专利名称：气动光学波前超高频测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及航空航天领域，特别地，涉及一种用于超声速成像制导、航空摄像和机载望远镜等领域的气动光学波前超高频测量系统。此外，本发明还涉及一种包括上述测量系统的方法。
背景技术：
气动光学波前测量技术可用于研究超声速成像制导、航空摄像和机载望远镜等领域遇到的气动光学效应。现有的测量方法有很多种，比如干涉测量法、小孔径光束技术及Malley探针测量法等。常用的Malley探针测量法通过位置传感器以很高的频率测量光束的偏折，只能测量单点波前，不能进行全场测量。Malley探针测量法是利用冻结流假设，冻结流假设认为，气流经过光束的过程中，流场的折射率只有沿气流方向上的平移，而没有空 间分布的变化。然而，实际流场中，对流速度是非定常的，流场结构也是发展变化的，因此冻结流假设并不是严格正确的。尤其是对于超声速流动的气动光学研究而言，急需一种高频、全场测量波前畸变的技术和设备。

发明内容
本发明目的在于提供一种能够测量时间间隔达到微秒量级的全场气动光学波前的系统和方法，以获取超声速湍流气动光学波前变化时间历程的数据，实现超高频测量。并且，本发明的气动光学波前测量系统的设备简单，易于操作。为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种气动光学波前超高频测量系统，用于对通过超声速风洞实验舱的激光束的气动光学波前畸变进行超高频的测量，超声速风洞实验舱产生超声速流场，包括并排设置的第一双腔激光器及第二双腔激光器；第一半透半反镜，第一半透半反镜正对第一双腔激光器的出光口 ；第一反射镜，第一反射镜正对第二双腔激光器的出光口 ；并排设置的第一 CCD相机和第二 CCD相机；同步控制器,第一及第二 CCD相机和第一及第二双腔激光器均连接于同步控制器；计算机系统，计算机系统连接于第一及第二 CCD相机和同步控制器；第二半透半反镜，第二半透半反镜正对第二 CCD相机的镜头；第二反射镜，第二反射镜正对第一 CCD相机的镜头；分别位于风洞实验舱的相对两侧的背景图像及凸透镜，背景图像与第一及第二双腔激光器位于同一侧，且邻近第一半透半反镜；及位于凸透镜和第二半透半反镜之间的小孔。进一步地，第一及第二 CXD相机均为跨帧相机。进一步地，第一双腔激光器和第一 CXD相机同时使用；第二双腔激光器和第二 CXD相机同时使用。进一步地，第一或第二双腔激光器发射的每一束激光束正好分别处于对应的第一或第二 CCD相机的曝光时间范围之内。进一步地，风洞实验舱设有光学窗口，背景图像和凸透镜均正对光学窗口。根据本发明的另一方面，还提供了一种气动光学波前超高频测量系统的方法，其包括上述气动光学波前测量系统，计算机系统向同步控制器发出第一个指令，同步控制器收到第一个指令后向第一双腔激光器和第一 CCD相机发出第一个控制信号；收到第一个控制信号后，第一双腔激光器按照计算机系统预定好的第一预定脉冲时序依次发射照亮风洞实验舱内流场的激光束；第一 CCD相机按照计算机系统预定好的第二预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像拍照；计算机系统存储第一 CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的背景图像；计算机系统向同步控制器发出第二个指令，同步控制器收到第二个指令后向第二双腔激光器和第二 CCD相机发出第二个控制信号；收到第二个控制信号后，第二双腔激光器按照计算机系统预定好的第三预定脉冲时序依次发射照亮风洞实验舱内流场的激光束；第二 CCD相机按照计算机系统预定好的第四预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像拍照；计算机系统存储第二 CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的背景图像；计算机对其保存的背景图像和参考图像进行互相关计算，得到背景图像的图像位移，再通过图像位移与气动光学波前的关系计算得到不同时刻的气动光学波前畸变，其中，上述过程中，第一预定脉冲时序、第二预定脉冲时序、第三预定脉冲时序依及第四预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的时间间隔均小于或等于0. 