一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置，激光器的波长调谐范围、气体流场的速度范围，确定背景干扰信号和瑞利散射信号的光谱范围；确定滤波介质，调谐激光器的输出波长，使激光器输出的激光的中心波长位于滤波介质特征吸收峰的中心位置处；确定气体流场的测点位置，得到瑞利散射信号，照射至滤波介质，形成的干涉条纹；获取干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；获取多普勒频移量，得到气体流场湍流度结果。本发明专利技术能够实现对干涉瑞利散射湍流度测量中强背景干扰的有效抑制，提升干涉瑞利散射湍流度测量技术的适用范围、测量精度和工程应用能力。的适用范围、测量精度和工程应用能力。的适用范围、测量精度和工程应用能力。

【技术实现步骤摘要】
一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及实验空气动力学湍流度非接触测量领域，具体涉及一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置。

技术介绍

[0002]来流湍流度是影响边界层转捩过程的重要因素之一，影响着边界层转捩起始位置和转捩区长度。较高的湍流度使得转捩提前发生，缩短转捩区长度，可以抑制进气道内的流动分离、增加燃烧效率；较低的湍流度可以延迟转捩发生，达到降低飞行器表面摩擦阻力及燃料消耗，优化飞行器热防护设计的目的。目前，来流湍流度对边界层转捩过程影响的细节还不很清楚，且边界层转捩预测方法迫切需要试验数据提供验证和支撑，亟需先进的湍流度测量技术。
[0003]当前可以用于流场湍流度测量的方法主要有热线风速仪、时间分辨粒子图像测速技术（PIV）、激光多普勒测速技术（LDV）和干涉瑞利散射技术（IRS）等。其中，热线风速仪为接触式测量，其探针会对流场产生一定干扰，在超声速条件下使用时探针的线丝易断，且热线风速仪测得的数据同时耦合了温度、速度、密度的脉动，数据解耦难度很大；基于激光的PIV和LDV技术在开展湍流度测量时需要向流场中添加示踪粒子，受粒子添加技术及示踪粒子本身跟随性的影响，两种技术在高速流动中受到较多的限制；干涉瑞利散射测量技术通过分析流场本身气体分子瑞利散射信号的多普勒平移实现湍流度的测量，不需要外加示踪粒子，且不会对待测流场产生干扰，目前已经成为超声速、高超声速流动湍流度测量的重要手段。
[0004]申请号为201510245218.8的基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法公开了一种非接触测量方法，在实际的操作使用下，本专利技术人发现通常情况下流场气体分子产生的瑞利散射信号强度较弱，尤其是在模型近壁面区域湍流度测量工程应用中，极易受到背景信号的强烈干扰，严重影响有用信号的提取，降低了测量精度，甚至无法完成测量。因此如何在强背景信号干扰下，实现高速流场湍流度测量，是干涉瑞利散射湍流度测量技术工程应用中面临的一个重要问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的在于提供一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，通过滤波介质将收集信号中的干扰信号滤除，实现对干涉瑞利散射湍流度测量中强背景干扰的有效抑制。
[0006]该目的采用以下技术方案实现：本方法包括以下步骤：根据激光器的波长调谐范围、气体流场的速度范围，确定背景干扰信号和瑞利散射信号的光谱范围；确定滤波介质，所述滤波介质用于滤除背景干扰信号，保留瑞利散射信号；调谐激光器的输出波长，使激光器输出的激光的中心波长位于滤波介质特征吸收
峰的中心位置处；确定气体流场的测点位置，将激光器输出的激光聚焦于测点位置得到瑞利散射信号；将测点位置的瑞利散射信号收集并整形成平行光后，照射至滤波介质；利用干涉仪将穿过滤波介质的瑞利散射信号形成干涉条纹；利用探测器采集记录瑞利散射信号经干涉仪形成的干涉条纹；将探测器采集记录的干涉条纹数据传输至图像处理装置，图像处理装置获取干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；获取气体流场速度引起的多普勒频移量，得到气体流场湍流度结果。
[0007]现有的瑞利散射技术利用流场分子产生的散射光来测量流场参量，一束激光与流场分子作用后，其瑞利散射光谱则包含了流场的温度、密度和速度等信息。瑞利散射光和入射激光的中心波长的偏移则反映了流场的速度信息。这种偏移是由于多普勒频移效应引起的，散射光的多普勒频移偏移量较小（GHz量级），需要采用高分辨干涉分光仪器来检测，其中法布里
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珀罗标准具因其结构简单、适用方便、高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移，再通过多普勒频移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度。通过第二收光透镜将测点处的瑞利散射信号收集并整形成平行光后，进入法布里
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珀罗标准具中形成多个干涉环，而散射光则形成靠近干涉环的干涉斑，最后同时通过ICCD镜头成像到感光面上，由计算机记录和处理。根据瑞利散射测速原理，当流场流速为零时，干涉斑的中心则位于干涉环顶点的圆圈线上，并随着流场流速的增大向圆圈线的外部偏移，故通过测量其中一只干涉斑中心和干涉环顶点圆圈线的偏移量，就可得到该干涉环对应的入射激光和散射光的频移量，进而通过理论计算得到流经该处的湍流度。
