CN110686853A - 聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量风洞流场密度脉动的方法 - Google Patents

聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量风洞流场密度脉动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量风洞流场密度脉动的方法，聚焦激光差分干涉仪包括发射光路和接收光路，发射光路包括：相干光源发生器、光学元件、第一偏振片P1、第一棱镜W1和第一凸透镜C2，第一凸透镜C2用于将两束偏振方向相互垂直的分离光束聚焦成两个分离的焦点；接收光路包括第二凸透镜C3、第二棱镜W2、第二偏振片P2和光电接收器D，第二凸透镜C3用于将经过聚焦区域A后的发散的光束进行再聚焦，第二棱镜W2与第一棱镜W1形成对称的反作用，且用于将两束分离的激光进行合并，第二偏振片P2将合并后的光束进行混合使其能够进行相位干涉，光电接收器D用于将光强信息转换为电压信号。

Description

聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量风洞流场密度脉动的 方法
技术领域
本发明属于流场测量领域，更具体地，涉及一种聚焦激光差分干涉仪及非介入式测量风洞流场密度脉动的方法。
背景技术
风洞实验是现阶段空气动力学研究的重要手段之一，实验中对流场信息的捕获离不开流场测量设备的支持。现阶段对于实验流场高精度空间点的密度脉动信息获取还缺乏相关的测量方法。
发明内容
针对现有技术的缺失，本发明提供了一种流场的密度脉动间接测量方法即聚焦激光差分干涉仪，其目的在于获得流场的密度脉动信息。
本发明提供了一种聚焦激光差分干涉仪，包括发射光路和接收光路，所述发射光路包括：相干光源发生器、光学元件、第一偏振片P1、第一棱镜W1和第一凸透镜C2，所述相干光源发生器用于发射一束相位相同且偏振方向一致的平行激光束，所述光学元件用于将所述平行激光束发散成为锥形光束，所述第一偏振片P1用于滤除光束中非线性偏振的干扰光线，所述第一棱镜W1用于根据双折射原理将一束偏振光分离为两束强度相同且偏振方向相互垂直的偏振光，所述第一凸透镜C2用于将两束偏振方向相互垂直的分离光束聚焦成两个分离的焦点；所述接收光路包括第二凸透镜C3、第二棱镜W2、第二偏振片P2和光电接收器D，所述第二凸透镜C3用于将经过聚焦区域A后的发散的光束进行再聚焦，所述第二棱镜W2与所述第一棱镜W1形成对称的反作用，且用于将两束分离的激光进行合并，所述第二偏振片P2用于将合并后的光束进行混合，使其能够进行相位干涉，所述光电接收器D设置在光束焦点位置，且用于将光强信息转换为电压信号。
更进一步地，光学元件可以为凹透镜C1或凸透镜。
更进一步地，第一凸透镜C2和所述第二凸透镜C3的焦距和尺寸均相同。
更进一步地，凹透镜C1，第一凸透镜C2和第二凸透镜C3之间的位置关系符合成像定理。
其中，1/L1+1/L2＝1/f2，L3＝f2，凹透镜C1与第一凸透镜C2之间的距离为L1，第二凸透镜C3与光电接收器D之间的距离为L1，第一凸透镜C2与聚焦区域A之间的距离为L2，第二凸透镜C3与聚焦区域A之间的距离为L2，第一棱镜W1与第一凸透镜C2之间的距离为L3，第二棱镜W2与第二凸透镜C3之间的距离为L3，f2为第一凸透镜C2的焦距。
更进一步地，第一棱镜W1和所述第二棱镜W2为双折射棱镜，且其特征参数相同，即具有相同的分光角。具体地，可以采用Wollaston棱镜和Sanderson棱镜。
本发明还提供了一种基于上述的聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量风洞流场密度脉动的方法，包括下述步骤：
(1)将聚焦激光差分干涉仪光学探头，聚焦区域A放置在流场中所需要测量的空间点上；
(2)启动风洞并记录聚焦激光差分干涉仪光电探测器的电压信号；
(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。
更进一步地，在步骤(1)中，聚焦区域A所在的位置即凸透镜C2，C3的中点处。在布置光学器件时需保证光学光线传播方向与流场的流动方向相互垂直。
