CN102645316A - 中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置及其方法。本发明的技术特点是在传统径向剪切干涉检测方法的基础上，通过提高望远镜***的剪切率，并利用反射镜在竖直方向的倾斜将缩束光斑移至扩束光斑的边缘区域，使缩束光斑脱离扩束光斑中因目标物遮挡所形成的阴影处形成干涉，实现了有目标物中心遮挡情况下对特定空间区域的径向剪切干涉检测。本发明的优点在于解决了采用传统径向剪切干涉方法无法对含有目标物中心遮挡的区域进行波前检测的难题，同时，由于干涉区域移至扩束光斑边缘，使得干涉图的处理可以采用较为简单的相位解包方法，而非径向剪切波面迭代重构，在一定程度上简化了干涉图的处理过程，缩短了处理时间。

Description

中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置及其方法

技术领域

    本发明涉及一种中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置及其方法。

背景技术

在高超音速流场空气动力学测试中，对风洞中目标物周围流场的精确测量是一个亟待解决的问题。传统的较为成熟的方法有阴影法和纹影法，其中阴影法对流场变化的二阶导数敏感，而纹影法对流场变化的一阶导数敏感，但由于它们采用的是几何光学的原理，其在测量精度上仍有待提高。对高速流场区域采用径向剪切干涉法进行检测也是一种行之有效的手段。首先，径向剪切干涉采用了光学干涉的方法，将经过流场后畸变波前的检测精度提高到了光学波长量级；其次，径向剪切干涉仪属于准共路干涉***，具有较高的抗干扰能力，保证了风洞检测中高噪音、高振动的环境下仍然能够得到较为稳定的干涉条纹，从而确保了实验结果的正确性；另外，采用径向剪切干涉的方法经过后期的数据处理后最终得到的数据为经过流场检测光束的波前位相分布信息，可以在此基础上进行空间折射率场或密度场的重构，这是采用光强分布测量的阴影法和纹影法所不能具备的。

对于高速流场检测来说，对风洞中心目标物周围流场的检测是较为常见的情形，但是由于传统的径向剪切干涉法采用缩束光斑与扩束光斑共轴同心的配置，缩束光斑将落在扩束光斑中目标物所投射的阴影区内，导致干涉条纹无法形成。因此，就需要提出一种能够在目标物中心遮挡情况下的对周围流场进行检测的干涉检测方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置及其方法。

中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置包括激光器、准直扩束***、目标物、待测区域、分光镜、第一反射镜、高剪切比大口径望远镜***、第二反射镜、成像透镜和探测器；其中，目标物置于待测区域中心，激光器、准直扩束***、目标物、分光镜、第一反射镜、高剪切比大口径望远镜***、第二反射镜、分光镜、成像透镜以及探测器在第一条光路中顺序排列；激光器、准直扩束***、目标物、分光镜、第二反射镜、高剪切比大口径望远镜***、第一反射镜、分光镜、成像透镜以及探测器在第二条光路中顺序排列；第一反射镜和第二反射镜均与竖直方向成夹角                                               

，为

，使经过高剪切比大口径望远镜***的缩束光和扩束光偏离原光轴传播。

中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测方法包括如下步骤：

(1) 调节激光器、准直扩束***、分光镜、第一反射镜、高剪切比大口径望远镜***、第二反射镜、成像透镜、探测器等高同轴，调节准直扩束***使得大口径平行光出射；

(2) 调节分光镜的角度使得经过分光镜的透射光和反射光互成90°夹角，且分别照射在第一反射镜和第二反射镜上；

(3) 调节第一反射镜和第二反射镜在水平方向上的角度和竖直方向上的倾角，使得第一条光路和第二条光路经过成像透镜后的光斑在探测器上重合；

(3) 在第一反射镜和第二反射镜之间加入高剪切比大口径望远镜***，调节该望远镜***的位置和倾角使得探测器上的缩束光斑与扩束光斑同心，并产生干涉条纹；

(4) 调节第一反射镜和第二反射镜在竖直方向上的倾角，使得探测器上的缩束光斑移出扩束光斑的目标物阴影处并产生干涉；

(5) 采集探测器上接收到的干涉图，将扩束波前参与干涉的部分光波近似为平面波，对干涉图进行相位解包，得到干涉图的相位数据。

本发明采用将缩束光路和扩束光路与光轴偏离的方法，使得探测器上的缩束光斑可以移到扩束光斑的边缘区域，解决了采用传统径向剪切干涉方法无法对含有目标物中心遮挡的空间区域进行波前检测的难题，又由于所述的高剪切比大口径望远镜***具有较高的剪切比，可以将扩束波前参与干涉的部分光波近似为平面波来处理，使得干涉图的处理可以采用较为简单的传统泰曼格林干涉***的相位解包方法，即看成是一路检测光波和一路参考平面光波的干涉，而无需使用较为耗时的径向剪切波面迭代重构算法，在一定程度上简化了实验数据的处理过程，缩短了处理时间。

