基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，包括以下步骤：对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；调节入射线偏激光的偏振方向和偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，所述与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光的偏振度、偏振角和椭率角等；基于偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布。本发明专利技术利用纳米粒子散射信号的偏振参数信息实现流场的可视化和精细测量，具有很好的抗干扰能力和较高的精度。

Measurement method of supersonic / hypersonic flow field based on polarization imaging

The invention discloses a supersonic/hypersonic flow field measurement method based on polarization imaging, which comprises the following steps: optimizing the linearly polarized laser source of incident illumination so that the polarization degree of the incident linearly polarized laser is within a set threshold range; adjusting the polarization direction of the incident linearly polarized laser and the receiving angle of the polarization imaging system; The polarization imaging system imagines the supersonic/hypersonic flow field and obtains polarization-related results of the scattered light signals of the nanoparticles, which include the polarization degree, polarization angle and ellipse of the scattered light of the nanoparticles. Based on the polarization information, the density field of supersonic / hypersonic flow field is converted to obtain the density distribution of supersonic / hypersonic flow field. The invention utilizes the polarization parameter information of the scattering signal of nanoparticles to realize the visualization and fine measurement of the flow field, and has good anti-interference ability and high precision.

【技术实现步骤摘要】
基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法
本专利技术涉及流场测量
，特别地，涉及一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法。
技术介绍
超声速/高超声速流场精细测量是超声速、高超声速流动机理研究的重要内容。高速飞行器的空气动力性能、飞行器表面热防护等都与飞行器外的超声速/高超声速流动结构紧密相关,需要通过实验研究流动结构为飞行器的设计提供依据。现有可用于超声速/高超声速流动结构测量的方法包括纹影、阴影、干涉、粒子图像速度场(PIV)、滤波瑞利散射(FRS)和激光诱导荧光(PLIF)等多种方法(范洁川.近代流动显示技术[M].北京:国防工业出版社,2002.)。由于超声速/高超声速流动结构具有明显的三维特性，而纹影、阴影和干涉等方法只适合于二维或轴对称流动的测量，使得上述技术在测量超声速/高超声速三维流动时受到限制。FRS和PLIF等技术可以实现三维流动结构的测量，但这类技术都存在成像信噪比低，成像空间分辨率受限等不足，无法满足对超声速/高超声速三维流场精确测量的要求。文章《基于纳米粒子的超声速流动成像》(赵玉新等，中国科学E辑，技术科学，2009，39(12)：1911-1918)提出了一种采用纳米粒子示踪粒子，用于超声速流动结构测量的方法(简称为NPLS技术)。该技术不仅可以用于对三维流场的测量，同时具有高成像信噪比、高时间空间分辨率等特点，可以满足对超声速/高超声速流动测量的要求。尽管NPLS技术可以很好实现对超声速/高超声速流场的可视化，但在进行流场参数定量化测量时，现有NPLS技术主要根据测量所得图像的光强分布为基础，进行其它流场参数的换算。以流场密度场测量为例，根据NPLS技术原理，纳米粒子良好跟随流场的能力，使得粒子浓度与当地气流密度成正比，而测量图像的光强又由粒子浓度决定。因此，图像的光强与当地气流密度存在一定的函数关系，可以基于图像光强分布可以换算得到流场的密度分布。但是，这种基于光强测量方法要实现精确测量，必须消除光强自身分布不均匀对测量的影响。理论上，在整个测量区域的入射光强必须是一致的，且没有其它因素对光强分布产生干扰才能保证测量结果的准确性。然而，实际上由于NPLS技术采用的激光光源的输出能量呈高斯分布，导致激光入射光强的空间分布不均匀，即使气流密度一致，由于入射光强不均匀导致得到的图像光强不均匀，使得基于图像光强测量流场密度场存在较大误差。另外，其它干扰光线(比如背景光的干扰，物体表面散射光的影响等等)也会造成图像光强分布的不均匀，严重影响流场密度场测量。