2微秒 10微秒。进一步地，第一双腔激光器收到第一个控制信号后，第一激光器的每一激光腔按 照第一预定脉冲时序发出激光束，每一激光束依次经过第一半透半反镜、背景图像、风洞实验舱、凸透镜、小孔、第二半透半反镜及第二反射镜，第一 CCD相机按照第二预定脉冲时序曝光而分别对由第二反射镜反射后的被每一激光束照亮后的背景图像进行拍摄。进一步地，当第一双腔激光器和第一 CXD相机工作时，第二双腔激光器及第二 CXD相机关闭。进一步地，第二双腔激光器收到第二控制信号后，第二双腔激光器的每一激光腔按照第三预定脉冲时序发出激光束，每一激光束依次经过第一反射镜，第一半透半反镜、背景图像、风洞实验舱、凸透镜、小孔、第二半透半反镜，第二 CCD相机按照第二预定脉冲时序曝光而分别对由第二半透半反镜透过的被每一激光束照亮后的背景图像进行拍摄。进一步地，当第二双腔激光器和第二 CXD相机工作时，第一双腔激光器及第一 CXD相机关闭。本发明具有以下有益效果本发明利用双腔第一及第二激光器，减少了每相邻两次激光束之间的间隔时间，从而有效地缩减了拍摄相邻两次气动光学波前图像之间的时间间隔，再通过背景图像在不同时刻的位移进而计算出不同时刻的气动光学波前畸变，以实现全场气动光学波前畸变的超高频测量。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。


构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是本发明优选实施例的气动光学波前超高频测量系统的示意图；以及图2是本发明优选实施例的使用气动光学波前超高频测量系统的方法的示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。参见图1，本发明优选实施例的气动光学波前超高频测量系统用于对通过风洞实验舱10的激光束的气动光学波前畸变进行超高频测量。风洞实验舱10包括光学窗口 12，以便于被激光束照亮的背景图像光线透过风洞实验舱10的光学窗口 12。进行气动光学波前测试时，风洞实验舱10内产生超声速流场。气动光学波前测量系统包括并排设置的第一双腔激光器20和第二双腔激光器26、第一半透半反镜30、第一反射镜36、背景图像40、凸透镜50、小孔55、第二半透半反镜60、第二反射镜66、第一 CXD相机70、第二 CXD相机72、同步控制器80及计算机系统90。第 一CCD相机70和第二 CCD相机72均为跨帧相机。在其它实施方式中，也可以使用多个双腔激光器并排使用。优选地，第一及第二双腔激光器20、26、发射单脉冲激光束的宽度为6ns，单脉冲激光束的能量最高可达500mJ，波长λ等于532nm。第一双腔激光器20的出光口正对第一半透半反镜30。第二双腔激光器26的出光口正对第一反射镜36。显然地，在其它实施方式中，第一双腔激光器20和第二双腔激光器26也可以为多腔激光器；也可以采用多个双腔激光器并排使用。背景图像40位于风洞实验舱10的一侧，且正对风洞实验舱10侧壁的光学窗口12。背景图像40正对第一半透半反镜30。第一双腔激光器20或第二双腔激光器26发射的激光束经过通过第一半透半反镜30和第一反射镜36进行合束后，照亮背景图像40，而背景图像被照亮发出的光线穿过光学窗口 12。凸透镜50位于风洞实验舱10的与背景图像40相对的另一侧，且正对光学窗口12，用于接收自光学窗口 12透过的激光束。小孔55位于第二半透半反镜60和凸透镜50之间。经过凸透镜50的激光束经过小孔55成像，再由第二半透半反镜60、第二反射镜66进行透射反射后被第一或第二 CXD相机70、72拍摄成像。第一 CXD相机70、第二 CXD相机72并排设置。其中，第一 CXD相机的镜头正对第二反射镜66 ;第二 CXD相机72的镜头正对第二半透半反镜60。第一 CXD相机70、第二 CXD相机72均采用和第一双腔激光器20及第二双腔激光器26 —致的双曝光高分辨率CCD相机，且相邻两次曝光的时间间隔最短可达到200ns，分辨率为2Kx2K。第一 CXD相机70、第
