采用直流高压电弧放电产生目标粒子；(2)调谐激光光源模块，使之输出符合要求的激发激光；(3)根据测试要求设计好激光整形模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，光阑或光栅，使激发激光经过整形模块后成为需要的激光片光或栅格光；(4)根据测试要求设计好荧光信号收集和记录模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，滤光片和相机，波长选择模块布置在紫外增强型相机前并用于控制透射的荧光的谱段，荧光信号记录模块控制紫外增强型相机的曝光时间和增益获得合格的荧光信号；(5)采用时序同步控制模块控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像；(6)数据处理模块提取各个不同位置和时刻的荧光图像，利用最小二乘法拟合算法来定位荧光标记线的具体位置；(7)在目标测试区域放置高精度的标准尺，采用荧光拍摄时完全相同的参数设置，拍摄标准尺的图像，用以确定荧光采集和记录模块的放大率；(8)根据拍摄设备的放大率、拍摄时间延迟和荧光标记线的位移获取流场的速度分布。本专利技术通过单束激光单台紫外增强型相机多次成像，利用荧光采集和记录模块获得不同时刻荧光标记线的不同位置，通过数据处理模块对这些图像进行处理得到流场速度。因此该测速系统不仅具有多束激光MTV方法的优点：如：无介入，不干扰，不接触测量，高时空分辨，高精度，多维测量，适用于高低中速流，可用于气流流场也可用于液体流场等，还通过单束激光单台相机的简单构成极大地降低了试验成本和操作复杂性和空间要求。同时采用高速稀薄气体流场中可自然产生的NH自由基作为荧光示踪粒子，克服了前人所用的联乙酰、丙酮或NO等含氧分子在高速稀薄气流中不能稳定存在、影响流场组分和结构以及氧化或损毁放电设备等缺陷。同时由于NH为小分子自由基因此也不存在如钠或锶等金属原子在高速气流中的的跟随性问题，首次实现了对超高声速稀薄气体流场(来流压力为0.2Pa时气流速度大于8km/s)的在线测量。附图说明图1示出了根据本专利技术的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的实验装置示意图。图2示出了MTV方法测速原理的示意图。图3示出了本专利技术中荧光采集和记录系统的放大率确定结果。图4示出了本专利技术中五个连续拍摄时刻NH荧光标本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其特征在于，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)；高速稀薄气体风洞(1)提供高速稀薄气体流场；激光光源模块(2)包括：YAG激光器、染料激光、倍频模块，用于提供波长精确度在皮米量级的紫外激光；激光光束整形模块(3)包括若干套透镜及光阑或光栅；高压电弧放电模块(4)用于在高速稀薄气体流场产生基态的目标粒子；荧光信号采集和记录模块(5)包括：波长选择模块、荧光记录模块和纳秒快门的增强型紫外相机；数据处理模块(6)提取各个不同位置和时刻的荧光图像；时序同步控制模块(7)控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像。

【技术特征摘要】
1.高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其特征在于，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)；高速稀薄气体风洞(1)提供高速稀薄气体流场；激光光源模块(2)包括：YAG激光器、染料激光、倍频模块，用于提供波长精确度在皮米量级的紫外激光；激光光束整形模块(3)包括若干套透镜及光阑或光栅；高压电弧放电模块(4)用于在高速稀薄气体流场产生基态的目标粒子；荧光信号采集和记录模块(5)包括：波长选择模块、荧光记录模块和纳秒快门的增强型紫外相机；数据处理模块(6)提取各个不同位置和时刻的荧光图像；时序同步控制模块(7)控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像。2.根据权利要求1所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其特征在于，所述的高速稀薄气体风洞的工作压力为0.2Pa；出口气流速度可高达7km/s；风洞直径为2.5m，并且根据测量要求调整气压、速度、焓值以及出口尺寸参数，而且根据测量需求更换另外型号的高速稀薄气体风洞。3.根据权利要求1所述的高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)采用直流高压电弧放电产生目标粒子；(2)调谐激光光源模块，使之输出符合要求的激发激光；(3)根据测试要求设计好激光整形模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，光阑或光栅，使激发激光经过整形模块后成为需要的激光片光或栅格光；(4)根据测试要求设计好荧光信号收集和记录模块，并利用机械定位装置固定各组成透镜或光纤，滤光片和相机，波长选择模块布置在紫外增强型相机前并用于控制透射的荧光的谱段，荧光信号记录模块控制紫外增强型相机的曝光时间和增益获得合格的荧光信号；(5)采用时序同步控制模块控制激发激光和荧光拍摄在ns量级同步，获得荧光标记线在不同采集时刻的位置图像；(6)数据处理模块提取各个不同位置和时刻的荧光图像，利用最小二乘法拟合算法来定位荧光标记线的具体位置；(7)在目标测试区域放置高精度的标准尺，采用荧光拍摄时完全相同的参数设置，拍摄标准尺的图像，用以确定荧光采集和记录模块的放大率；(8)根据拍摄设备的放大率、拍摄时间延迟和荧光标记线的位移获取流场的速度分布。4.根据权利要求3所述的高速稀薄气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少华，刘宏立，黄河激，余西龙，樊菁，
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