一种激波辐射定量测量原位定标系统及方法与流程

本发明属于高速流体特征研究的
技术领域：
，具体地涉及一种激波辐射定量测量原位定标系统及方法，其主要用于对整个激波测量系统进行标定。
背景技术：
：激波是研究高速流体特征的一个重要载体，高速飞行目标在边界产生激波，激波将加热气体产生辐射。对激波加热高温气体的辐射定量测量将有助于更好的研究高速飞行过程中辐射加热对飞行器的影响。目前国内对激波辐射过程实验测量较少，而对激波绝对辐射强度测量定标也往往采用测量与定标从空间上分离的方法。即测量与定标为不同的光学系统。同时，由于实验测量激波的辐射强度要远大于标准灯的辐射强度，在设定CCD的积分时间时，考虑到CCD本身线性较好的特点，定标时的积分时间设置要远大于实验测量时所设置的积分时间，这样才能引起相当的DN输出。由于定标所设积分时间与实验测量所设积分时间处于不同数量级的区间，因此就不能将积分时间作为变量来定标，而应通过改变标准灯输出功率来进行定标。技术实现要素：本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种激波辐射定量测量原位定标系统，其能够有效地消除光学系统所引入的误差。本发明的技术解决方案是：这种激波辐射定量测量原位定标系统，其包括：光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、激波管、光谱仪；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。还提供了这种激波辐射定量测量原位定标系统的使用方法，该方法包括以下步骤：(1)根据标准卤钨灯在1000W、200W、45W下的总光照度输出，通过拟合的方式得到标准卤钨灯电功率与输出总照度之间的函数关系；(2)标准卤钨灯作为光源，功率分别选取125w、141w、160w、178w、199w五个值；(3)根据公式(3)得到总辐出度：H＝W*a2/4d2(3)其中a为光源口径，根据光学系统计算，在卤钨灯位置光源的面积为a2＝85.7mm2；这样计算得到的a为9.3mm；d为光源到探测器的距离，为0.5m；根据W＝εб(T4-Tb4)可得光源辐射温度，其中T为光源辐射温度，Tb为背景温度，б为玻尔兹曼常数，ε为发射率；(4)根据公式(4)、(5)得到光谱辐照度Wλ＝C1/[λ5exp((C2/λT))-1](4)Hλ＝Wλ*a2/4d2(5)其中C1、C2为常数；(5)进入系统的光通量根据光谱辐照度及光学系统物像关系计算得到，将光通量与CCD输出DN代入公式(2)得到定标系数DNλ＝Aλ*Φ’λ*T+ε(2)。本发明利用四个透镜的光学系统将定标与实验测量系统从空间上统一起来，通过改变光源输出功率对整个激波测量系统进行标定，有效地消除了因光学系统如透镜透过率、光谱仪狭缝效率、光栅衍射效率等所引入的误差。附图说明图1示出了根据本发明的激波辐射定量测量原位定标系统的结构示意图。图2示出了标准卤钨灯电源功率与输出总辐照度拟合关系。图3示出了标准卤钨灯光谱辐照度分布。图4示出了光谱发射率。图5示出了波长317.7nm处光谱仪输出DN与光通量的关系。图6-图10为定标结果。图11-图15为空气实验测量结果。具体实施方式如图1所示，这种激波辐射定量测量原位定标系统，其包括：光源1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、激波管6、光谱仪7；光源放在第一透镜的焦点上，经过第一透镜的光平行入射到第二透镜上，会聚到第二透镜的焦点上；第二透镜的焦点和第三透镜的焦点重合，激波管放在该重合处，光线经过第三透镜后平行入射到第四透镜，会聚到第四透镜的焦点上，光谱仪放在第四透镜的焦点处。另外，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为500mm、150mm、150mm、70mm，且均为熔融石英材质的透镜。