更进一步地，在步骤(2)中，聚焦激光差分干涉仪的输出电压可通过数据采集卡采集保存到计算机中。
更进一步地，在步骤(3)中，根据聚焦激光干涉差分仪的输出电压与所测流场空间点上的密度脉动之间的换算关系：
Figure BDA0002239711190000031
获得所测流场的密度脉动信息；其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρL为测点平均密度；λ0为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度(图2)；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V0＝2I0RRL，I0为通过第一棱镜W1分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；RL为光电传感器的负载电阻。由此，可以实时测量***探头所在位置的流场的密度梯度，即该点的密度脉动。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于是通过光学测量探头无介入式的对流场密度脉动进行测量，能够在不影响流场结构的情况下测得流场内部空间点上的密度脉动信息。由于采用的是光学干涉法测量，得益于光线极高的传播速度，在***测量光路长度小于3米的情况下，其测量***的响应频率高达100MHz。同时由于***的光学测量探头为光束聚焦点，能够在合理配置光学透镜的情况下实现较高的空间分辨率(沿流动方向小于0.5mm)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的聚焦激光干涉差分仪原理结构示意图.
图2是本发明实施例提供的聚焦激光干涉差分仪的双焦点分离区域示意图。
图3是本发明实施例提供的一种基于聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量风洞流场密度脉动的方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为了获得流场的密度脉动信息，提出一种流场密度脉动间接测量方法，利用双折射棱镜的分光特性和光的干涉原理得到流场内部密度脉动信息。该方法作为一种非接触式测量手段，其对流场密度信息解析的准确性和精确性较好，且适用范围广(可测量高焓流场等)。此外，由于光学设备的高频响应，该方法对流场密度脉动的解析频率高(可达10Mhz以上)，空间分辨率好(可达10微米量级)。
本发明的目的旨在提出一种非介入式测量风洞流场密度脉动的方法。利用光的折射和干涉原理得到流场密度脉动和光强大小之间的关系进而解析出流场密度脉动信息。
为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现：
本发明提供了一种风洞来流密度脉动测量***，***的某一实施实例包括：激光器，凹透镜，凸透镜，偏振片，Wollaston棱镜，光电传感器和数据处理单元。
包括以下步骤：
一、搭建测试***，具体方法如下：
聚焦激光干涉差分仪主要分为发射光路和接收光路两部分，如图1所示，聚焦区域A左边部分为发射光路，右边部分为接收光路。
发射光路部分首先是由激光器发射一束相位相同、偏振方向一致的平行激光束。光束经过凹透镜C1后发散为锥形光束。光路通过偏振片P1后得到偏振方向完全一致的发散激光束。之后Wollaston棱镜W1将光束分为光强相等、偏振方向相互垂直、频率幅值相位相等且相互分离的两束发散激光速。最后光束经过凸透镜C2的聚焦作用在聚焦区域A形成两个分离的焦点(图2所示)，且聚焦区域A既是测量探头所在的敏感区域。
其中，发射光路中激光器作用主要是产生相干光束，可用其他相干光源发生器替代。相干光束的稳定性和噪声会直接影响到***的测量稳定性和信噪比。激光束也可经过潜望镜或者反射镜进行光路转向，以实现合理布置光学部件、精确调整光束方向的作用，提高***的可用性。
凹透镜C1的作用是将平行的激光束发散成为锥形光束，为后续的光束聚焦做准备。其焦距大小决定了光路的发散角度，进而影响到***聚焦区域A处的光路分离长度。由此，凹透镜C1也可以用凸透镜代替，使光束先聚焦后发散。
