CN113093453A - 一种多光束piv照明*** - Google Patents

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Abstract

本发明一种多光束PIV照明***，具备双曝光特性的激光主光束5‑0从Nd:YAG双脉冲激光器7中出射，调整分光单元调整座1，使激光主光束5‑0经过固定在分光单元调整座1上的消偏振分光棱镜2后，被分成的左路出射光束5‑1垂直照射在左路片光调制装置6‑1上，右路出射光束5‑2照射在固定于反射镜调制座3上的单光束反射镜4上，调整反射镜调制座3，使右路出射光束5‑2经过固定在反射镜调制座3上的单光束反射镜4反射后，垂直照射在右路片光调制装置6‑2上，解决了目前单台双曝光激光器仅能照射单个流场截面的局限问题，实现2个及以上流场截面的同步拍摄。

Description

一种多光束PIV照明***
技术领域
本发明涉及一种多光束PIV照明***，属于航空航天实验技术领域。
背景技术
PIV技术中，流场的照明至关重要，一般利用高能量的脉冲激光调制成片状光源，照射实验区域内的示踪粒子，同时使用相机记录粒子的散射运动图像，通过相应的迭代重构算法反演计算处流场速度分布。虽然近年来，开始发展出多相机三维速度场测量技术，但仅限于基础研究，测量精度偏低，光学复杂度高，在飞行器流场验证应用中无法广泛推广应用，二维平面的PIV技术在未来一段时间内仍是速度场测量的主流技术。
新一代飞行器和对于精细化复杂流场测量和诊断的技术需求不断增加，如模型两侧有遮挡的环境，单侧无法获得另一侧流场信息，因此如何在较大市场范围内，在一次风洞试验中，尽可能多的获取多个截面的速度信息，是工程实用测量发展中遇到的问题。目前的PIV技术采用双曝光激光器，即双路Nd:YAG谐振腔，通过精确的合束和时序控制，实现两束激光可以按照预定的时间间隔照射在同一位置，但同时只能拍摄到一个截面的速度场信息，如果通过多次风洞试验补充拍摄，不仅提升了测量成本，被遮挡面分隔的不同测量环境内速度场的流动相关性也无法获取。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种多光束PIV照明***，解决了目前单台双曝光激光器仅能照射单个流场截面的局限问题，实现2个及以上流场截面的同步拍摄。
本发明解决的技术方案为：一种多光束PIV照明***，包括：激光发生单元、主光束分光单元、光束方向调整单元、片光调制单元、图像拍摄单元和模拟遮挡面(8)，其中模拟遮挡面(8)，用于分隔待测量环境；
片光调制单元，包括：左路片光调制装置(6-1)和右路片光调制装置(6-2)；
图像拍摄单元，包括：左路拍摄跨帧相机(9-1)和右路拍摄跨帧相机(9-2)；
激光发生单元，出射激光主光束(5-0)至主光束分光单元；
主光束分光单元，接收激光主光束(5-0)，并将激光主光束(5-0)分成两束，其中一束作为左路出射光束(5-1)，另一束作为右路出射光束(5-2)；
左路出射光束(5-1)垂直照射在左路片光调制装置(6-1)上；左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)调制后形成左路出射光束调制的片光(5-1)'，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的一侧，由左路拍摄跨帧相机(9-1)进行拍摄；
右路出射光束(5-2)照射在光束方向调整单元上，使右路出射光束(5-2)经过光束方向调整单元反射后，形成右路出射光束的反射光束5-2'，垂直照射在右路片光调制装置(6-2)上，右路出射光束的反射光束5-2'经过右路片光调制装置(6-2)调制后，变为右路出射光束调制的片光(5-2”)；
左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)调制后形成左路出射光束调制的片光(5-1)'，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的一侧即左侧，由左路拍摄跨帧相机(9-1)进行拍摄；
右路出射光束(5-2)经过光束方向调整单元反射后变为右路出射光束的反射光束5-2'，再变为右路出射光束调制的片光5-2”，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的另一侧即右侧，由右路拍摄跨帧相机(9-2)进行拍摄。
优选的，激光发生单元为Nd:YAG双脉冲激光器(7)。
优选的，出射激光主光束(5-0)为具备双曝光特性的激光主光束。
