(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210943824.7 (22)申请日 2022.08.08 (71)申请人 中国人民解 放军战略支援 部队航天 工程大学 地址 101416 北京市怀柔区八一路1号 (72)发明人 王殿恺　洪延姬　崔海超　杜宝盛　 毛晨涛　郑永赞　韩建慧　 (74)专利代理 机构 北京众元弘策知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11462 专利代理师 宋磊 (51)Int.Cl. G01N 21/45(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影 系统 (57)摘要 本发明提供了一种用于微尺度高速复杂流 场特性诊断的纹影系统， 可用于纳秒量级时间分 辨率和微米量级空间分辨率的流场测量。 本发明 提出了连续光源与脉冲光源 联用的技术， 结合分 幅多帧高速摄影技术和皮秒时间量级的时序同 步控制方法将时间分辨率提高至纳秒量级； 同 时， 本发明提出了减小纹影系统像差的方法和小 景深小视场纹影系统设计方法， 发展了光源整形 收束技术， 并给出了优选的布局方式和高品质光 路的调节方法， 将空间分辨率至微米量级。 该系 统可广泛应用于微尺度高速非定常流动特性诊 断， 具有重要价 值。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 115389463 A 2022.11.25 CN 115389463 A 1.用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 包括光源、 第一透镜、 狭缝、 第二透镜、 第一纹影镜、 平面反射镜、 第二纹影镜、 刀口、 聚焦透镜、 高速相机、 数字脉 冲信号发生器、 脉冲激光器、 靶材和显示控制器； 所述脉冲激光器通过照射靶材产生 微尺度高速复杂流场， 作为纹影系统的被测流场； 光源出射的光束依次经过第 一透镜、 狭缝、 第 二透镜后照射到第一纹影镜的中心部位， 经第一纹影镜反射后形成的平行光通过被测流场区域后入射于平面反射镜， 平面反射镜将 平行光反射至第二纹影镜， 经第二纹影镜反射的平行光依 次经过刀口、 聚焦透镜后 成像至 高速相机； 所述被测流场位于第一纹影镜和平面反射镜之间； 所述数字脉冲信号发生器的时间控制精度为皮秒级， 分别与光源、 脉冲激光器和高速 相机相连， 在数字脉冲信号 发生器上预设光源、 脉冲激光器和高速相机的延迟时间， 使得被 测流场出现的同时， 脉冲光源照亮被测流场， 同时高速相机拍照； 所述显示控制器与高速相机连接， 用于存 储并显示高速相机拍摄的纹影照片； 所述第一透镜用于将光源亮度最高的发光 区域成像在狭缝平面上， 经过狭缝后形成一 维平面光源。 2.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于： 所述纹影系统为小景深小视场纹影系统， 所述第一纹影镜和第二纹影镜的焦距均≥2m， 被 测流场设置在第一纹影镜的1倍至2倍焦距之间。 3.权利要求1或2所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 所述光源为连续、 脉冲复合光源， 连续光源和脉冲光源的焦斑位置重合， 测量开始前光源设 定为连续光源模式， 用于调节光路； 待光路调节完成后， 光源设定为脉冲光源模式， 利用脉 冲光源的高亮度性照亮被测流场。 4.根据权利要求3所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 所述系统还 包括光轨， 第一纹影镜和第二纹影镜的出射 光沿光轨方向。 5.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 所述高速相 机采用分幅多帧高速摄影技术， 具备多个拍照通道， 每个拍照通道的最短曝光 时间均能达到纳秒量级， 通道之间的延迟时间能够设置为纳秒量级， 使得高速相 机既能够 在纳秒时间尺度上冻结流场、 又能在 纳秒时间尺度上记录流场的变化情况。 