用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统及方法

技术领域

本发明涉及航空领域，特别地，涉及一种用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄 系统。此外，本发明还涉及一种包括上述拍摄系统的方法。

背景技术

随着高速飞行器的发展，飞行器气动性能、表面热防护以及流动控制等工程技术问题急 需对高速湍流流动结构进行深入研究。

高速湍流流动不仅运动速度快，且其流动的非定常性会导致流动结构随时间快速变化。 此外，高速流动的可压缩效应、三维效应也使得流动结构十分复杂。这些都对流动显示技术 提出了很高的要求。针对以上问题，文章《基于纳米粒子的超声速流动成像》(赵玉新等，中 国科学E辑，技术科学，2009，39(12)：1911-1918)提出了一种采用纳米粒子示踪，用于高 速湍流流动结构测量的方法(简称为NPLS技术)。该技术不仅可以用于对三维流场的测量， 同时具有高图像信噪比，高图像时间空间分辨率等特点，可以满足对高速湍流流动结构的测 量。

由于高速湍流流动具有运动速度快的特点，要获取系列化时间变化的流动图像，这就要 求每两幅图像之间的时间间隔足够小(一般为微秒量级)。然而，现有的NPLS技术受到激光 器、CCD相机等硬件设备性能的限制，只能获取两个时间点的流动图像，而无法得到一系列 时间段内、时间间隔足够小的高速湍流流动结构图像。

发明内容

本发明目的在于提供一种能拍摄在一系列时间段内、时间间隔达到微秒量级的具有很高 分辨率的高速湍流流动图像的拍摄系统和方法，以解决只能获取两个时间点的流动图像，而 无法得到一系列时间段内、时间间隔足够小的高速湍流流动结构图像的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于风洞实验中拍摄高速湍流流 动图像的拍摄系统，对风洞实验舱内的高速湍流进行流动图像拍摄，包括同步控制器、连接 同步控制器并控制同步控制器发出控制信号的计算机系统及纳米粒子发生器；纳米粒子发生 器用于向风洞投放纳米量级的示踪粒子；连接于同步控制器的多腔脉冲激光器，多腔脉冲激 光器包括若干个激光腔，各激光腔按照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；及连接同步控制器的超高速相机，超高速相机按照第二预定脉冲时序对风洞实验舱 内的湍流摄像，第二预定脉冲时序与第一预定脉冲时序频率相同，且第一及第二预定脉冲时 序的每相邻两个脉冲时序之间的间隔为0.2至10微秒。

进一步地，风洞实验舱包括光学窗口；多腔脉冲激光器的发射端设有一光臂，多腔脉冲 激光器发射的激光束经由光臂导出形成投射光面，投射光面通过光学窗口照亮风洞实验舱内 的流场。

进一步地，光学窗口设置在风洞实验舱的每一侧壁。

进一步地，超高速相机的镜头通过风洞实验舱侧壁的光学窗口拍摄风洞实验舱内的流场 结构。

进一步地，光臂由多腔脉冲激光器延伸至正对光学窗口，光臂的出口处安装有片光透镜 组，以对多腔脉冲激光器发射的激光束变形成平面光源，平面光源通过光学窗口照亮风洞实 验舱内的流场。

进一步地，同步控制器生成同步脉冲时序；第一预定脉冲时序基于同步脉冲时序确定， 并相对同步脉冲时序延时第一延时时间；第二预定脉冲时序基于同步脉冲时序确定，并相对 同步脉冲时序延时第二延时时间；第二延时时间小于第一延时时间，并且第一预定脉冲时序 的任一脉冲的发生时间位于第二预定脉冲时序的相应脉冲的发生时间内。

进一步地，超高速相机的延时时间是可调整的。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄方 法，其包括如下步骤：开启纳米粒子发生器使纳米粒子发生器均匀连续地向风洞实验舱内投 放纳米示踪粒子；通过计算机系统指示同步控制器发出控制信号；多腔脉冲激光器收到同步 控制器发出控制信号后，指示多腔脉冲激光器的多个激光腔按照第一预定脉冲时序依次发射 激光束，同时，超高速相机收到同步控制器发出控制信号后按照第二预定脉冲时序依次连续 拍摄曝光，第二预定脉冲时序与第一预定脉冲时序频率相同；计算机系统存储超高速相机依 次连续拍摄的湍流流动图像，且第一及第二预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的间隔 为0.2至10微秒。

进一步地，超高速相机拍摄曝光对应拍摄的湍流流动图像后先保存于超高速相机的缓存； 之后再传输至计算机系统保存。

进一步地，计算机系统完成湍流流动图像存储工作后，再次指示同步控制器发出控制信 号；且计算机系统再次指示同步控制器发出控制信号与同步控制器上次发出控制信号的时间 间隔的最小值大于超高速相机的曝光时间。

本发明具有以下有益效果：本发明利用多腔脉冲激光器，减少了每相邻两次激光束之间 的间隔时间，保证了相邻两次湍流图像之间的时间间隔足够小。利用超高速相机可以拍摄得 到一系列的高分辨率的湍流图像。

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。

附图说明

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1是本发明优选实施例的用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统的示意图；

图2是本发明优选实施例的使用用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统的方 法的示意图；以及

图3是本发明优选实施例的用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统中的信号 时序示意图。

具体实施方式

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，本发明用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统用于对风洞实验舱 10内的高速湍流进行流动图像测量。该用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统包 括纳米粒子发生器20、多腔脉冲激光器30、同步控制器40、超高速相机50及计算机系统60。

风洞实验舱10的每一侧壁包括一个光学窗口12，这些光学窗口12的形成于风洞实验舱 10的同一段的每一侧壁。超高速相机50透过光学窗口12以便于对风洞实验舱10内的湍流动 态进行摄像。