因此，基于光强实现其它流场参数测量的方法，目前还无法满足高精度流场测量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，以解决现有NPLS技术容易因光强不均匀性导致对超声速/高超声速流场定量测量产生较大误差的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，包括以下步骤：对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角；基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。进一步地，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的步骤包括：基于纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系，测得纳米粒子的浓度；基于纳米粒子的浓度与流场密度之间的比例关系，测得流场密度。进一步地，纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系在实验前进行标定：获得不同角度斜激波在流场中对应的测量图像，对纳米粒子浓度与测量图像结果进行标定，获得纳米粒子浓度与偏振信息的比例关系。进一步地，本专利技术基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法还包括：基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布。进一步地，基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的步骤包括：获取纳米粒子设定时间间隔内的两幅偏振信息图像；采用互相关算法或者光流算法，计算两幅偏振信息图像中对应区域的相对位移；将相对位移除以设定时间间隔，得到超声速/高超声速流场的速度分布。进一步地，对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内的步骤包括：在线偏激光光源的光臂出口设置线偏装置，使得入射线偏激光的偏振度在99％以上。进一步地，线偏激光光源为高能量脉冲激光光源；线偏装置包括布儒斯特窗结构和二分之一波片，布儒斯特窗结构上标定有通过激光的偏振方向，二分之一波片用于调节入射线偏激光的偏振方向。可选地，调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：确定入射线偏激光的偏振方向，调节偏振成像系统的接收角度，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°的位置。可选地，调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在成像角度上的散射信号最强的步骤包括：确定偏振成像系统的接收角度，调节入射线偏激光的偏振方向，使得偏振成像系统位于与偏振方向垂直的平面内、且偏振成像系统的接收信号方向与入射线偏激光的传播方向之间的夹角为90°或者270°。进一步地，偏振成像系统包括偏振成像相机。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用纳米粒子散射光信号的偏振信息代替纳米粒子散射光强信号进行流场测量，通过合理调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统与散射光的角度位置，利用偏振成像系统对超声速/高超声速流场纳米粒子散射光的偏振度进行测量，利用粒子散射偏振信息与流场参数之间的关系，实现流场的可视化和精细测量，偏振信号只与粒子浓度有关，不受入射光强变化和背景光强的干扰，具有很好的抗干扰能力和较高的精度。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法的流程图；图2是线偏激光照射在纳米尺度粒子上的散射机制示意图；图3是基于偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的子流程图；图4是基于偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布的子流程图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，所述与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角；基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，所述偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：对入射照明的线偏激光光源进行优化，使得入射线偏激光的偏振度在设定阈值范围内；调节入射线偏激光的偏振方向和/或偏振成像系统的接收角度，使得纳米粒子在偏振成像系统的成像角度上的散射信号最强；偏振成像系统对超声速/高超声速流场进行成像，获得纳米粒子散射光信号的与偏振相关的结果，所述与偏振相关的结果包括纳米粒子散射光信号的偏振度、偏振角和椭率角；基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布，所述偏振信息包括纳米粒子散射光信号的偏振度和偏振角。2.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的密度场进行换算，得到超声速/高超声速流场的密度分布的步骤包括：基于纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系，测得纳米粒子的浓度；基于纳米粒子的浓度与流场密度之间的比例关系，测得流场密度。3.根据权利要求2所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述纳米粒子浓度与纳米粒子散射光信号的偏振信息之间的比例关系在实验前进行标定：获得不同角度斜激波在流场中对应的测量图像，对纳米粒子浓度与测量图像结果进行标定，获得纳米粒子浓度与偏振信息的比例关系。4.根据权利要求1所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，还包括：基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速度分布。5.根据权利要求4所述的基于偏振成像的超声速/高超声速流场测量方法，其特征在于，所述基于纳米粒子散射光信号的偏振信息对超声速/高超声速流场的速度场进行计算，得到超声速/高超声速流场的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：何霖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43