6.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 所述系统还可以为不包括聚焦透镜的系统， 所述第一纹影镜和 第二纹影镜都采用较大面积 的纹影镜， 利用纹影镜的中心区域成像， 经第二纹影镜反射的平行光经过刀口后直接成像 至高速相机， 通过减少透 镜的使用， 进一 步降低球差； 通过减小光束口径来减小彗差， 所述第二透镜为凸透镜， 经凸透镜汇聚后的光束口径 变小， 光束口径能够覆盖被测流场区域即可； 所述被测流场区域调整至视场中心 位置， 进而 减小离轴距离 。 7.根据权利要求1所述的用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 系统中各元 件的中心高度一 致、 光线同轴， 被测流场平面与光路垂直。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115389463 A 2用于微尺度高 速复杂流场特性诊断的纹影系统 技术领域 [0001]本发明属于光学测量技术领域， 特别涉及一种纳秒量级时间分辨率、 微米量级空 间分辨率的纹影系统及设计方法， 用于微尺度高速复杂流场特性诊断。 背景技术 [0002]纹影是传统的光学测量技术， 它基于流场密度变化引起光线折射率变化的基本原 理， 对流场进 行非接触式光学成像， 广泛应用于实验流体力学研究。 随着实验器件水平的提 高， 纹影测量技术取得了长足的进步， 然而针对一些特殊的应用场景， 仍显不 足， 例如： 微纳 卫星是当今世界航 天领域的热点研究方向， 为微纳卫星寻求一种高比冲、 小体积、 小质量的 微推进技术迫在眉睫， 其中激光微烧蚀靶材产生反冲量的推进技术备受关注， 激光微烧蚀 靶材产生的羽流具有烧蚀尺度小( μm尺度)、 喷射速度快(1000m/s以上)、 非定常(流动 特性 变化快)的特点， 为研究羽流特性及其演化过程， 纹影测量系统必须满足纳秒量级时间分辨 率、 微米量级空间分辨率的要求。 纳秒量级时间分辨率既要求单帧照片的曝光时间达到纳 秒量级， 也要求跨帧时间为纳秒量级， 微米量级空间分辨率要求纹影照 片在1毫米的长度内 能够清晰识别超过100个黑白线对， 这些要求挑战了纹影测量技术水平的极限。 根据文 献检 索和查阅结果可知， 目前尚未有能够同时满足这两项要求的纹影技术报道， 更未见能够同 时达到这两项 要求的纹影实验照片。 发明内容 [0003]鉴于此， 本申请提出了一种用于微尺度 高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 利用 连续光源与脉冲光源联用装置、 分幅多帧高速摄影技术、 皮秒时间量级的时序同步控制方 法， 将纹影系统的时间分辨率提高至纳秒量级。 该发明极大提高了纹影系统的时间和空间 分辨率， 并通过实验证实了该方法的可行性和先进性， 在微尺度快速非定常流场特性测量 领域具有重要应用价 值。 本申请的纹影系统具体结构如下： [0004]一种用于微尺度高速复杂流场特性诊断的纹影系统， 其特征在于， 包括光源、 第一 透镜、 狭缝、 第二透镜、 第一纹影镜、 平 面反射镜、 第二纹影镜、 刀口、 聚焦透镜、 高速相机、 数 字脉冲信号发生器、 脉冲激光器、 靶材和显示控制器。 [0005]所述脉冲激光器通过照射靶材产生微尺度高速复杂流场， 作为纹影系统的被测流 场。 [0006]光源出射的光束依次经过第一透镜、 狭缝、 第二透镜后照射到第一纹影镜 的中心 部位， 经由第一纹影镜形成的平行光经被测流场区域后入射于平面反射镜， 平面反射镜将 平行光反射向第二纹影镜， 经第二纹影镜反射的平行光一次经过刀口、 聚焦透镜后 成像至 高速相机 。 所述被测流场位于第一纹影镜和平面反射镜之间。 [0007]所述数字脉冲信号发生器的时间控制精度为皮秒级， 分别与光源、 脉冲激光器和 高速相机相连， 在数字脉冲信号 发生器上预设光源、 脉冲激光器和高速相机的延迟时间， 使 得被测流场出现的同时， 脉冲光源照亮被测流场， 同时高速相机拍照。说　明　书 1/4 页 3 CN 115389463 A 3