[0008]在实际的操作使用下，本专利技术人发现流场气体分子产生的瑞利散射信号强度较弱，极易受到背景信号的强烈干扰，严重影响有用信号的提取，降低了测量精度，基于此，本专利技术人在现有的方法的基础上进行进一步的改进，通过滤波介质滤除背景干扰信号，保留瑞利散射信号。
[0009]与现有的方法相比，本方法不仅能大幅提高瑞利散射图像信噪比，利于速度解算，提高测速精度，提高原有技术测量能力；还可以用于模型近壁面流场以及高超声速低密度流场速度测量，拓展了原有技术的工程适用范围。
[0010]进一步的，滤波介质优选为汞或碘，当滤波介质为汞时，其工作饱和蒸汽压范围为0.001torr
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0.445torr；当滤波介质为碘，其工作饱和蒸汽压范围为0.43torr
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2.4torr。
[0011]在实际使用中，干扰信号通常强度很高，其中心波长和光谱线宽与入射激光相同。通过选取滤波介质吸收曲线的吸收凹陷，将入射激光中心波长调谐至吸收凹陷中心处（通过率约为0，被滤除），而气体分子产生的瑞利散射信号因速度产生多普勒频移，其中心波长位于吸收凹陷外（通过率为1），因此能达到筛选瑞利散射信号、滤除干扰信号的目的。
[0012]在研究过程中，本专利技术人发现，目前能达到前述滤波功能的介质主要有汞、碘，及一些金属原子蒸汽滤波介质。每种滤波介质只在特定波段才有吸收曲线，如汞主要针对253.7nm波段，碘针对532.2nm波段，其他金属原子蒸汽如钾（770nm）、铯（389nm）、钡（554nm）等。后者金属原子蒸汽受限于的激光器波长、线宽等，不便于使用。而碘和汞蒸汽具有超精细吸收光谱（＜1GHz），因此需要激光器具有波长可调谐至吸收凹陷中心波长处，且线宽较
窄，能完全坐落于吸收凹陷中，因此，优选的，激光器的线宽≤10kHz，吸收率≥95%。
[0013]同时，汞正常为液态，通过加热（20℃
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130℃），产生汞蒸汽。当汞的工作饱和蒸汽压范围为0.001torr
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0.445torr时，其工作波段：253.7nm，对应波数为39412.4cm
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1（紫外波段）；吸收凹陷线宽约1GHz。
[0014]碘正常为固态，通过加热（27℃
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52℃），产生碘蒸汽。当碘的工作饱和蒸汽压范围为0.43torr
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2.4torr时，其工作波段：532.2nm，对应波数为18787.8cm
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1（可见光波段）；吸收凹陷线宽约1GHz。
[0015]汞和碘的吸收凹陷线宽均随压力增高而变宽。滤波介质蒸气压力越高，吸收凹陷透过率越低，吸收凹陷宽度越宽，滤波效果越好。但当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：根据激光器（1）的波长调谐范围、气体流场（9）的速度范围，确定背景干扰信号和瑞利散射信号的光谱范围；确定滤波介质（14），所述滤波介质（14）用于滤除背景干扰信号，保留瑞利散射信号；调谐激光器（1）的输出波长，使激光器（1）输出的激光的中心波长位于滤波介质（14）特征吸收峰的中心位置处；确定气体流场（9）的测点位置（10），将激光器（1）输出的激光聚焦于测点位置（10）得到瑞利散射信号；将测点位置（10）的瑞利散射信号收集并整形成平行光后，照射至滤波介质（14）；利用干涉仪（15）将穿过滤波介质（14）的瑞利散射信号形成干涉条纹；利用探测器（17）采集记录瑞利散射信号经干涉仪（15）形成的干涉条纹；将探测器（17）采集记录的干涉条纹数据传输至图像处理装置（19），图像处理装置（19）获取干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；获取气体流场（9）速度引起的多普勒频移量，得到气体流场（9）湍流度结果。2.根据权利要求1所述的一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，其特征在于，滤波介质（14）为汞，其工作饱和蒸汽压范围为0.001torr
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0.445torr。3.根据权利要求1所述的一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，其特征在于，滤波介质（14）为碘，其工作饱和蒸汽压范围为0.43torr
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2.4torr。4.根据权利要求1所述的一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，其特征在于，获取参考激光形成的干涉条纹包括以下步骤：将激光器（1）输出的激光经分光镜（3）分成主光束（5）和次光束（4），主光束（5）在测点位置（10）得到瑞利散射信号；次光束（4）经光纤耦合后照射...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛，陈力，陈爽，闫博，殷一民，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：