真空羽流场对红外激光特性影响的测试系统及方法

摘要

本发明公开了一种真空环境下火箭发动机羽流场对红外激光传输特性影响的测试系统及方法。它采用红外面阵摄像机结合光学衰减片及窄带滤光片采集真空环境下火箭发动机点火前后红外激光光斑图像，然后采用离线逐帧进行视频图像处理的方法，同时分析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量恶化情况，以全面评估真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性的影响。

说明书

技术领域

本专利涉及光电检测技术，具体指一种真空羽流场对红外激光特性影响的测试系统及方法，它用于在真空情况下150牛顿以下小推力火箭发动机羽流场对红外激光特性影响的测试。

背景技术

深空探测中，星球着陆器上激光测距敏感器及激光雷达敏感器是保证其顺利着陆的重要测试设备。它们发射出的红外激光，其传输路径位于火箭助推器附近，由于火箭发动机燃烧而在激光传输路径中形成一个羽流场，会引起激光光束传播方向改变、激光能量衰减及对激光光束质量产生影响，从而影响着陆器与星球的距离及星球着陆区三维形貌的测量。因此急需了解真空状态下火箭羽流场三维时空分布对穿越其中的红外激光的作用及其影响，以在敏感器系统及着陆器推进系统设计中加以改进，消除可能存在的对安全着陆的影响.

本专利针对火箭羽流场可能引起激光测距敏感器及激光雷达敏感器工作的问题，提出一种真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性的影响的测试系统及测试方法，评估羽流场对红外激光能量衰减、指向偏折、光束质量的影响，以在激光敏感器设计方案中加以改进，避免其对着陆器安全着陆的影响。

发明内容

本专利的目的是提供一种真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性影响的测试系统及方法。该方法采用红外面阵摄像机结合光学衰减片及窄带滤光片采集真空环境下火箭发动机点火前后红外激光光斑图像，然后采用离线逐帧进行视频图像处理的方法，同时分析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量恶化情况，以全面评估真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性的影响。

本专利的技术方案是这样来实现的，火箭发动机固定安装于真空罐内，真空罐两侧开有观察窗，观察窗中心高度与发动机中轴线高度相等，1064nm连续红外激光器与532nm瞄准激光器并行固定安放真空罐外一侧，红外面阵摄像机固定安放真空罐外另一侧，且通过视频图像采集卡与计算机相联接。火箭发动机点火前，打开532nm瞄准激光器进行瞄准调节，然后打开1064nm连续激光器，使其红外光束穿过观察窗及发动机中轴线被另一侧的红外面阵摄像机接收。经过光学衰减片及窄带滤光片组合调节，使摄像机接收红外光强接近其饱和值。通过视频图像采集卡采集点火前若干时间的激光光斑光强分布图像。随后发动机点火，采集点火后若干时间的激光光斑光强分布图像。然后离线逐帧进行视频图像处理，采用高斯拟合光强曲面法，同时分析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量，以全面评估真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性的影响。

附图说明

图1为本专利的原理图，图中：1——真空罐；2——火箭发动机；3——观察窗；4——1064nm窄带滤光片；5——套筒；6——红外面阵摄像机；7——视频图像采集卡；8——计算机；9——发动机羽流；10——收集罩；11——光学衰减片组；12——1064nm连续红外激光器；13——532nm瞄准激光器；14——支架。

具体实施方式

本专利的原理如图1所示，火箭发动机2固定安装于真空罐1内，发动机羽流9可不断被收集罩10抽走以保证真空罐的真空度。真空罐两侧开有观察窗3，观察窗中心高度与发动机羽流中轴线高度相等，1064nm连续红外激光器12与532nm瞄准激光器13并行固定安装在真空罐外一侧的支架14上，红外面阵摄像机6固定安放真空罐外另一侧，且通过视频图像采集卡7与计算机8相联连。火箭发动机点火前，打开532nm瞄准激光器进行瞄准，然后打开1064nm连续激光器，使其红外光束穿过观察窗及发动机羽流区中轴线被另一侧的红外面阵摄像机接收。红外面阵摄像机前加装套筒5，套筒前端安装1064nm窄带滤光片4以消除环境光强影响，1064nm连续激光器前安放光学衰减片组11，调整其衰减值，使摄像机接收红外光强接近其饱和值。通过视频图像采集卡采集点火前若干时间的激光光斑光强分布图像。随后发动机点火，采集点火后若干时间的激光光斑光强分布图像。

然后离线逐帧进行视频图像处理，对于每一帧红外光强图像，采用二阶高斯函数拟合光强曲面，得到高斯拟合中心点坐标、水平宽度、垂直宽度、中心点光强、高斯曲面相似度参数。对于所采集的多帧红外光强图像采用数学统计方法，得到点火前后高斯拟合中心点坐标、水平宽度、垂直宽度、中心点光强、高斯曲面相似度参数的平均值，进而同时分析羽流场引起的激光能量衰减、指向偏折、光束质量，以全面评估真空环境下火箭羽流场对红外激光传输特性的影响。