基于透射偏折术的三维流场流动显示方法

提出了一种基于相位测量偏折术波前检测的三维流场流动显示方法。光线经过流场后的方向偏转反映流场内部折射率变化,根据逆哈特曼波前检测模型,通过同时记录多个视角的光线偏折量,利用迭代反演重建技术对流场进行三维重构。详细介绍了测量原理以及算法,通过数值模拟验证了高速流场瞬态流动结构的三维重建,密度场重建误差的均方根误差(rms)约为0.19 kg/m^-3,验证了本方法的正确性。结果表明,该方法具有非接触式定量测量、精度高、装置简单、成本低等优点,为实现大视场定量的复杂三维流场密度测量提供理论基础。     

使用叠栅层析技术测量超音速风洞中的非对称复杂密度场

使用叠栅层析技术解决超音速风洞中复杂密度场的测量难题。应用高灵敏度叠栅偏折仪和间隔角度旋转模型的方法获取超音速风洞中流场的多方向叠栅条纹图。层析计算中使用一种新的偏折角修正迭代的叠栅层析算法,该方法可以实现对有限角采样和包含遮挡物的非完全数据重建,迭代过程中结合内边界平滑滤波提高重建精度。实验中获取了马赫数为2.52的超音速风洞中9幅不同采样角的条纹图,经过50次迭代计算后重建出膨胀波区非对称密度场的截面分布,并对测量结果和误差进行了分析和讨论。使用计算流体力学技术对该密度场进行建模和计算,验证了叠栅层析重建结果的正确性,证实了该技术在测量复杂流场领域的重要价值。     

小入射角条件下气动光学成像偏移

针对超声速飞行器在大气中飞行时由于气动光学效应产生的成像偏移,推导了光线偏折角和流场折射率梯度之间的关系,给出了小入射角情况下,离散折射率场光线偏折角的一种计算方法;利用不同流场的计算流体力学数据计算出对应的折射率场;使用光线追迹法得到光线通过不同流场后的偏折角和传播路径上的折射率梯度分布。仿真结果表明,新的偏折角计算方法所得结果在入射角小于30°时与Runge-Kutta和Snell光线追迹法具有很好的一致性;同一高度下小入射角时,光线的偏折角并不随着飞行速度的增加而增加,而是基本保持稳定;光线通过流场的偏折是正负折射率梯度区域共同作用的结果,负的折射率梯度区域可以减少光线偏折,起到部分"校正"作用。     

用大口径、高灵敏度莫尔偏折法测量高超音速激波风洞中非对称流场

本文介绍了利用大口径、高灵敏度莫尔偏折法达得了大口径(φ500mm),高超音速(M=10.29)激波风洞中非对称流场的多方向莫尔偏折图;提出了一种基于对莫尔偏折角积分和双三次多结点插值样条有限级数展开的非对称流场三维再现方法,定量地计算了这种非对称流场的三维非对称流场的三维密度分布.     

基于偏折光谱的非线性迭代层析数值模拟

模拟流场,校验自研发的偏折层析系统。根据光线偏折的光学原理,以及层析的数学、物理意义,研究开发了偏折层析程序。结合自研发的简单自相关代数迭代重建技术(simple self-correlative algebraic reconstruction technique：SSART),开发了一种新的层析系统,文章称“基于偏折光谱的非线性迭代层析系统”。用Gauss函数模拟复杂流场的一个切片,根据偏折层析算法计算该切片的偏折光谱,从偏折光谱中提取投影。采用SSART迭代重建算法重建截面。比较模拟重建结果与原场的差别,采用均方差 (mean-square error：MSE)和峰差(peak error：PE)指数标定重建效果,以检验算法的有效性。结果发现,应用开发的偏折层析程序,采用SSART迭代算法,能够精确重建模拟场,MSE稳定在0.000 09～0.000 11范围,PE稳定在0.007～0.013之间。因此,基于偏折光谱的非线性迭代层析系统能够根据偏折信息精确重建复杂流场。     

叠栅偏折层析测量火焰温度和密度分布

提出将带滤波的叠栅偏折层析系统用于存在化学反应的多组分复杂气体流场的诊断.以丙烷的燃烧火焰为例,实验提取出叠栅条纹的偏移量并转换为偏折角,然后基于偏折层析的滤波反投影算法重建出场的折射率分布,给出了两种不同情况下给定截面的三维温度和密度分布.对比发现,对存在化学反应的多组分火焰流场不能基于假设研究对象是空气流场,而必须对火焰流场本身发生的化学反应及生成物进行考虑,混合流场的等效G-D常量和分子量必须根据不同场的具体组分情况进行修正.     

