流场多线干涉瑞利散射测速装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及是一种流场速度测量装置，尤其是可获得流场瞬态二维速度的测量装置。
【背景技术】
[0002]发动机燃烧流场的实验及测量是发动机研制的重要环节。目前，航空吸气式发动机技术正在向高温、高压强、高马赫数、高湍流等极端燃烧条件方向发展，常规的接触式传感器测量手段已无法满足测试要求，而基于激光和光谱的燃烧流场激光诊断方法成为发动机燃烧流场实验定量测量的重要工具。在发动机燃烧流场诊断参量中，温度和速度是两个最基本的参量，通过流场静温和速度的测量，可以计算流场总温，提供发动机燃烧效率等信息。
[0003]瑞利散射(RS)技术是基于流场本身分子弹性散射的光学测量方法，它是利用流场分子产生的散射光来测量流场参量。一束激光与流场分子作用后，其瑞利散射光谱则包含了流场的温度、密度和速度等信息。其中，瑞利散射光和入射激光的中心波长的偏移则反映了流场的速度信息。这种偏移是由于多普勒频移效应引起的，散射光的多普勒频移偏移量较小(GHz量级)，需要采用高分辨干涉分光仪器来检测，其中法布里-珀罗标准具因其结构简单、适用方便、高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移，再通过多普勒频移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度分量。
[0004]目前相关的专利“用于流场的干涉瑞利散射测速装置”，专利号:ZL201310477264.1，其实现效果是一套装置只能测量一条激光探针上的多点速度分量。而对整个速度场的测量，需要对探测点进行扫描测量，限于扫描速度和激光输出重复频率，扫描式二维测量只能得到时间平均的速度场信息。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是在用标准具检测流场散射光多普勒频移的测速装置基础上，发展一套测量二维瞬态速度的流场多线干涉瑞利散射测速装置，节省测量成本和测量时间。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]流场多线干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、多线激光探针与流场交互单元流场交互单元、多线前向散射光收集单元和探测单元；
[0008]激光器为窄线宽的连续或脉冲激光器；
[0009]多线激光探针与流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片、柱面聚焦透镜和柱面微透镜阵列，用于多线激光探针的产生；
[0010]流场的探测区域设置在多线激光探针出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测流场流过探测区域，流场的方向与多线激光探针的出射方向倾斜设置；
[0011]多线前向散射光收集单元包括设置在聚焦透镜的焦点两侧与出射光路成90°放置的透镜组，用于将多线前向散射光收集至ICCD相机内；
[0012]探测单元包括沿散射光收集光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机，散射光经过法布里-珀罗标准具入射至IC⑶相机，IC⑶相机与数据处理用计算机连接。
[0013]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置，还包括参考单元，参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，入射分束镜设置在多线激光探针与流场交互单元的半波片和聚焦透镜之间，与激光入射光呈45°夹角；出射分束镜设置在探测单元的法布里-珀罗标准具前，并与散射光呈45°夹角;入射分束镜将参考光引出经反射镜反射后进入出射分束镜。
[0014]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，透镜组包括沿散射光路依次设置的短焦非球面透镜、长焦非球面透镜和凸透镜，短焦非球面透镜的焦点与探测区域重合，长焦非球面透镜的焦点与凸透镜的焦点重合。
[0015]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，法布里-珀罗标准具为固体标准具。
[0016]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，激光器的出射光束经过探测区域后被吸收阱吸收。
[0017]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为
100-1000:1o
[0018]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为500:1ο
[0019]上述流场多线干涉瑞利散射测速装置中，散射光收集方向、激光出射方向和流场方向均在同一个平面，激光出射方向与散射光收集方向夹角为90°。
[0020]本发明具有的技术效果如下:
[0021]1、专利号:ZL201310477264.1的发明专利是一套装置只能获得一条激光探针上的多点速度分量。本发明采用一套测量装置测量二维瞬态速度分量。采用柱面透镜和柱面微透镜阵列产生多线激光探针，与流场相互作用产生具有二维空间分辨的多线瑞利散射光，将多线瑞利散射光收集到检测光路中，经过标准具干涉后成像到ICCD上。数据处理时拟合多线瑞利散射光的干涉信号，获得二维空间上不同位置点的瞬态速度分量。
[0022]2、本发明的多线激光探针是一种二维方向上均聚焦的线阵点光源，激光器输出激光经过柱面聚焦透镜后，一个方向上压缩整形为片状激光，片状激光再经过柱面微透镜阵列，每个子单元在另一个方向上压缩聚焦为多线聚焦光，且聚焦处的光功率密度变高，从而使得多线瑞利散射信号变强。
[0023]3、采用该测速装置可节省测量成本和测量时间。
【附图说明】
[0024]图1为本发明流场多线干涉瑞利散射测速装置原理图；
[0025]图2为本发明多线激光探针产生的正面原理示意图；
[0026]图3为本发明多线激光探针产生的侧面原理示意图；
[0027]图4为本发明IC⑶上获得的多线干涉环示意图。
[0028]附图标记如下:
[0029]I 一激光器;2—多线激光探针与流场交互单元;3—多线前向散射光收集单元;4 一探测单兀;5一参考单兀;6—半波片:7一柱面聚焦透镜;8—吸光讲;9探测区域；10一短焦非球面透镜；11一长焦非球面透镜；12—凸透镜；13—法布里-珀罗标准具；14一入射分束镜；15—反射镜；16出射分束镜；17—ICXD相机；18—计算机；19 一 ICXD镜头;20—ICXD感光面；21—柱面微透镜阵列;22—入射激光干涉环;23—前向散射频移光干涉斑;24—前向散射光频移量;25-多线激光探针;26-激光器输出激光;27-片状激光。
【具体实施方式】
[0030]图1为流场多线干涉瑞利散射测速装置的系统组成图。测速系统包括激光器1、多线激光探针与流场交互单元2、多线前向散射光收集单元3、探测单元4和参考单元5组成。
[0031]激光器I采用窄线宽连续或脉冲激光器，可采用种子注入锁定的可调谐Nd:YAG激光器，其二倍频532nm激光作为入射光。
[0032]多线激光探针与流场交互单元2包括沿激光器出射