二CXD相机72还连接于计算机系统90，以便于通过计算机系统90存储第一 CXD相机70、第二 CXD相机72每次拍摄的背景图像40的图像。同步控制器80分别连接第一 CXD相机70、第二 CXD相机72、第一双腔激光器20、第二双腔激光器26及计算机系统90。计算机系统90对同步控制器80发出指令，再由同步控制器80分别控制第一 CCD相机70和第一双腔激光器20，第二 CCD相机72和第二双腔激光器26同步工作，以确保第一双腔激光器20的激光束照射下的背景图像40由第一 CXD相机70拍摄；第二双腔激光器26的激光束照射下的背景图像40由第二 CXD相机72拍摄。请结合参照图2，利用本发明的气动光学波前测量系统的方法包括如下步骤SI :计算机系统90向同步控制器80发出第一个指令。
同步控制器80收到第一个指令后，向第一双腔激光器20、第一 CXD相机70发出第一个控制信号，使第一双腔激光器20及第一 C⑶相机70同步工作。此时，第二双腔激光器26和第二 CXD相机72关闭。 S2 收到同步控制器80的第一个控制信号后，第一双腔激光器20的每一激光腔按照计算机系统90预定好第一预定脉冲时序依次发射照亮所述背景图像40的激光束；第一CCD相机70按照计算机系统90预定好第二预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像40拍照。具体过程如下第一双腔激光器20经过自身的激光延迟后由其中的一个激光腔发出激光，激光通过第一双腔激光器20的光学组件实现激光合束成激光束后照射第一半透半反镜30。该激光束的部分光源透过第一半透半反镜30后照亮背景图像40，而背景图像的光线再透过光学窗口 12。透过光学窗口 12的光束经过凸透镜50，再通过小孔55成像。经过小孔55成像的图像通过第二反射镜66反射后落入第一 CXD相机70的可拍摄范 围。此时，第一 CCD相机70经过相机延时后正好处于拍摄曝光阶段，以实现对该时刻被激光照亮的背景图像40进行拍摄。第一 CCD相机70在完成曝光之将上述时刻拍摄的背景图像40保存至第一 CXD相机70的缓存。此时，第一双腔激光器20的另外一个激光腔发出激光，基于和上述相同的过程，第一 CCD相机70对该时刻被该另外一个激光腔发生的激光束照亮的背景图像40进行拍摄，并将在拍摄的背景图像40保存至第一 CXD相机70的缓存。之后，第一双腔激光器20和第一 C⑶相机70关闭。在此步骤中，发射每一束激光束的激光延迟时间一般由该第一双腔激光器20所决定，所以可以通过调整第一 CCD相机70的相机延时时间，以保证第一双腔激光器20发出的每一束激光束正好处于第一 CCD相机70对应曝光的时间范围内。S3 :第一 CXD相机70的缓存内的该两个时刻的被激光照亮的背景图像40的相片传输至计算机系统90，并由计算机系统90存储。S4 :计算机系统90向同步控制器80发出第二个指令。同步控制器80收到第二个指令后，向第二双腔激光器26及第二 CXD相机72发出第二个控制信号，使第二双腔激光器26及第二 CXD相机72同步工作。S5 :收到同步控制器80的第二个控制信号后，第二双腔激光器26的每一激光腔按照计算机系统90预定好第三预定脉冲时序依次发射照亮所述背景图像40的激光束；第二CCD相机72按照计算机系统90预定好第四预定脉冲时序依次对被激光照亮的背景图像40拍照。具体过程如下第二双腔激光器26经过自身的激光延迟后由其中的一个激光腔发出激光，激光通过第二双腔激光器26的光学组件实现激光合束后照射到第一反射镜36，经过第一反射镜36反射后激光束照射至第一半透半反镜30。该激光束的部分光源透过第一半透半反镜30后照亮背景图像40，而背景图像的光线再透过光学窗口 12。透过光学窗口 12的光线经过凸透镜50，再通过小孔55成像。经过小孔55成像的图像透过第二半透半反镜60部分透射在第二 CXD相机72的镜头。此时，第二 CXD相机72经过相机延时后正好处于拍摄曝光阶段，以实现对该时刻被激光照亮的背景图像40进行拍摄。第二 CCD相机72在完成曝光之后将上述时刻拍摄的背景图像40保存至第二 CXD相机72的缓存。
