专利名称：大气中发动机羽流场对激光传输影响测试系统及方法
技术领域：
本专利涉及光电检测技术，具体指一种大气中大推力发动机羽流场对激光传输影 响测试系统及测试方法，它用来测试在大气条件下7000牛顿以上大推力火箭发动机羽流 场对激光传输特性的影响。
背景技术：
在太空探测过程中，星球着陆器上激光敏感器是保证其顺利着陆的重要测试设 备。着陆器飞行姿态的调整依靠火箭发动机来实现，其中包括小推力发动机及大推力发动 机。大推力火箭发动机羽流场是一种高温强粒子流场，而激光敏感器的传输路径会从中穿 过，这样激光的传输特性将会受到羽流场的影响而改变，进而影响激光敏感器准确工作。因 此急需了解真空状态下大推力火箭羽流场对激光的作用及其影响，以在敏感器系统及着陆 器推进系统设计中加以改进，消除可能存在的对安全着陆的影响.目前在地面模拟测试 中，小推力火箭发动机可在真空罐中进行以模拟真空状态，但7000牛顿以上大推力火箭发 动机实验还无法在真空罐中进行。因此，大气条件下火箭发动机对激光传输影响的测试实 验具有重要的参考意义。大气条件下测试工况非常恶劣，由于火箭发动机被固定在测试台上，点火时强大 的噪声与冲击力使测试环境存在较大的振动影响，且测试人员无法靠近现场，必须在隔离 区之外工作。本专利针对大气条件下的恶劣测试工况，提出一种满足该工况的大推力火箭羽流 场对激光传输特性影响的测试系统及方法，以评估羽流场对激光能量衰减、指向偏折、光束 质量的影响。
发明内容
本专利的目的是提供一种大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性 影响的测试系统及测试方法。该系统采用双分析光路进行数据采集与比较以消除环境振动 对测试结果的影响，并采用无线局域网进行远程控制.然后采用离线图像处理的方法，分 析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量恶化情况，以全面评估大气条件下大推 力火箭发动机羽流场对激光传输特性的影响。本专利的技术方案是这样来实现的，大推力火箭发动机固定安装于测试平台上， 以发动机中轴线作为基准线，在其一侧固定安装两台相同规格的1064nm连续红外激光器， 两台激光器光路相互平行，其中一台激光器光路与基准线等高作为主光路，另一台激光器 光路高于发动机羽流最高点作为参考光路。在基准线另一侧固定安装两台相同规格的红外 面阵摄像机，分别接收来自两台激光器的激光束，红外面阵摄像机通过视频图像采集卡与 数据采集计算机相联接，计算机中安装有数据采集软件。在两台计算机中安装802. lln规 格的无线网卡，另准备两台安装有同规格无线网卡的控制计算机与一台802. lln规格的无 线交换机组建无线局域网。两台控制计算机放置于隔离区以外，测试人员通过远程桌面远程控制数据采集计算机进行数据采集与存储。火箭发动机点火前，打开两台激光器，并用微光夜视仪进行瞄准调节，使两台激光器光束分别被两台红外面阵摄像机接收。经过光学衰减片及窄带滤光片组合调节，使摄像 机接收红外光强接近其饱和值。测试人员撤离至隔离区之外，通过远程控制采集点火前若 干时间的两激光光斑光强分布图像。随后发动机点火，同样通过远程控制采集点火后若干 时间的两激光光斑光强分布图像。离线视频图像处理时，先分析参考光路点火前后光斑图 像的变化情况，利用数学统计的方法得到振动的物理参数。在主光路点火前后的图像处理 中，仍采用数学统计的方法得到统计参数，并结合振动物理参数，分析激光光强、指向、光斑 能量分布点火前后统计特性的变化，以全面评估大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激 光传输特性的影响。
图1、2为本专利的技术原理图，图中1_工作平台；2-大推力火箭发动机； 3-1064nm红外测量激光器；4_1064nm红外参考激光器；5_1064nm衰减片组；6_1064nm窄带 滤光片；7-套筒；8-红外面阵参考摄像机；9-红外面阵测量摄像机；10-视频图像采集与处 理子系统；10-1-测量通道控制计算机；10-2-802. Iln规格无线网卡；10_3_参考通道控制 计算机；10-4-802. Iln规格无线交换机；10_5_视频图像采集卡；10_6_参考数据采集计算 机；10-7-测量数据采集计算机；11-护栏。
具体实施例方式本专利的原理如图1所示，测试现场设置长宽各50m左右由护栏11围起的隔离 区，在发动机点火后测试人员撤离隔离区外以保证安全。大推力火箭发动机2固定安装在 工作平台1上，以发动机中轴线作为基准线，在其一侧固定安装两台相同规格的1064nm红 外测量激光器3和1064nm红外参考激光器4，两台激光器光路相互平行。其中测量激光器 光路与基准线等高作为主光路，参考激光器光路高于发动机羽流最高点作为参考光路。在 基准线另一侧固定安装两台相同规格的红外面阵测量摄像机9和红外面阵参考摄像机8， 分别接收来自测量激光器和参考激光器的激光束。两红外面阵摄像机前装有套筒7，套筒 前端面固定安装有1064nm窄带滤光片6以消除环境杂散光的干扰。滤光片6前固定安装 1064nm衰减片组5，可调节其组合使到达红外面阵摄像机光敏面的光强合适。红外面阵摄 像机通过视频图像采集与处理子系统10进行数据采集及处理。视频图像采集与处理子系统结构如图2所示，红外面阵测量摄像机与参考摄像机 分别通过视频图像采集卡10-5与测量数据采集计算机10-7和参考数据采集计算机10-6 相联接，计算机中安装有数据采集软件。