附图说明

图1是中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置结构示意图；

图2是本发明的缩束光束和扩束光束偏离光轴通过高剪切比大口径望远镜***的光路示意图；

图3是中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测方法的流程图；   

图4是探测器前缩束光斑和扩束光斑以及其中目标物阴影位置的示意图与干涉图；

图5是经截取后的探测器接收到的干涉图；

图6 是采用干涉位相解调方法后得到的去除目标物遮挡部分的波前位相分布图。

具体实施方式

如图1、2所示，中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置包括激光器S1、准直扩束***S2、目标物S3、待测区域S4、分光镜S5、第一反射镜S6、高剪切比大口径望远镜***S7、第二反射镜S8、成像透镜S9和探测器S10；其中，目标物S3置于待测区域S4中心，激光器S1、准直扩束***S2、目标物S3、分光镜S5、第一反射镜S6、高剪切比大口径望远镜***S7、第二反射镜S8、分光镜S5、成像透镜S9以及探测器S10在第一条光路中顺序排列；激光器S1、准直扩束***S2、目标物S3、分光镜S5、第二反射镜S8、高剪切比大口径望远镜***S7、第一反射镜S6、分光镜S5、成像透镜S9以及探测器S10在第二条光路中顺序排列；第一反射镜S6和第二反射镜S8均与竖直方向成夹角

，

为

，使经过高剪切比大口径望远镜***S7的缩束光和扩束光偏离原光轴传播。

中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测方法包括如下步骤：

(1) 调节激光器S1、准直扩束***S2、分光镜S5、第一反射镜S6、高剪切比大口径望远镜***S7、第二反射镜S8、成像透镜S9、探测器S10等高同轴，调节准直扩束***S2使得大口径平行光出射；

(2) 调节分光镜S5的角度使得经过分光镜S5的透射光和反射光互成90°夹角，且分别照射在第一反射镜S6和第二反射镜S8上；

(3) 调节第一反射镜S6和第二反射镜S8在水平方向上的角度和竖直方向上的倾角，使得第一条光路和第二条光路经过成像透镜S9后的光斑在探测器S10上重合；

(3) 在第一反射镜S6和第二反射镜S8之间加入高剪切比大口径望远镜***S7，调节该望远镜***的位置和倾角使得探测器S10上的缩束光斑与扩束光斑同心，并产生干涉条纹；

(4) 调节第一反射镜S6和第二反射镜S8在竖直方向上的倾角，使得探测器S10上的缩束光斑移出扩束光斑的目标物阴影处并产生干涉；

(5) 采集探测器S10上接收到的干涉图，将扩束波前参与干涉的部分光波近似为平面波，对干涉图进行相位解包，得到干涉图的相位数据。

如图2所示，表示了经过反射镜S6和反射镜S8反射的缩束光束和扩束光束偏离原光轴通过高剪切比大口径望远镜***S7的光路。在加入高剪切比大口径望远镜***S7并使得探测器S10上的缩束光斑与扩束光斑同心产生干涉条纹后，反射镜S6和反射镜S8与竖直方向的夹角为0。微调反射镜S6使其与竖直方向有一个

的夹角，使缩束光斑上移，此时干涉条纹消失。可以发现激光器S1端面上的馈光也同时移出了激光器出射窗口。微调反射镜S8使馈光返回激光器出射窗口附近，干涉条纹再次出现，而此时的缩束光斑与扩束光斑已不再同心，而是稍微有所上移。继续微调反射镜S6使其与竖直方向的夹角

增大，缩束光斑继续上移，再微调反射镜S8使得馈光返回激光器出射窗口，出现干涉条纹，如此反复操作，直至缩束光斑移至扩束光斑的边缘区域，得到的干涉条纹即为中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉图数据。

由于所述的高剪切比大口径望远镜***S7采用较高的剪切比，且最后的干涉条纹位于扩束波前的边缘区域，可以将扩束波前参与干涉的部分光波近似为平面波来处理，使得干涉图的处理可以采用较为简单的传统泰曼格林干涉***的相位解包方法，即看成是一路检测光波和一路参考平面光波的干涉，而无需使用较为耗时的径向剪切波面迭代重构算法，在一定程度上简化了实验数据的处理过程，缩短了处理时间。

实施例

本发明应用于一基于中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测方法实例描述如下。

图1是中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测***的光路布局。实施例的被测区域大小为f70mm，其中心位置有一钝锥形状的目标物。采用的激光器为He-Ne激光光源，激光器S1经准直扩束***S2产生大口径的平行光，经过目标物S3置于中心位置的检测区域S4，经分光镜S5分束后一路射向反射镜S6，经过高剪切比大口径望远镜***S7缩束后射向反射镜S8，通过分光镜S5透射进入成像透镜S9；另一路光射向反射镜S8，经过高剪切比大口径望远镜***S7扩束后射向反射镜S6，通过分光镜S5反射进入成像透镜S9，经分光镜S5透射或反射进入成像透镜S9的两束光在探测器S10上得到干涉条纹。其中，反射镜S6和反射镜S8均与竖直方向成夹角，