另外，该系统还包括第一光阑8、第二光阑9，第一光阑在第一透镜的入射面上，第二光阑在激波管的出口处。另外，所述第一光阑、第二光阑的口径均为10mm。另外，所述光谱仪为AndorSR500型号光谱仪，波段范围为200-1000nm，配有微通道光电倍增管。另外，所述激波管的厚度为8.4mm。具体地，该定标方法采用四透镜(4F)系统，将辐射照度已知的标准卤钨灯聚焦到激波管测量区域中心，卤钨灯定标波长范围为250nm-2400nm,然后在激波管另一侧通过透镜准直聚焦将标准光成像于光谱仪狭缝处。具体光学系统如图1所示：透镜F1、F2、F3、F4焦距分别为500mm、150mm、150mm、70mm。均采用紫外透过率较强的熔融石英材质。通过这四个透镜将光源S1成像于激波管中心，并汇聚于狭缝处，最终被光谱仪采集。透镜F1前光阑1口径为10mm，起到限制通光口径的作用。透镜F1的有效光瞳由光阑1决定，其面积LS＝πR2＝7.85x10-5m2。入射光经F2后成像于激波管中心，S2为其像面大小。因标准卤钨灯的灯丝面积无法确定，故S2只能通过光谱仪捕获的图像大小来进行反推确定。经过F3、F4准直会聚后成像于光谱仪狭缝处，其原像大小为S3，其尺寸可由光谱仪采集得到(DxL＝0.65x1.35mm)。F4的选取要满足光谱仪的F数要求，实验中光谱仪的F数为6.5，F4选取焦距为70mm，而光阑2的限制通光口径为10mm,这便能满足光谱仪F数的要求。S3出射的光通量并没有全部进入光谱仪，而是由狭缝尺寸S’大小决定。S’＝d*L,其中d＝0.4mm为狭缝宽度；L＝1.35mm为狭缝处像高。光谱仪采用AndorSR500型号，波段范围为200-1000nm。光谱仪本身配有微通道光电倍增管，可使采集系统时间分辨率达到ns量级。因此系统能满足高速激波超快过程的测量。CCD像素为：512x2048。需-20℃制冷。进入光谱仪的光通量Φ’λ为：Φ’λ＝S’/S*Φλ＝d/D*Φλ(1)其中Φλ＝E0λ*LS为标准灯出射到光学系统的光通量,辐照度E0λ的值由标准灯给出。定标过程中将标准灯的标准值作为定标源值，与输出DN建立关系。光谱仪输出值与入射光通量之间满足如下关系：DNλ＝Aλ*Φ’λ*T+ε(2)通过改变已知光通量Φ’λ，就可以定标得到光谱响应系数Aλ。还提供了这种激波辐射测量原位定标系统的使用方法，该方法包括以下步骤：(1)根据标准卤钨灯在1000W、200W、45W下的总光照度输出，通过拟合的方式得到标准卤钨灯电功率与输出总照度之间的函数关系；(2)标准卤钨灯作为光源，功率分别选取125w、141w、160w、178w、199w五个值；(3)根据公式(3)得到总辐出度：H＝W*a2/4d2(3)其中a为光源口径，根据光学系统计算，在卤钨灯位置光源的面积为a2＝85.7mm2；这样计算得到的a为9.3mm；d为光源到探测器的距离，为0.5m；根据W＝εб(T4-Tb4)可得光源辐射温度，其中T为光源辐射温度，Tb为背景温度，б为玻尔兹曼常数，ε为发射率；(4)根据公式(4)、(5)得到光谱辐照度Wλ＝C1/[λ5exp((C2/λT))-1](4)Hλ＝Wλ*a2/4d2(5)其中C1、C2为常数；(5)进入系统的光通量根据光谱辐照度及光学系统物像关系计算得到，将光通量与CCD输出DN代入公式(2)得到定标系数DNλ＝Aλ*Φ’λ*T+ε(2)。本发明利用四个透镜的光学系统将定标与实验测量系统从空间上统一起来，通过改变光源输出功率对整个激波测量系统进行标定，有效地消除了因光学系统如透镜透过率、光谱仪狭缝效率、光栅衍射效率等所引入的误差。另外，该方法还包括步骤(6)定标得到响应系数后，在实验实际测量时将系数代入公式(2)得到反演后的光谱强度。具体地，从公式(2)的形式可以看到，CCD积分时间或标准灯光通量都可以作为自变量来定标得到系数Aλ。然而，考虑到定标源与实验测量源强度差距很大及CCD具有很好线性特征，为了使整个光学测量系统得到定标，应该将标准灯输出光通量作为自变量来定标系数，通过调整标准灯电源功率，得到标准灯的不同输出光照度。