网格基任向偏导实现及层析应用

将光线偏折方程中的任向偏导转化为数值差分形式,并应用于层析线性运算.网格化待测场,将微分待测场的每一正方形网格及相应折射率近似为曲面底的正圆锥体,圆锥体顶端的折射率值对应该网格的折射率,在底面的投影对应网格的中心.假设紧邻三网格中心间的折射率分布共平面,在一个网格宽度内将偏导转化成数值差分形式.结果发现：基于上述近似和假设,可以将任意探测光线相关的偏导转化为数值差分形式,将非线性偏导方程转化为线性差分方程,建立层析方程.于是,偏折角可以作为投影直接重建.     

光偏折层析的Tikhonov正则化重建技术

从不适定问题的求解思想出发,建立了使用Tikhonov正则化方法计算流场参量分布的光偏折层析重建技术。理论上详细讨论了偏折信息的转化、投影方程组的正则化、以及由共轭梯度法实现求解等三个主要步骤。用数值模拟考察该方法对非对称温度分布的重建效果,分别计算了对应不同采样数的欠定与超定投影方程组。结果表明,10次迭代后重建分布的平均误差和峰值误差分别为2.1%和5.2%。使用正则化方法对采集的多方向叠栅偏折投影进行计算,重建出双峰温度场。结果表明,使用正则化方法的双峰值相对误差略高,迭代次数减少,可提高重建效率。     

可视化聚焦纹影系统实现流场中的三维扰动成像

可视化成像系统可以实现流场中扰动信息的捕获。针对光学纹影系统,分别从理论和实验上对比研究了流场中的三维超声扰动成像。因三维超声场在光传播方向上引起的流体介质密度变化不同,光波穿过密度变化的流场时,其相位累积变化使图像不能真实反映声场的扰动特征。线型栅的聚焦纹影系统因其线型栅会产生多刀口滤波的作用,故不能对流场中的三维超声扰动场实现完整成像。为了获得流场中的三维扰动特征,提出了采用环型源栅和刀口栅的改进聚焦纹影系统。结果表明:由改进聚焦纹影装置得到的图像扰动特征与实际流场中超声扰动特征相一致;结合图像重构技术,实现了流场中三维复杂扰动的重构。     

莫尔测量法中相位物体位置对结果的影响研究北大核心CSCD

莫尔测量法被广泛用于各类流场的结构显示和关键参量测量中,关于相位物体在光路中的放置位置已有不同的报道,针对该问题进行了理论和实验研究。理论分析表明,当相位物体放置于2个光栅前时,偏移量和相位主要取决于2个光栅之间的距离,偏折角取决于相位物体引起的相位扰动与2个光栅之间的间距的比值;而当相位物体放置于2个光栅之间时,偏移量和相位主要取决于相位物体到后面一个光栅之间的距离,偏折角则取决于相位物体引起的相位扰动与其到后面一个光栅之间的距离的比值。为了验证理论结果的正确性和合理性,实验中选取燃烧蜡烛火焰作为对象,对比发现在两种情况下,只要相应的距离选取适当,则相位物体的位置并不影响实验中重建的相位和偏折角等结果。相关研究成果可为莫尔测量法更好地用于各类流场的检测提供一定的参考。     

运动物体的高精度大气扰动检出方法

降落伞气动开伞过程、高速客机气动外形的优化都需要可视化流场信息,因此,以大气扰动引发的背景光线偏折为基础,建立了基于"整像素十字搜索+Newton-Raphson亚像素定位+扰动方程求解"的运动物体高精度大气扰动检出方法,并通过数值散斑图像验证了本方法在理想条件下的理论检出精度。在实验室内以散斑图像为背景,用本方法和传统纹影监测方法对高压气管出口气流进行扰动检出,结果表明,本方法的准确性较高,可为实验室外的可视化监测提供一种适用性较强的方法。     