偏振片P1是将光束中非线性偏振的干扰光线过滤掉，提高测试***的信噪比。
Wollaston棱镜W1的作用是通过双折射原理将一束偏振光分离为两束强度相同，偏振方向相互垂直的偏振光。可用Sanderson棱镜等其他双折射棱镜替代。此外Wollaston棱镜的分离角决定了光束分离的距离，直接影响到***的空间分辨率。双折射棱镜的分光角越小***的空间分辨率越高。目前常用的Wollaston棱镜的分光角为2弧分。
凸透镜C2将发散的锥形光束进行聚焦，由此两束偏振方向相互垂直的分离光束被逐渐聚焦成两个分离的焦点，双聚焦点附近就是***的测量区域，即聚焦区域A(图2所示)。图中L为光路分离区域长度，ΔX为双焦点的分离距离，即***测量探头沿流动方向的空间分辨率。
接收光路部分由凸透镜C3将聚焦区域后的发射光速进行再聚合，之后通过Wollaston棱镜W2将两束具有一定分离角的激光束进行合并，通过偏振片P2的过滤得到偏振方向一致的聚焦激光束。在光束焦点位置放置光电接收器D将光强信息转换为电压信号。
其中，凸透镜C3将经过聚焦区域A后的发散的光束进行再聚焦，由此形成双焦点的测量区域。
Wollaston棱镜W2的作用是将两束分离的激光进行合并，与棱镜W1形成对称的反作用。可用Sanderson棱镜等其他双折射棱镜替代。
偏振片P2作用是将合并后的光束进行混合，使其能够进行相位干涉。
如上所述的凹透镜C1和凸透镜C2，C3是对激光束进行发散和聚焦的主要部件。凸透镜C2和凸透镜C3焦距和尺寸相同。透镜之间的相互位置符合成像定理，即：1/L1+1/L2＝1/f2，L3＝f2，其中，凹透镜C1与第一凸透镜C2之间的距离为L1，第二凸透镜C3与光电接收器D之间的距离为L1，第一凸透镜C2与聚焦区域A之间的距离为L2，第二凸透镜C3与聚焦区域A之间的距离为L2，第一棱镜W1与第一凸透镜C2之间的距离为L3，第二棱镜W2与第二凸透镜C3之间的距离为L3，f2为第一凸透镜C2的焦距。
按照实际测量要求和光路空间尺寸搭建出合适的光路测量***。
二、采集风洞数据，具体方法如下：
(1)调整光路把聚焦激光干涉差分仪探头放置在流场目标测量区域；
(2)启动风洞记录下聚焦激光干涉差分仪光电探测器的电压信号；
数据采集过程中采用高精度数据采集卡可将***输出的微小扰动信号完全捕捉下来，由此提高***的测试精度。
三、对风洞测试数据进行分析，具体方法如下：
聚焦激光差分干涉仪可将流场的密度脉动信息转变为光电接收器表面的光强变化，由此转换为电压信号的变化进而被数据采集***记录。
数据分析的过程即对聚焦激光差分干涉仪的原理进行数学形式的表示，找出流场密度脉动和***输出电压值之间的关系，然后将信号数据按照该关系进行换算，得到所测流场的密度脉动信息。
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于上述的聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量风洞流场密度脉动的方法，包括下述步骤：
(1)将聚焦激光差分干涉仪光学探头，聚焦区域A放置在流场中所需要测量的空间点上；
(2)启动风洞并记录聚焦激光差分干涉仪光电探测器的电压信号；
(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。
其中，在步骤(1)中，光学探头，聚焦区域A所在的位置即凸透镜C2，C3的中点处。在布置光学器件时需保证光学光线传播方向与流场的流动方向相互垂直。
在步骤(2)中，聚焦激光差分干涉仪的输出电压可通过数据采集卡采集保存到计算机中。
在步骤(3)中，根据聚焦激光干涉差分仪的输出电压与所测流场空间点上的密度脉动之间的换算关系：获得所测流场的密度脉动信息；其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρL为测点平均密度；λ0为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度(图2)；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V0＝2I0RRL，I0为通过第一棱镜W1分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；RL为光电传感器的负载电阻。由此，可以实时测量***探头所在位置的流场的密度梯度，即该点的密度脉动。