标准卤钨灯并没有给出所有电源功率下光照度输出值，只给出了在1000W、200W、45W下的总光照度输出，如表1所示。可以通过拟合的方式得到标准卤钨灯电功率与输出总照度之间的函数关系。如图2所示。表1Irradiance(mWcm-2)We(Watts)25100062001.84500实验中使用的卤钨灯电源型号最大功率为200瓦。在定标过程中，标准灯电源功率分别选取125w、141w、160w、178w、199w五个值。定标的目的是要建立光谱光通量与对应波长上输出DN之间的关系，而通过以上拟合关系得到的是标准灯的总辐照度。可以通过黑体(灰体)计算公式来计算得到光谱辐照度，进而得到光谱通量。根据辐照度与总辐出度之间的关系得到总辐出度：H＝W*a2/4d2(3)其中a为光源口径，根据光学系统计算，在卤钨灯位置光源的面积为a2＝85.7mm2。这样计算得到的a为9.3mm(正方形或圆都可以)；d为光源到探测器的距离，为0.5m。根据W＝εб(T4-Tb4)可得光源辐射温度。其中T为光源辐射温度，Tb为背景温度，б为玻尔兹曼常数，ε为发射率。表2给出标准灯在五种工况下的总辐照度及辐出度、温度计算结果。根据光谱辐出度公式：Wλ＝C1/[λ5exp((C2/λT))-1](4)可得到光谱辐出度。其中C1、C2为常数。再根据光谱辐照度公式：Hλ＝Wλ*a2/4d2(5)得到光谱辐照度。显然在计算光源辐射温度时须将光源看成是黑体或灰体。这种假设存在一定误差。实际上若发射率ε是波长的函数，则辐射源就不能看成是黑体或灰体。可以通过标准灯给出的标准光谱辐照度值进行修正。图3为标准卤钨灯在电源额定功率208w(6.5Amps,32V)情况下光谱辐照度分布情况，可以看到辐照度在某波长上存在一峰值。根据标准灯给出的光谱辐照度函数表达式(多项式)求导得到峰值波长为890.7nm。将该值代入维恩位移定律可得标准灯在该工况下的温度，经计算为3253.4K。再将该温度代入(4)、(5)式计算得到光谱辐照度，最后将标准灯给出的标准光谱辐照度值除以通过计算得到的响应值，便可以得到光谱发射率，结果如图(4)所示，从图中可以看到，当波长小于500nm时，光谱发射率随波长有较大变化，当波长大于500nm后，光谱发射率趋于平稳。这说明在短波段光谱发射率受波长影响较大，而当波长大于500nm后，光谱发射率随波长变化较小。因为在利用维恩位移定律时将标准灯假定为黑体或灰体，即光谱发射率不随波长变化，而实际上光谱发射率在250-500nm波段是随波长有较大变化的，这就导致若将标准灯视为黑体或灰体将不准确。为了尽量减小误差，将光谱发射率在250-500nm的均值作为等效黑体或灰体的发射率，并将图4所示计算得到的光谱发射率代入公式(4)、(5)来计算光谱辐照度值。这样会在一定程度上消除光谱发射率随波长变化的影响。而在波长大于500nm波段，由于光谱发射率受波长影响较小，因此仍然选择该段附近的均值并将图4对应波段的光谱发射率代入公式(4)、(5)计算光谱辐照度。表2如图5所示为波长317.7nm处CCD接收到的光通量与CCD输出DN之间的关系曲线。进入系统的光通量是根据辐照度及光学系统物像关系计算得到的。在局部范围内，可以用直线关系代替。将光通量与CCD输出DN代入公式(2)便可以得到定标系数。根据实验测量需求，对波长250-400nm,700-1000nm进行了定标，图6-图10为定标结果。其中250-400nm光谱仪光栅为1200g/mm，700-1000nm光栅刻线为150g/mm。光谱仪狭缝宽度为50um,积分时间4us。定标得到响应系数后，在实验实际测量时就可以将系数代入公式(2)得到反演后的光谱强度。图11-图15为空气实验测量结果，根据定标结果反演得到了光谱辐亮度。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。当前第1页1 2 3