溶液扩散系数的测量

水和盐溶液在界面上扩散时将形成一具有浓度梯度溶液。溶液扩散系数的测量方法已有一些介绍,但无论在操作还是计算上都有诸多不便,本文将我们的作法向大家作一介绍。一、原理光线穿过具有浓度梯度的溶液后,将出现偏折,而其中偏折最大点是最具有特征的,我们实验原理就是以此为基础的。 1.光线的偏向角与折射率梯度的关系α_1光线在溶液中的偏向角α_2光线射出溶液后在空气中的偏向角 e水槽厚度 n光线入射点液体的折射率α水槽至屏的距离由惠更斯波动原理,经计算有     

计算光在引力场中偏折的新方法

利用光的量子论,能量守恒及弱等效原理得出电磁波传播在几何近似下,光线在引力场中的偏转角和波矢的关系. 利用引力场中电磁波方程,在弱场近似下给出了一般的计算光线偏转角度的方法. 具体计算了Schwarzchild引力场中光线的偏折及Kerr-Newman引力场中光线的偏折. 关键词： 引力场 电磁波方程 能量守恒 弱场近似     

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

激光莫尔干涉谱投影信息提取

分析了真实火箭喷焰的激光莫尔干涉谱,并提取其投影信息,重建了密度场。使用自制的大口径、高灵敏度莫尔偏折仪采集真实火箭喷焰的莫尔条纹图;采用傅里叶变换对莫尔条纹展开技术处理,获得了莫尔条纹的相位分布。根据莫尔条纹边缘提取背景,进一步获得背景相位分布。变形莫尔条纹的形变量通过求相位差获得,进一步提取轴向任意截面的投影信息。应用基于偏折投影的“简单自相关代数迭代重建算法(SSART)”层析流场。等间隔取8个方向的投影进行迭代,重建了截面密度分布图。结果发现,根据火箭喷焰的莫尔条纹,采用傅里叶变换相位展开技术,可以方便地提取任意截面的投影信息。应用SSART技术可以重建截面密度分布。因此,基于偏折投影的“SSART”算法是一种优良的非线性偏折层析重建算法。     

气流加热对气动光学效应的影响

以光束穿过三维高速流场为物理模型,研究了由于辐射加热气流对流场的干扰及激光束穿过流场后光束远场的分布。应用二维哈特曼波前测量系统,对高功率光束在风洞高速气流传输中的气动光学效应进行了测量。结果表明,气流未电离情况下,激光与高速气流相互作用对气流的温度、密度等参数影响很小,通过该区域流场的光束波前基本没有变化。     

光线在恒星表面附近传播的偏折角

光线在恒星附近传播时,理论计算的偏折角有两个结果.一个结果由Newton引力论计算而得,另一个由Einstein广义相对论计算得到.后者是前者的两倍.对于与人类最近的恒星太阳,数值计算结果分别为0.875″(角秒)和1.75″,本文给出这两个结果的详细计算过程.日食发生时是检测理论结果的良好时机,迄今为止所有的实验观测结果支持相对论对太阳光线偏折角的计算.     

基于BOS的超声速流场瞬态密度场的可视化

瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效"冻结"超声...     

偏折层析的滤波反投影算法及误差分析

对偏折层析投影转换为相位层析投影的转换关系进行了分析,给出明晰的数学关系,并针对偏折层析的滤波反投影算法重建的结果进行误差分析。分析结果表明投影噪声对重建场的作用体现在与由偏折层析滤波反投影算法的滤波器有关的倾斜函数上。因此提出了改进的偏折层析滤波反投影算法,数值模拟表明,改进算法在有效抑制倾斜现象的同时,对重建结果不会造成明显的失真。在此基础上改进的算法被用于真实火箭燃气射流密度场的三维重建中。     

光学诊断专题序言

光学诊断技术主要是以激光技术、光谱技术、光电探测技术、数据图像处理技术等为基础的一种综合性测试诊断技术可以实现复杂流场温度、组分浓度、速度、流场结构等参量信息的高时空分辨精确测量而且对测量流场无扰动.近年来光学诊断技术已开始从实验室基础研究走向于各类风洞、发动机等重要设备的工程应用这对于深入研究高超声速流动和燃烧化学反应动力学过程如高焓非平衡流动、高超声速边界层转捩、超声速燃烧动力学、汽车/飞机/火箭/卫星等发动机燃烧不稳定性和污染控制等具有重要意义.