优选的，主光束分光单元，包括：分光单元调整座(1)和消偏振分光棱镜(2)；
消偏振分光棱镜(2)安装在分光单元调整座(1)上；分光单元调整座(1)能够对消偏振分光棱镜(2)的位置进行调整。
优选的，通过调整分光单元调整座(1)，使激光主光束(5-0)经过安装在分光单元调整座(1)上的消偏振分光棱镜(2)后，被分成的左路出射光束(5-1)垂直照射在左路片光调制装置(6-1)上，右路出射光束(5-2)照射在安装于反射镜调制座(3)上的单光束反射镜4上。
优选的，光束方向调整单元，包括：反射镜调制座(3)、单光束反射镜(4)；
单光束反射镜(4)安装在反射镜调制座(3)上；反射镜调制座(3)能够对单光束反射镜(4)的位置进行调整。
优选的，通过调整反射镜调制座(3)，使右路出射光束(5-2)经过安装于反射镜调制座(3)上的单光束反射镜(4)反射后，垂直照射在右路片光调制装置(6-2)上。
优选的，左路片光调制装置(6-1)对左路出射光束(5-1)进行调制，变为左路出射光束调制的片光(5-1')，具体为：左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)内的平凸球面透镜和平凹柱面透镜后，被调制为具有一定厚度的扇形片状光源，即出射光束调制的片光(5-1')。
优选的，右路片光调制装置6-2对右路出射光束的反射光束(5-2')进行调制，变为右路出射光束调制的片光(5-2”)，具体为：左路出射光束的反射光束(5-2')经过左路片光调制装置(6-2)内的平凸球面透镜和平凹柱面透镜后，被调制为具有一定厚度的扇形片状光源，即右路出射光束调制的片光(5-2”)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以实现大尺度低速风洞和亚跨超声速风洞内模型绕流场2个及以上截面速度场的测量。
(2)本发明通过高透过率窄带消偏振分光设计，保证指定波段激光光束在分光过程中的偏振一致性和分光能量的均匀性，并降低激光在分光器件上的能量损失。
(3)本发明通过前表面镀膜的反射元件，消除光路在光学元件中的二次反射，结合前述优点(2)中的消偏振分光特性和模块化的光学元件组合设计，可以向下扩展进行多级分束。
附图说明
图1为本发明多光束分光光路布局及测试示意图；
图2为本发明消偏振分光棱镜半透半反示意图；
图中，1为分光单元调整座，2为消偏振分光棱镜，3为反射镜调整座，4为单光束反射镜，5-0为激光主光束，5-1为左路出射光束，5-1'为左路出射光束调制的片光，5-2为右路出射光束，5-2'为右路出射光束的反射光束，5-2”为右路光束调制的片光，6-1为左路片光调制装置，6-2为左路片光调制装置，7为Nd:YAG双脉冲激光器，8为模拟遮挡面，9-1为左路拍摄跨帧相机，9-2为右路拍摄跨帧相机，10为流场。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明的一种多光束PIV照明***是用于粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry，以下简称PIV)技术的流场照明。
PIV是一种无干扰的测量流体中瞬时速度场的测量技术，流动速度场的测量是流体力学发展和实际工程应用的关键问题之一，不仅直接关系到诸如飞行器、汽车、高铁等流线型动力机械的外形设计和优化，还制约着流体力学的发展。尤其是在飞行器的研制过程中，流场速度的定量测量是更是一项不可或缺的内容。精确的速度测量对于理解流动机理、分析飞行器及其各部件的气动特性具有十分重要的意义。
目前，风洞试验利用PIV技术进行空间速度场测量的需求越来越多，如大型低速风洞和亚跨超声速风洞中的飞行器模型扰流流场的速度场测量试验。由于模型遮挡的存在，如机翼、凸起面等，会对流场进行分隔，需要对有遮挡条件的不同流场区域内的截面速度场进行测量，本发明通过设计，利用单台双曝光激光器实现2个及以上的流场截面的同步照明，通过光学窗口向流场输入两片片状光源照明有遮挡条件的不同流场区域，并分别采用跨帧相机对被照明的流场进行拍摄，获取相应的流场截面速度场。本发明不仅可以用于在单次风洞试验中获取丰富的流动信息，降低测量成本，更满足了被遮挡面分隔的不同测量环境内速度场的流动相关性需求。
本发明一种多光束PIV照明***，具备双曝光特性的激光主光束5-0从Nd:YAG双脉冲激光器7中出射，调整分光单元调整座1，使激光主光束5-0经过固定在分光单元调整座1上的消偏振分光棱镜2后，被分成的左路出射光束5-1垂直照射在左路片光调制装置6-1上，右路出射光束5-2照射在固定于反射镜调制座3上的单光束反射镜4上，调整反射镜调制座3，使右路出射光束5-2经过固定在反射镜调制座3上的单光束反射镜4反射后，垂直照射在右路片光调制装置6-2上，解决了目前单台双曝光激光器仅能照射单个流场截面的局限问题，实现2个及以上流场截面的同步拍摄。