纳米粒子发生器20的发射口正对风洞实验舱10的进口端。纳米粒子发生器20投放的纳 米粒子进入风洞实验舱10，以对风洞实验舱10内的高速湍流进行示踪。采用纳米粒子作为流 动示踪粒子，使得拍摄的图像具有很高的图像信噪比和空间分辨率，弥补了现有类似拍摄系 统存在的不足。

多腔脉冲激光器30包括若干个激光腔，每一激光腔可以间隔地发射激光束。该多腔脉冲 激光器30的发射端固定有一光臂32。该光臂32向多腔脉冲激光器30的上方延伸，再弯折延 伸至风洞实验舱10的光学窗口12的上方，再向光学窗口12弯折形成一正对该光学窗口12 的出口。该光臂32的出口处安装有片光透镜组34，以将多腔脉冲激光器30发射的激光束变 形成平面光源。平面光源透过光学窗口12照亮风洞实验舱10内的流场。根据激光器工作的 原理，单个脉冲激光器不能在很短的时间内发射多束激光。因此，本发明采用多腔脉冲激光 器30可以在很短的时间内甚至是微秒量级内发射多束激光。

同步控制器40分别连接多腔脉冲激光器30、超高速相机50和计算机系统60。计算机系 统60对同步控制器40发出指令，再由同步控制器40控制多腔脉冲激光器30和超高速相机 50同步工作。

超高速相机50的镜头通过风洞实验舱10侧壁上的光学窗口12，对风洞实验舱10内进行 湍流示踪的纳米粒子摄像。超高速相机50还连接于计算机系统60，以便于通过计算机系统 60存储超高速相机50每次拍摄的湍流流动图像。采用超高速相机可以在短时间内实现多幅高 分辨率图像的拍摄。

本发明的用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统每次使用能够得到的一系列 时间段内的高速湍流流动结构图像的数量由多腔脉冲激光器30的激光腔的数量和超高速相机 50的性能参数决定。超高速相机50的性能参数包括相机的运行模式和相机内部硬件设定的工 作时序，即：相机的曝光时间和将图像转移至寄存器或缓存的时间。

请结合参照图2，使用本发明的用于风洞实验中拍摄高速湍流流动图像的拍摄系统的方法 有以下几个步骤：

S1：开启纳米粒子发生器20，使纳米粒子发生器20均匀连续地向风洞实验舱10内投放 纳米示踪粒子。

S2：由计算机系统60向同步控制器40发出第一个控制信号。

S3：请结合参照3，多腔脉冲激光器30收到第一个控制信号后各激光腔按照第一预定脉 冲时序依次发射照亮风洞实验舱10内流场的激光束；超高速相机50按照第二预定脉冲时序 对风洞实验舱10内的湍流摄像，第二预定脉冲时序与第一预定脉冲时序频率相同。第一及第 二预定脉冲时序的每相邻两个脉冲时序之间的间隔为0.2至10微秒，最佳为2微秒。

其中：a表示同步控制器40发出的控制脉冲信号的工作时序；b表示多腔脉冲激光器30 发出的激光束的工作时序；c表示超高速相机50曝光的工作时序。b和c基于同步控制器40 的时序a确定。并且b相对于a延时第一延时时间T1；c相对于a延时第二延时时间T2。

多腔脉冲激光器30收到第一个控制信号后，经过第一延时时间T1后由第一激光腔发出 激光束，激光束通过多腔脉冲激光器30的光学组件实现激光合束成第一束激光束。第一束激 光束通过光臂32，并经由光臂32的出口处的片光透镜组34后形成平面光源342，以照亮风 洞实验舱10。激光照射风洞实验舱10内的纳米示踪粒子后发生散射，散射光信号通过光学窗 口12，被高速相机50接受，以实现对湍流的拍摄。

与此同时，超高速相机50收到第一个控制信号后，经过第二延时时间T2后对光学窗口 12进行拍摄曝光工作，以形成第一个时刻的湍流流动图像。超高速相机50在完成曝光之后关 闭，并将上述第一个时刻的湍流流动图像保存至超高速相机50的缓存。

在此步骤中，第一延时时间T1即是激光延迟时间；第二延时时间T2即是相机延时时间。 发射每一束激光束的激光延迟时间T1一般由该多腔脉冲激光器30所决定，所以可以通过调 整超高速相机50的相机延时时间T2，以保证多腔脉冲激光器30发出的每一束激光束正好处 于超高速相机50对应曝光的时间范围内。

S4：将超高速相机50的缓存内的第一个时刻的湍流流动图像传输至计算机系统60，并由 计算机系统60存储超高速相机50该次拍摄的湍流流动图像。

S5：通过计算机系统60来判断是否已经完成步骤S4中的湍流流动图像存储工作。同时 判断与同步控制器40发出第一个控制信号的时刻相比，是否已经经过了Δt的时间间隔。

当上述判断结果均为是后，计算机系统60开始向同步控制器40发出第二个控制信号， 开始循环步骤S3至S5，至到多腔脉冲激光器30的所有激光腔均已经发射过激光束。

需要注意的是：同步控制器40发出两相邻控制信号之间的时间间隔为Δt，即为一系列时 间段内每相邻两个湍流图像之间的时间间隔。Δt可以通过同步控制器40进行调节。为避免下 一个时刻的激光束在超高速相机50的上一次曝光过程中成像，Δt的最小值必须大于超高速相 机50的曝光时间，以保证下一束激光发出时，超高速相机50上一次曝光已经结束。

本发明利用多腔脉冲激光器30，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Δt，保证了相邻两次湍流图像之间的时间间隔足够小。可以拍摄得到一系列的高分辨 率的湍流图像。

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。