此时，第二双腔激光器26的另外一个激光腔发出激光，基于和上述相同的过程，第二 CCD相机70对该时刻被该另外一个激光腔发生的激光束照亮的背景图像40进行拍摄，并将在拍摄的背景图像40保存至第二 CCD相机70的缓存。在此步骤中，发射每一束激光束的激光延迟时间一般由该第二双腔激光器26所决定，所以可以通过调整第二 CCD相机72的相机延时时间，以保证第二双腔激光器26发出的每一束激光束正好处于第二 CCD相机72对应曝光的时间范围内。在上述步骤S2和S5中，第一预定脉冲时序、第二预定脉冲时序、第三预定脉冲时序依及第四预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的时间间隔均小于或等于O. 2微秒 10微秒，即每相邻两个脉冲时序之间的频率可高达160MHz，以实现气动光学畸变的超高频测量。S6 :第二 CXD相机72的缓存内的背景图像传输至计算机系统90，并由计算机系统90存储。
S7 :计算机系统90根据纹影原理，将计算机系统90内保存的背景图像的图像和参考图像进行互相关计算，即可得到背景图像40在不同时刻的位移，再通过背景图像40在不同时刻的位移进而计算出不同时刻的气动光学波前畸变，实现超高频波前畸变测量。本发明利用双腔第一及第二激光器20、26，减少了每相邻两次激光束之间的间隔时间，从而有效地缩减了拍摄相邻两次气动光学波前图像之间的时间间隔，保证了相邻两次气动光学波前图像之间的时间间隔到可达微秒量级。显然地，在其它实施方式中，上述方法中的第一及第二激光器20、26也可以采用多腔激光器，以拍摄时间间隔很短的多幅背景图像40的照片。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种气动光学波前超高频测量系统，用于对通过超声速风洞实验舱的激光束的气动光学波前畸变进行超高频测量，所述超声速风洞实验舱产生超声速流场，其特征在于，所述气动光学波前测量系统包括 并排设置的至少ー个第一双腔激光器及至少ー个第二双腔激光器； 第一半透半反镜，所述第一半透半反镜正对所述第一双腔激光器的出光ロ ； 第一反射镜，所述第一反射镜正对所述第二双腔激光器的出光ロ ； 并排设置的第一 (XD相机和第二 (XD相机； 同步控制器，所述第一及第ニ CCD相机和所述第一及第ニ双腔激光器均连接于所述 同步控制器； 计算机系统，所述计算机系统连接于所述第一及第ニ CCD相机和所述同步控制器；第二半透半反镜，所述第二半透半反镜正对所述第二 CXD相机的镜头； 第二反射镜，所述第二反射镜正对所述第一 CCD相机的镜头； 分别位于所述风洞实验舱的相对两侧的背景图像及凸透镜，所述背景图像与所述第一及第ニ双腔激光器位于同一侧，且邻近所述第一半透半反镜；及位于所述凸透镜和所述第二半透半反镜之间的小孔。
2.根据权利要求I所述的气动光学波前超高频测量系统，其特征在干， 所述第一及第ニ CCD相机均为跨帧相机。
3.根据权利要求2所述的气动光学波前超高频测量系统，其特征在干， 所述第一双腔激光器和所述第一 CCD相机同时使用； 所述第二双腔激光器和所述第二 CCD相机同时使用。
4.根据权利要求3所述的气动光学波前超高频测量系统，其特征在干， 所述第一或第二双腔激光器发射的每一束激光束正好分别处于对应的第一或第二 CCD相机的曝光时间范围之内。
5.根据权利要求4所述的气动光学波前超高频测量系统，其特征在干， 所述风洞实验舱设有光学窗ロ，所述背景图像和所述凸透镜均正对所述光学窗ロ。