本发明是通过以下方案实现的。
优选方案为：激光发生单元包含Nd:YAG双脉冲激光器(7)，如图1所示，具体要求为：优选采用基于Nd:YAG谐振晶体的双腔脉冲激光器，出射的激光主光束(5-0)波长λ＝532nm，脉冲重复频率f1≥10Hz。优选单腔曝光能量E0≥300mJ以上的双腔脉冲激光器作为激光发生单元，脉宽w≤15ns，直径8mm≤dl≤10mm，Nd:YAG双脉冲激光器(7)通过内部合束光路严格合束输出，双脉冲激光时间间隔Δt1通过高精度时序控制器精确控制，控制误差小于1ns。
优选方案为：分光单元包括分光单元调整座(1)和消偏振分光棱镜(2)，如图1所示，其作用为将激光主光束(5-0)分成左路出射光束(5-1)和右路出射光束(5-2)。具体要求为：分光单元调整座(1)优选具备3自由度角度调整功能和2自由度位移调整功能的光学支架，单方向角度调整误差小于3'，单方向位移调制误差小于0.02mm，并对消偏振分光棱镜具有夹持功能；消偏振分光棱镜(2)具备消偏振分光特性，采用两个三棱镜拼接成分光棱镜，如图2所示，优选K9或石英材料，消偏振分光棱镜面型为λ/4，通光孔径dx≥2dl，出射光束偏转误差小于3'，温度适用范围-30～+70℃，在反射面镀有消偏振分光膜，四个外表面镀有增透膜。
优选方案为：光束方向调整单元包括反射镜调整座(3)和单光束反射镜(4)，如图1所示，用于将右路出射光束(5-2)调整为右路出射光束的反射光束(5-2')。具体要求为：反射镜调整座(3)优选具备3自由度角度调整功能和2自由度位移调整功能的光学支架，单方向角度调整误差小于3'，单方向位移调制误差小于0.02mm，并对单光束反射镜具有夹持功能；单光束反射镜(4)优选K9或材料，前表面反射并镀有532nm激光增反膜，通光孔径df≥2dl，温度适用范围-30～+70℃。
优选方案为：片光调制单元为包含左路片光调制装置(6-1)和左路片光调制装置(6-2)，如图1所示，用于将左路出射光束(5-1)和右路出射光束的反射光束(5-2')分别调制为为左路出射光束调制的片光(5-1')和右路光束调制的片光(5-2”)。具体要求为采用平凸球面透镜和平凹柱面透镜组合，通过孔径dp≥2dl，优选K9或石英材料，镀有532nm激光增透膜，温度适用范围-30～+70℃。
图像拍摄单元主要包括左路拍摄跨帧相机(9-1)和右路拍摄跨帧相机(9-2)，如图1所示，实现被模拟遮挡面(8)分隔的流场(10)两侧区域被照明的示踪粒子图像拍摄。具体要求为采用跨帧数字相机，设置的跨帧拍摄时间间隔Δt2＝Δt1，跨帧数字相机重复拍摄频率f2＝f1，优选图像分辨率不低于1k×1k，图像灰度位深不低于12bit的跨帧数字相机。
本发明实现分光能量损失进一步降低的优选方案：设消偏振分光棱镜(2)的分光透射率为k1，单光束反射镜(4)的反射率为k2，多光束PIV照明***经过n级分光，共获得2n路出射光束，每路出射光束能量要求为En，则分光透射率k1和反射率k2应满足(k1 k2)n≥1.05*En/E0，由于现有激光器最大单曝光能量限制，一般分光级数n≤3。满足该优选约束条件，可以实现实现分光能量损失进一步降低。
优选方案为：本发明的一种多光束PIV照明***建立后，针对分光光束均匀性和分光能量效率进行测试。其中，分光光束均匀性使用532nm激光感光纸进行测试，摘除左路片光调制装置(6-1)和左路片光调制装置(6-2)，打开***，针对左路出射光束(5-1)和右路出射光束的反射光束(5-2')，分别照在2m的距离处的感光纸上的，获取激光光斑，关闭***后，可通过数字相机拍摄感光纸上的激光光斑，检测其圆度和均匀性。本发明中光斑圆度通过最大半径和最小半径之差表示，实测的本发明的一种多光束PIV照明***圆度优于0.1mm。分光能量效率R通过能量计进行检测，在只有1级分光光路情况下，首先使用能量计检测激光主光束(5-0)能量，记为E0，然后检测左路出射光束(5-1)的能量和右路出射光束的反射光束(5-2')的能量，记为E1l和E1r，则左路出射光束的能量效率为Rl＝E1l/E0*100％，右路出射光束的能量效率为Rl＝E1r/E0*100％，理想情况下，Rl＝Rl＝50％，但实际经过分束和反射必然存在衰减，实测优选后***的E1l≈43.4％，E1r≈39.8％。

Claims (9)

1.一种多光束PIV照明***，其特征在于包括：激光发生单元、主光束分光单元、光束方向调整单元、片光调制单元、图像拍摄单元和模拟遮挡面(8)，其中模拟遮挡面(8)，用于分隔待测量环境；