本发明实施例提供的聚焦激光差分干涉仪的测量原理如下：
基于流体的折光率和其密度成线性关系，由Gladstone-Dale公式给出(1)：n＝Kρ+1......(1)，其中n为流体折光率，K为常数，ρ流体为密度。
激光经过凹透镜发散成锥形光束，Wollaston棱镜将光束分成具有一定分离角的两束正交偏振光，且这两束偏振光的频率幅值和相位均相同。凸透镜将光束聚焦，形成两个不同的焦点。如图(2)所示。
由公式(1)，聚焦区域流体的密度差引起两束光线的光程差ΔOPL，如公式(2)：ΔOPL＝(n1-n2)L＝AnL......(2)，其中n1，n2为两个分离焦点处的流体折光率，L为焦点分离区域长度。
光程差进而引起相位差，如公式(3)，(4)：
Figure BDA0002239711190000072
其中λ0为激光波长。
在光路还原的过程中，两束光的相位差会造成干涉相消，从而引起光强的变化，公式(5)：
Figure BDA0002239711190000073
其中I1＝I2＝I0为单个聚焦点光强，Id为接收光路光强。
Figure BDA0002239711190000082
为两束偏振光单位矢量的点积。
光电探测器电压与光强的关系表示为公式(6)：V＝IRRL......(6)，其中，I为激光光强；R为二极管敏感度；RL为负载电阻。
综上，可以得出流场密度和传感器电信号之间的关系，如公式(7)：
Figure BDA0002239711190000081
其中ρL为测点平均密度，V0＝2I0RRL。
由此，可以实时测量***探头所在位置的流场的密度梯度，即该点的密度脉动。
本发明的技术方案由三部分组成：一是测量光路***的搭建，根据聚焦激光干涉差分仪的测量原理和实际测量的流场空间区域位置和大小构造出可用于实际测量的光路***。二是数据采集，在风洞运行的过程中采集出测量***中光电传感器的电压信号。三是数据后处理，根据聚焦激光干涉差分仪的理论公式将采集到的电压信号转换为所测量流场的密度脉动信息。
本发明属于非介入式流场测量***，测量过程中没有物理探头伸入到流场内部，仅有聚焦激光束穿过流场，所以在测量过程中不会改变流场结构，测量的准确性和精确性较好，且适用范围广(可测量高焓流场等)。此外，由于光线传播数据极快，***的响应频率较高(光路长度小于3米时，***测量光路的频率响应高达100MHz)，此外由于聚焦激光的焦点光斑直径较小，因此***的沿流向的测量空间分辨率好(可达0.5mm量级)。
本发明实施例提供的聚焦激光差分干涉仪可以应用于流场测量(低速度到高超声速)，边界层测量(低速度到高超声速)，射流(亚声速，超声速)测量等等应用领域。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例：高超声速风洞密度脉动的测量方法，本实施例选择对马赫6口径500毫米的Ludwieg管风洞进行流场密度脉动测量。该风洞单位雷诺数在8×106～1.6×107[1/m]之间。
具体的测量步骤如下：
(1)搭建测量光路，将聚焦激光差分干涉仪光学测量探头放置在风洞实验段中轴线上距喷管出口200mm位置。因聚焦激光干涉差分仪的光路关于光学测量探头对称，为方便搭建光路，故把测量探头放置在喷管中轴线上。考虑到风洞观测窗与喷管之间的相对位置关系，把探头放置在距离喷管出口200mm的位置。
(2)通过控制平台对风洞储气段进行充气和加热，将风洞总压和总温控制在一般典型马赫6风洞总温430K，总压10bar。启动风洞，记录测量***输出电压信号。
(3)通过对得到的电压信号进行电压与测点处流场密度梯度的换算(公式(7))，之后再对时域上的密度梯度求均方根即可得到风洞的密度脉动。
在该实施例中，聚焦激光差分干涉仪通过非介入式光学探头对高超声速流场进行密度脉动测量。与热线仪，皮托管等常规流场测量设备相比，聚焦激光差分干涉仪的非介入式光学测量探头不会破坏流场结构，不存在激波干扰问题。此外由于聚焦激光差分干涉仪是基于光学干涉原理发展而来，其测量响应频率极高，在光路长度小于3米的情况下，测量光路响应频率高达100MHz。此外，由于测量探头部分为聚焦激光焦点，故其沿流向方空间分辨率较高，一般小于0.5mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，包括发射光路和接收光路，
