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等离子体羽流场的光学全息干涉度量技术研究

冯伟  
【摘要】:电推进中的微波等离子推进器(Microwave Plasma Thruster,简称MPT)由于具有 比冲高、寿命长、体积小和污染轻等优点而广泛地引起航天器界的重视,针对其羽流场 的检测成了至关重要的一部分。由于光学全息干涉计量术是一种可以对三维形变和位移 过程进行可视化全场测量的光学检测方法,且具有全场、非接触、测量精度高以及不受 测量物体自发光影响等优点,在等离子体羽流场的检测中具有非常重要的意义。本文从 理论和实验两部分探讨了全息干涉术及数字全息术对MPT羽流场的检测,并利用计算 机模拟了干涉条纹,验证了实验的结果。主要内容包括: (1) 概述了传统全息术及数字全息术的历史、发展、现状及优点,介绍了等离子 体推进器的基本知识和等离子体诊断的各种方法。针对等离子体羽流检测提出了利用光 学检测的优势以及可行性。 (2) 介绍了全息干涉计量术的理论基础,通过公式推导了二次曝光干涉术的测量 原理,并进一步介绍了数字全息术的记录以及再现原理。接着介绍了数字全息术再现的 数学基础--离散傅里叶变换,详细阐述了数字全息图的记录与再现的基本原理。利用 MATLAB编写了相应的程序,对记录的数字全息图进行分析处理。最后,给出了全息 干涉术检测等离子体的理论基础。 (3) 分别利用马赫--曾德干涉装置、二次曝光干涉法及实时全息法等观察了等离子 体羽流场对光程的影响,都获得了基本相同的结果;通过二次曝光实验记录了等离子体 羽流场的全息干涉图。接着利用数字全息干涉术记录了数字全息干涉图,通过程序处理 直接得到相位差,由此计算出羽流场的电子数密度;并通过相位倍增,增加了干涉条纹 的密度,全场观察了条纹变化。在光学平台实验的基础上,针对真空箱中的特殊条件, 设计了两套光路,可以在真空箱中进行全息干涉检测。 (4) 介绍了MATLAB语言的基础知识,MATLAB实现光波波前以及实现光波的 线性传输的方法,并通过编写程序对各种不同的等离子体模型进行模拟,得到了柱状、 球状及锥体时候的干涉图像,并可以在干涉图像中加入参考干涉条纹,可以直接得出相 位差。并利用MATLAB编写了程序界面,可以方便的操作和运用。


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