片光调制单元，包括：左路片光调制装置(6-1)和右路片光调制装置(6-2)；
图像拍摄单元，包括：左路拍摄跨帧相机(9-1)和右路拍摄跨帧相机(9-2)；
激光发生单元，出射激光主光束(5-0)至主光束分光单元；
主光束分光单元，接收激光主光束(5-0)，并将激光主光束(5-0)分成两束，其中一束作为左路出射光束(5-1)，另一束作为右路出射光束(5-2)；
左路出射光束(5-1)垂直照射在左路片光调制装置(6-1)上；左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)调制后形成左路出射光束调制的片光(5-1)'，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的一侧，由左路拍摄跨帧相机(9-1)进行拍摄；
右路出射光束(5-2)照射在光束方向调整单元上，使右路出射光束(5-2)经过光束方向调整单元反射后，形成右路出射光束的反射光束5-2'，垂直照射在右路片光调制装置(6-2)上，右路出射光束的反射光束5-2'经过右路片光调制装置(6-2)调制后，变为右路出射光束调制的片光(5-2”)；
左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)调制后形成左路出射光束调制的片光(5-1)'，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的一侧即左侧，由左路拍摄跨帧相机(9-1)进行拍摄；
右路出射光束(5-2)经过光束方向调整单元反射后变为右路出射光束的反射光束5-2'，再变为右路出射光束调制的片光5-2”，照射在流场(10)内模拟遮挡面(8)的另一侧即右侧，由右路拍摄跨帧相机(9-2)进行拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：激光发生单元为Nd:YAG双脉冲激光器(7)。
3.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：出射激光主光束(5-0)为具备双曝光特性的激光主光束。
4.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：主光束分光单元，包括：分光单元调整座(1)和消偏振分光棱镜(2)；
消偏振分光棱镜(2)安装在分光单元调整座(1)上；分光单元调整座(1)能够对消偏振分光棱镜(2)的位置进行调整。
5.根据权利要求4所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：通过调整分光单元调整座(1)，使激光主光束(5-0)经过安装在分光单元调整座(1)上的消偏振分光棱镜(2)后，被分成的左路出射光束(5-1)垂直照射在左路片光调制装置(6-1)上，右路出射光束(5-2)照射在安装于反射镜调制座(3)上的单光束反射镜4上。
6.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：光束方向调整单元，包括：反射镜调制座(3)、单光束反射镜(4)；
单光束反射镜(4)安装在反射镜调制座(3)上；反射镜调制座(3)能够对单光束反射镜(4)的位置进行调整。
7.根据权利要求6所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：通过调整反射镜调制座(3)，使右路出射光束(5-2)经过安装于反射镜调制座(3)上的单光束反射镜(4)反射后，垂直照射在右路片光调制装置(6-2)上。
8.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：左路片光调制装置(6-1)对左路出射光束(5-1)进行调制，变为左路出射光束调制的片光(5-1')，具体为：左路出射光束(5-1)经过左路片光调制装置(6-1)内的平凸球面透镜和平凹柱面透镜后，被调制为具有一定厚度的扇形片状光源，即出射光束调制的片光(5-1')。
9.根据权利要求1所述的一种多光束PIV照明***，其特征在于：右路片光调制装置6-2对右路出射光束的反射光束(5-2')进行调制，变为右路出射光束调制的片光(5-2”)，具体为：左路出射光束的反射光束(5-2')经过左路片光调制装置(6-2)内的平凸球面透镜和平凹柱面透镜后，被调制为具有一定厚度的扇形片状光源，即右路出射光束调制的片光(5-2”)。
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