6.ー种使用所述权利要求I至5任意ー项的气动光学波前超高频测量系统的方法，其特征在于，包括如下步骤 所述计算机系统向所述同步控制器发出第一个指令，所述同步控制器收到所述第一个指令后向所述第一双腔激光器和第一 CCD相机发出第一个控制信号； 收到第一个控制信号后，所述第一双腔激光器按照所述计算机系统预定好的第一预定脉冲时序依次发射照亮所述风洞实验舱内流场的激光束；所述第一 CCD相机按照所述计算机系统预定好的第二预定脉冲时序依次对被激光照亮的所述背景图像拍照； 所述计算机系统存储所述第一 CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的所述背景图像； 所述计算机系统向所述同步控制器发出第二个指令，所述同步控制器收到所述第二个指令后向所述第二双腔激光器和第二 CCD相机发出第二个控制信号； 收到第二个控制信号后，所述第二双腔激光器(多个双腔激光器而使得在时序控制下每组结果的时间间隔可以非常小)按照所述计算机系统预定好的第三预定脉冲时序依次发射照亮所述风洞实验舱内流场的激光束；所述第二 CCD相机按照所述计算机系统预定好的第四预定脉冲时序依次对被激光照亮的所述背景图像拍照；所述计算机系统存储所述第二 CCD相机每一次拍摄的被激光照亮的所述背景图像； 所述计算机对其保存的所述背景图像和參考图像进行互相关计算，得到所述背景图像的图像位移，再通过所述图像位移与气动光学波前的关系计算得到气动光学波前畸变OPD，其中，上述过程中，所述第一预定脉冲时序、所述第二预定脉冲时序、所述第三预定脉冲时序依及所述第四预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的时间间隔均小于或等于O. 2微秒 10微秒。
7.根据权利要求6所述的气动光学波前超高频测量方法，其特征在干， 所述第一双腔激光器收到所述第一个控制信号后，所述第一激光器的每ー激光腔按照所述第一预定脉冲时序发出激光束，每ー激光束依次经过所述第一半透半反镜、所述背景图像、所述风洞实验舱、所述凸透镜、所述小孔、所述第二半透半反镜及所述第二反射镜，所述第一 CCD相机按照所述第二预定脉冲时序曝光而分别对由所述第二反射镜反射后的被每ー激光束照亮后的背景图像进行拍摄。
8.根据权利要求7所述的气动光学波前超高频测量方法，其特征在干， 当所述第一双腔激光器和所述第一 CCD相机工作时，所述第二双腔激光器及第ニ CCD相机关闭。
9.根据权利要求6所述的气动光学波前超高频测量方法，其特征在干， 所述第二双腔激光器收到所述第二控制信号后，所述第二双腔激光器的每ー激光腔按照所述第三预定脉冲时序发出激光束，每ー激光束依次经过所述第一反射镜，所述第一半透半反镜、所述背景图像、所述风洞实验舱、所述凸透镜、所述小孔、所述第二半透半反镜，所述第二 CXD相机按照所述第二预定脉冲时序曝光而分别对由所述第二半透半反镜透过的被每ー激光束照亮后的背景图像进行拍摄。
10.根据权利要求9所述的气动光学波前超高频测量方法，其特征在干， 当所述第二双腔激光器和所述第二 CCD相机工作时，所述第一双腔激光器及第一 CCD相机关闭。
全文摘要
本发明提供了一种气动光学波前超高频测量系统，包括第一双腔激光器及第二双腔激光器、正对第一双腔激光器的出光口的第一半透半反镜、正对第二双腔激光器的出光口的第一反射镜、并排设置的第一CCD相机和第二CCD相机、同步控制器、连接于第一及第二CCD相机和同步控制器的计算机系统、正对第二CCD相机的镜头的第二半透半反镜、正对第一CCD相机的镜头的第二反射镜、分别位于风洞实验舱的相对两侧的背景图像和凸透镜及小孔。背景图像与第二双腔激光器位于同一侧；第一及第二CCD相机和第一及第二双腔激光器均连接于同步控制器。本发明还涉及测量方法，该方法利用计算机对拍摄的背景图像进行分析计算，以实现全场气动光学波前畸变的超高频测量。
文档编号G01J9/00GK102853918SQ20121030595
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者易仕和, 田立丰, 陈植, 何霖, 赵玉新, 周勇为 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学