所述发射光路包括：相干光源发生器、光学元件、第一偏振片P1、第一棱镜W1和第一凸透镜C2，所述相干光源发生器用于发射一束相位相同且偏振方向一致的平行激光束，所述光学元件用于将所述平行激光束发散成为锥形光束，所述第一偏振片P1用于滤除光束中非线性偏振的干扰光线，所述第一棱镜W1用于根据双折射原理将一束偏振光分离为两束强度相同且偏振方向相互垂直的偏振光，所述第一凸透镜C2用于将两束偏振方向相互垂直的分离光束聚焦成两个分离的焦点，两个分离的焦点处于聚焦区域A中；
所述接收光路包括第二凸透镜C3、第二棱镜W2、第二偏振片P2和光电接收器D，所述第二凸透镜C3用于将经过聚焦区域A后的发散的光束进行再聚焦，所述第二棱镜W2与所述第一棱镜W1形成对称的反作用，且用于将两束分离的激光进行合并，所述第二偏振片P2用于将合并后的光束进行混合，使其能够进行相位干涉，所述光电接收器D设置在光束焦点位置，且用于将光强信息转换为电压信号。
2.如权利要求1所述的聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述光学元件为凹透镜C1或凸透镜。
3.如权利要求1或2所述的聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第一凸透镜C2和所述第二凸透镜C3的焦距和尺寸均相同。
4.如权利要求2或3所述的聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，凹透镜C1，第一凸透镜C2和第二凸透镜C3之间的位置关系符合成像定理。
5.如权利要求4所述的聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，1/L1+1/L2＝1/f2，L3＝f2，
其中，凹透镜C1与第一凸透镜C2之间的距离为L1，第二凸透镜C3与光电接收器D之间的距离为L1，第一凸透镜C2与聚焦区域A之间的距离为L2，第二凸透镜C3与聚焦区域A之间的距离为L2，第一棱镜W1与第一凸透镜C2之间的距离为L3，第二棱镜W2与第二凸透镜C3之间的距离为L3，f2为第一凸透镜C2的焦距。
6.如权利要求1-5任一项所述的聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第一棱镜W1和所述第二棱镜W2为双折射棱镜，且具有相同的分光角。
7.一种基于权利要求1所述的聚焦激光差分干涉仪的非介入式测量风洞流场密度脉动的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将聚焦激光差分干涉仪光学探头，即聚焦区域A放置在流场中所需要测量的空间点上；
(2)启动风洞并记录聚焦激光差分干涉仪光电探测器的电压信号；
(3)根据电压信号获得所测流场的密度脉动信息。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，在布置光学器件时需保证光学光线传播方向与流场的流动方向相互垂直。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，聚焦激光差分干涉仪的输出电压通过数据采集卡采集保存。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，根据聚焦激光干涉差分仪的输出电压与所测流场空间点上的密度脉动之间的换算关系
Figure FDA0002239711180000021
获得所测流场的密度脉动信息；
其中，Δρ为流场测点位置密度梯度；ρL为测点平均密度；λ0为激光波长；π为圆周率；L为测量敏感性区域长度；K为Gladstone-Dale常数；V为光电传感器输出的电压值；V0＝2I0RRL，I0为通过第一棱镜W1分光后的单束激光光强，R为光电传感器的二极管敏感度；RL为光电传感器的负载电阻。
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