本发明专利技术提供了一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置及方法，包括脉冲激光器、微粒发射平台、闪光照明模块、相机模块以及数字延时触发器；数字延时触发器用于时序控制；脉冲激光器通过发射脉冲激光辐照微粒发射平台，诱导微粒发射平台发射单个微粒；闪光照明模块用于以设定的脉冲间隔发射短时闪光，通过明场或暗场方式辐照微粒；相机模块包括显微CCD相机与工控机，显微CCD相机的焦平面与微粒的运动轨迹所在平面相对应；显微CCD相机将成像传输至工控机。本发明专利技术通过采用高频闪光灯结合显微CCD相机的多次曝光方法实时观测微粒速度，光路简单，有助于降低设备成本，单微粒的暗场散射测速，有助于使得激光驱动微粒冲击测试的微粒尺寸拓宽至亚微米级别。粒尺寸拓宽至亚微米级别。粒尺寸拓宽至亚微米级别。
【技术实现步骤摘要】
脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置及方法
[0001]本专利技术涉及微粒高速成像与测速
，具体地，涉及一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置及方法。
技术介绍
[0002]激光驱动微粒冲击测试(LIPIT，Lee J H,et al.Science,2014,346(6133):762
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766.)技术是一种新兴的微观尺度冲击测试技术，其利用脉冲激光诱导金属膜产生等离子体驱动弹性膜膨胀将微粒弹出。对微粒飞行过程的成像与微粒穿透靶材前后速度的测量是保证激光驱动微粒冲击测试技术准确定量分析的关键；由于激光驱动微粒冲击测试的飞行微粒具有微尺度性(尺寸微米级至亚微米级)、高速性(速度千米每秒量级)和即时性等特性，因此微粒的显微高速成像与测量对装置的空间分辨率与时间分辨率都有较高的要求。
[0003]常用的光电测速方法通过光线遮挡(西安工业大学.一种弹丸出射口速度的激光测速装置及其方法：CN20148245441.2)、光线反射(中国航空工业集团公司上海航空测控技术研究所.一种高速弹丸测速装置：CN20137410666.2)或光线散射(中国科学院空间科学与应用研究中心.一种微粒速度的激光散射测量系统：CN 1877339A)触发光电传感器实现对飞行弹丸的速度测量，其要求弹丸尺寸与光电传感器尺寸匹配，因此不具有测量微米级颗粒飞行速度的空间分辨率。同时满足LIPIT时空分辨率的现行测量技术有三种：超高速摄像机成像、延迟分光多次曝光成像与短时闪光多次曝光成像。超高速摄像机成像方法(Hyon J,et al.Materials Today,2013,21(5):514
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524.)通过高于106fps的超高速摄像机对微粒飞行过程摄影成像，采用的超高速摄像机价格较高而不具有成本优势。延迟分光多次曝光方法(Lee J,et al.Nature Communications,209,3(1).)则利用较长的延迟光路将激光束分为多个脉冲，将分光得到的脉冲激光作为照明闪光，使显微CCD相机于同一帧图像多次曝光记录微粒飞行的位置信息，该方法的光路复杂且所需场地较大而不具实际应用意义。短时闪光多次曝光成像是一种更经济的方案，其使用短脉宽闪光灯作为光源，可用明场或暗场成像方式使显微CCD相机多次曝光记录微粒飞行中多个时刻的位置信息。
[0004]现有公开号为CN107339919B的中国专利，其公开了一种用于测量弹丸飞行状态的主动式摄像系统及其测量方法，所述摄像系统由激光器、高速CCD相机、外结构框架、FPGA的时序控制器以及上位机组成，其中激光器发出的激光一分为二作为背景光源，通过FPGA的时序控制器控制激光光源和高速CCD相机，激光器发光时，CCD相机开始摄像并保持一定的曝光时间，激光光源多次闪烁，可在同一张照片上得到目标在不同时刻的位置，照相结束后，CCD相机将所成的像经网线传送至上位机。该专利采用明场方式实现多次曝光，但以明场为背景的多次曝光易导致微粒成像模糊与相机曝光过度，同时当微粒小至接近光波长时光束照明易发生衍射，所以明场测速方法不适用于亚微米级的微粒。暗场测速方法基于米氏散射成像，其以暗场为背景克服了明场成像模糊的劣势且不受衍射影响而适用于更小(亚微米级)微粒的测速。然而，当前暗场测速方法仅应用于多粒子跟踪的粒子图像测速系统(PIV，Raffel M C,et al.Springer Berlin Heidelberg,1998.)，而用于LIPIT试验的单
粒子测速对装置的时序控制方面有更高的要求。
[0005]专利技术人认为现行关于微粒速度测量的三种技术中，短时闪光多次曝光成像方法是最经济、最有前景的方案；在此成像方法中，明场阴影成像方法更适用于微米级粒子的测速但不适用于亚微米级粒子的测速，暗场散光成像方法适用于亚微米级粒子的测速但当前仅用于多粒子跟踪。因此，为实现亚微米级微粒的测速，亟需研发一种主要基于暗场的单微粒测速装置，此装置也能够在暗场基础上兼顾明场方法，拓宽观测粒子尺寸范围，使其满足LIPIT的微米级与亚微米级时空分辨率要求。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置及方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置,包括：脉冲激光器、微粒发射平台、闪光照明模块、相机模块以及数字延时触发器；所述数字延时触发器分别与所述脉冲激光器、所述闪光照明模块以及所述相机模块连接，所述数字延时触发器用于时序控制；所述脉冲激光器通过发射脉冲激光辐照所述微粒发射平台，诱导所述微粒发射平台发射单个微粒；所述闪光照明模块用于以设定的脉冲间隔发射短时闪光，通过明场或暗场方式辐照所述微粒；所述相机模块包括显微CCD相机与工控机，所述显微CCD相机的焦平面与所述微粒的运动轨迹所在平面相对应；所述显微CCD相机用于记录所述微粒的多次成像，所述显微CCD相机将所述成像传输至所述工控机，所述工控机用于计算微粒飞行速度。
