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非接触气动光学测量方法及实验研究

李文煜  
【摘要】: 与高能激光相关的气动光学所研究的领域相当广阔和复杂,它贯穿了从激光的产生,发射到传输到目标的全过程。气动光学研究的最终目的应该是改善或避免由于气动介质引起的光束质量下降。 介绍了气动光学介质引起的衍射像差理论,分析讨论了一套同时可以用于激光在有序,随机两种非均匀气动介质中传输的理论模型。给出了两种情况下激光远场光强分布表达式,随后介绍了随机流场中光学传递函数理论,推导得到随机流场的光学传递函数和斯特列尔比的表达式,进而在此基础上,根据随机流场的谱分析理论,得出可以与实际测量结合起来的Shack-Hartmann(S-H)传感器子孔径波面偏转角测量,利用测量到的偏转角计算该随机流场的斯特列尔比的方法。 在考虑了由于气动光学流场层析测量中的多个投影方向数据的同时测量、激光器喷管流场上游和下游同时测量的同步要求,以及高能激光平台的复杂环境多方面因素的基础上,考虑了硬件匹配的一些问题,设计了一套高速的线阵S-H传感器。并且分析讨论了影响S-H传感器探测精度的几个因素及相应的改善办法。特别注意在实践中具有操作意义的关键方法:设置一定阈值电平后,背景电平和读出噪声的影响可以降低,从而提高质心探测精度,在实践中可以找出一个最佳阈值。 分两种情况介绍了基于线阵S-H传感器的扩展了的斯特列尔比(SR)测量,一是借鉴和引入小孔径光束技术的原理和方法,分析介绍了被测气动光学流场满足“准冻流”的条件下斯特列尔比的测量;二是对于随机气动光学流场介质,测量S-H传感器子孔径波面偏转角系列,通过谱计算,同样可以计算出其斯特列尔比。该扩展了的SR测量方法,适用于二维流场的SR测量。 介绍了适用于有限投影数据重建的加法代数重建算法。用第三章设计的线阵S-H传感器对HF激光加热光路进行了测量研究,在此基础上,用高速干涉仪对电热丝加热的空气柱进行了模拟层析测量研究。 用37单元S-H传感器以419Hz的帧频对低速热射流场的气动光学特性进行测量


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