为，使得经过高剪切比大口径望远镜***S7的缩束和扩束光偏离原光轴传播。

表一为实施例中的有效测量口径、剪切比等指标参数

有效测量口径	望远镜***剪切比	CCD像素数
			70mm	16:1	1024 × 1024

所述的偏折型径向剪切干涉体系中，标准平行光源的质量对于后续测量检测精度有着重要影响。实施例中，利用一双凹透镜与一双分离物镜组成来组成准直扩束***S2，最后可以获得约Φ70mm的平行光束。通过一个精密五维调整机构可以调整双凹透镜与双分离物镜的共轴。

实施例中的高剪切比大口径望远镜***S7采用大口径伽利略扩束缩束***。其中，大端镜组的有效通光口径

，小端镜组的有效通光口径

，扩束缩束比

。整个镜组的理论波前畸变小于

，这将可以有效地减轻边缘衍射效应的影响，提高获得干涉图的质量。

实施例中调节光路使得各部分光学***等高同轴，且使得经过分光镜S5的两束光互成90°夹角，调节反射镜S6和反射镜S8在水平方向上的倾角使得经过成像透镜S9的两束光的光斑在探测器S10上重合，加入高剪切比大口径望远镜***S7后调节其位置和倾角使得探测器S10上的缩束光斑与扩束光斑同心，且产生干涉条纹。在此基础上，逐步调节反射镜S6和反射镜S8在竖直方向上的倾角，使得探测器S10上的缩束光斑移出扩束光斑目标物阴影处并产生干涉。图4是探测器S10前缩束光斑和扩束光斑以及其中目标物阴影的位置示意图与干涉图。可以发现此时的缩束光斑已经移出了扩束光斑中目标物的阴影区，同时也形成了干涉条纹。图5是经截取后的探测器S10接收到的干涉条纹。利用该干涉条纹可以对目标物周围待检测区域的加以测量。

对于干涉条纹的位相解调，传统的移相技术在精度和噪声抑制上有很大的优势，但由于需要采集多幅干涉图，不符合瞬态检测的要求；而傅里叶变换方法在有遮挡的情况下又不便于使用。鉴于多种位相解调技术无法应用于中心遮挡情况下的干涉条纹位相解调，实施例中采用了二维正则化条纹位相解调技术对得到的干涉图进行了处理。图6 是采用干涉位相解调方法后得到的去除目标物遮挡部分的波前位相分布图。

Claims (2)

1. 一种中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测装置，其特征在于包括激光器(S1)、准直扩束***(S2)、目标物(S3)、待测区域(S4)、分光镜(S5)、第一反射镜(S6)、高剪切比大口径望远镜***(S7)、第二反射镜(S8)、成像透镜(S9)和探测器(S10)；其中，目标物(S3)置于待测区域(S4)中心，激光器(S1)、准直扩束***(S2)、目标物(S3)、分光镜(S5)、第一反射镜(S6)、高剪切比大口径望远镜***(S7)、第二反射镜(S8)、分光镜(S5)、成像透镜(S9)以及探测器(S10)在第一条光路中顺序排列；激光器(S1)、准直扩束***(S2)、目标物(S3)、分光镜(S5)、第二反射镜(S8)、高剪切比大口径望远镜***(S7)、第一反射镜(S6)、分光镜(S5)、成像透镜(S9)以及探测器(S10)在第二条光路中顺序排列；第一反射镜(S6)和第二反射镜(S8)均与竖直方向成夹角                                               

，

为

，使经过高剪切比大口径望远镜***(S7)的缩束光和扩束光偏离原光轴传播。

2. 一种使用如权利要求1所述装置的中心遮挡情况下的大口径偏折型径向剪切干涉检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1) 调节激光器(S1)、准直扩束***(S2)、分光镜(S5)、第一反射镜(S6)、高剪切比大口径望远镜***(S7)、第二反射镜(S8)、成像透镜(S9)、探测器(S10)等高同轴，调节准直扩束***(S2)使得大口径平行光出射；

(2) 调节分光镜(S5)的角度使得经过分光镜(S5)的透射光和反射光互成90°夹角，且分别照射在第一反射镜(S6)和第二反射镜(S8)上；

(3) 调节第一反射镜(S6)和第二反射镜(S8)在水平方向上的角度和竖直方向上的倾角，使得第一条光路和第二条光路经过成像透镜(S9)后的光斑在探测器(S10)上重合；

(3) 在第一反射镜(S6)和第二反射镜(S8)之间加入高剪切比大口径望远镜***(S7)，调节该望远镜***的位置和倾角使得探测器(S10)上的缩束光斑与扩束光斑同心，并产生干涉条纹；

(4) 调节第一反射镜(S6)和第二反射镜(S8)在竖直方向上的倾角，使得探测器(S10)上的缩束光斑移出扩束光斑的目标物阴影处并产生干涉；

(5) 采集探测器(S10)上接收到的干涉图，将扩束波前参与干涉的部分光波近似为平面波，对干涉图进行相位解包，得到干涉图的相位数据。

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