[0008]优选地，所述闪光照明模块包括反射镜支座、反射镜与高频闪光灯；所述高频闪光灯用于发射闪光束，形成直射闪光；所述反射镜用于反射所述闪光束，形成反射闪光；所述反射镜支座用于调整所述反射镜的倾角。
[0009]优选地，当测量开始时，所述数字延时触发器的输出信号依次传输至所述显微CCD相机、所述脉冲激光器以及所述高频闪光灯；当测量结束时，所述数字延时触发器的输出信号依次传输至所述高频闪光灯和所述显微CCD相机。
[0010]优选地，所述闪光照明模块还包括闪光灯滑轨，所述高频闪光灯设置在所述闪光灯滑轨上；所述闪光灯滑轨包括暗场照明机位和明场照明机位。
[0011]优选地，当所述微粒的尺寸为亚微米级别时，所述高频闪光灯位于所述暗场照明机位；当所述微粒的尺寸为微米级别时，所述高频闪光灯位于所述明场照明机位。
[0012]优选地，当所述高频闪光灯位于所述暗场照明机位时，所述反射闪光的照射方向、所述显微CCD相机的对焦方向以及所述微粒的飞行方向三者正交；所述显微CCD相机通过散射光成像的方式多次曝光记录飞行中的所述微粒的位置。
[0013]优选地，当所述高频闪光灯位于所述明场照明机位时，所述直射闪光的照射方向与所述显微CCD相机的对焦方向共线且反向；所述显微CCD相机通过背光阴影成像的方式多次曝光记录飞行中的所述微粒的位置。
[0014]优选地，所述显微CCD相机将通过微粒背光阴影成像或散射光成像的多次曝光记录至同一帧图像，所述工控机根据所述图像中相邻圆斑的间距与所述闪光照明模块的闪光频率计算微粒飞行速度。
[0015]根据本专利技术提供的一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量方法，基于上述的脉冲激
光驱动微粒飞行速度测量装置，包括如下步骤：
[0016]步骤S1：当所述微粒尺寸为亚微米级别时，所述高频闪光灯设置于所述暗场照明机位，经所述反射镜反射的所述反射闪光照射方向与所述显微CCD相机的曝光方向垂直；
[0017]步骤S2：所本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，包括：脉冲激光器(1)、微粒发射平台(2)、闪光照明模块、相机模块以及数字延时触发器(12)；所述数字延时触发器(12)分别与所述脉冲激光器(1)、所述闪光照明模块以及所述相机模块连接，所述数字延时触发器(12)用于时序控制；所述脉冲激光器(1)通过发射脉冲激光辐照所述微粒发射平台(2)，诱导所述微粒发射平台(2)发射单个微粒(3)；所述闪光照明模块用于以设定的脉冲间隔发射短时闪光，通过明场或暗场方式辐照所述微粒(3)；所述相机模块包括显微CCD相机(13)与工控机(14)，所述显微CCD相机(13)的焦平面与所述微粒(3)的运动轨迹所在平面相对应；所述显微CCD相机(13)用于记录所述微粒(3)的多次成像，所述显微CCD相机(13)将所述成像传输至所述工控机(14)，所述工控机(14)用于计算微粒飞行速度。2.如权利要求1所述的脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，所述闪光照明模块包括反射镜支座(4)、反射镜(5)以及高频闪光灯(6)；所述高频闪光灯(6)用于发射闪光束，形成直射闪光(10)；所述反射镜(5)用于反射所述闪光束，形成反射闪光(8)；所述反射镜支座(4)用于调整所述反射镜(5)的倾角。3.如权利要求2所述的脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，当测量开始时，所述数字延时触发器(12)输出的开始信号依次传输至所述显微CCD相机(13)、所述脉冲激光器(1)以及所述高频闪光灯(6)；当测量结束时，所述数字延时触发器(12)输出的结束信号依次传输至所述高频闪光灯(6)和所述显微CCD相机(13)。4.如权利要求2所述的脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，所述闪光照明模块还包括闪光灯滑轨(11)，所述高频闪光灯(6)设置在所述闪光灯滑轨(11)上，所述闪光灯滑轨(11)包括暗场照明机位(7)和明场照明机位(9)。5.如权利要求4所述的脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，当所述微粒(3)的尺寸为亚微米级别时，所述高频闪光灯(6)位于所述暗场照明机位(7)；当所述微粒(3)的尺寸为微米级别时，所述高频闪光灯(6)位于所述明场照明机位(9)。6.如权利要求4所述的脉冲激光驱动微粒飞行速度测量装置，其特征在于，当所述高频闪光灯(6)位于所述暗场照明机位(7)时，所述反射闪光(8)的照射方向、所述显微CCD相机(13)的对...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡永祥，陈嘉宇，罗国虎，周榆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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