另准备测量通道控制计算机10-1和参考通道控制 计算机10-3用来分别控制测量数据采集计算机10-7和参考数据采集计算机10-6。在四台 计算机中都安装802. Iln规格无线网卡10-2，与一台802. Iln规格无线交换机10_4组建无 线局域网。火箭发动机点火前，打开两激光器，并用微光夜视仪进行瞄准调节，使两台激光器 光束分别被红外面阵测量摄像机和参考摄像机接收.经过衰减片组5及窄带滤光片6组合 调节，使红外面阵测量摄像机9和红外面阵参考摄像机8接收红外光强接近其饱和值。测试人员撤离至隔离区之外，操作测量通道控制计算机10-1和参考通道控制计算机10-3，通 过远程桌面控制测量数据采集计算机10-7和参考数据采集计算机10-6。采集点火前若干 时间的两激光光斑光强分布图像。随后发动机点火，同样通过远程控制采集点火后若干时 间的两激光光斑光强分布图像。 离线视频图像处理时，先分析参考光路点火前后光斑图像的变化情况，利用数学 统计的方法得到振动的物理参数。在主光路点火前后的图像处理中，仍采用数学统计的方 法得到统计参数，并结合振动物理参数，分析激光光强、指向、光斑能量分布点火前后统计 特性的变化，以全面评估大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性的影响。
权利要求
一种大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性影响的测试系统，它主要包括工作平台、大推力火箭发动机、2台红外激光器、2台红外面阵摄像机和视频图像采集与处理子系统，其特征在于大推力火箭发动机(2)固定安装在工作平台(1)上；以发动机中轴线作为基准线，在其一侧固定安装两台相同规格的1064nm红外测量激光器(3)和1064nm红外参考激光器(4)，两台激光器光路相互平行，其中测量激光器光路与基准线等高作为主光路，参考激光器光路高于发动机羽流最高点作为参考光路；在基准线另一侧固定安装两台相同规格的红外面阵测量摄像机(9)和红外面阵参考摄像机(8)，，分别接收来自1064nm红外测量激光器(3)和1064nm红外参考激光器(4)的激光束；所述的两红外面阵摄像机(3)和(4)前装有套筒(7)，所述的套筒前端面固定安装有可以消除环境杂散光干扰的1064nm窄带滤光片(6)；在所述的1064nm窄带滤光片(6)前安装1064nm衰减片组(5)，通过调节其组合使到达红外面阵摄像机光敏面的光强合适；红外面阵摄像机通过视频图像采集与处理子系统(10)进行数据采集及处理。
2.根据权利要求1所述的一种大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性 影响的测试系统，其特征在于所述的视频图像采集与处理子系统(10)由测量通道控制计 算机(10-1),802. lln规格无线网卡(10-2)、参考通道控制计算机(10-3) ,802. lln规格无 线交换机(10-4)、视频图像采集卡(10-5)、参考数据采集计算机(10-6)和测量数据采集计 算机(10-7)构成，红外面阵测量摄像机(9)与参考摄像机(8)分别通过视频图像采集卡 (10-5)与测量数据采集计算机(10-7)和参考数据采集计算机(10-6)相联接，计算机中安 装有数据采集软件；测量通道控制计算机(10-1)和参考通道控制计算机(10-3)用来分别 控制测量数据采集计算机(10-7)和参考数据采集计算机(10-6)；在上述四台计算机中都 安装802. lln规格无线网卡(10-2)，与一台802. lln规格无线交换机(10_4)组建无线局域 网。
3.一种基于权利要求1所述系统的火箭发动机羽流场对激光传输特性影响的测试方 法，其特征在于包括以下步骤1)火箭发动机点火前，打开两台激光器，并用微光夜视仪进行瞄准调节，使两台激光器 光束分别被两台红外面阵摄像机接收；2)调节光学衰减片及窄带滤光片组合，使摄像机接收红外光强接近其饱和值；3)测试人员撤离至隔离区之外，通过远程控制采集点火前若干时间的两激光光斑光强 分布图像；4)火箭发动机点火，同样通过远程控制采集点火后若干时间的两激光光斑光强分布图像；5)离线视频图像处理时，先分析参考光路点火前后光斑图像的变化情况，利用数学统 计的方法得到振动的物理参数，在主光路点火前后的图像处理中，仍采用数学统计的方法 得到统计参数，并结合振动物理参数，分析激光光强、指向、光斑能量分布点火前后统计特 性的变化，以全面评估大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性的影响。
全文摘要
本发明公开了一种大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性影响的测试系统及测试方法。该系统采用双分析光路进行数据采集与比较以消除环境振动对测试结果的影响，并采用无线局域网进行远程控制.然后采用离线图像处理的方法，分析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量恶化情况，以全面评估大气条件下大推力火箭发动机羽流场对激光传输特性的影响。
文档编号G01M9/00GK101876586SQ20101014292
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者万雄, 王建宇, 舒嵘, 黄庚华 申请人:中国科学院上海技术物理研究所