一种保形侧窗结构折反式纹影仪

摘要

本发明提出一种保形侧窗结构折反式纹影仪，包括光源系统、反射系统、侧窗部分以及成像系统，反射系统包括准直反射镜和聚焦反射镜，侧窗部分包括左保形侧窗和右保形侧窗，光源系统、准直反射镜、左保形侧窗、右保形侧窗、聚焦反射镜和成像系统沿光路主轴依次放置，左保形侧窗和右保形侧窗相对布置，左保形侧窗和右保形侧窗之间设有圆柱形的扰流区域，左保形侧窗内壁和右保形侧窗内壁分别贴合扰流区域的侧面，左保形侧窗外壁和右保形侧窗外壁的面型分别为非球面，使得平行光被矫正。本发明针对圆柱形的扰流区域，侧窗部分采取内壁保形设计和外壁曲面设计对出入扰流区域的平行光路进行矫正，以实现对扰流区域密度分布的精确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及流场显示与测量领域，尤其涉及一种保形侧窗结构折反式纹影仪。

背景技术

高超声速飞行器具有广域、长距、高空的飞行特点，成为各国保证国家战略安全和实现全球快速突防的关键利器，是21世纪全球航天航空发展的主流方向之一。高超声速吸气式推进系统主要依托于超燃冲压发动机，其吸气式结构布局可以节省氧化剂的携带量从而有效增加飞机的载荷，拥有稳定、快速的使用条件，成为高超声速领域发展的重点所在。

超燃冲压发动机进气道采用内转式结构，具有截面形状三维复杂过渡的结构特征，能够实现在约束的尺寸、重量范围内，提供高压缩效能和低阻力效果，从理论设计到工程实践领域都有重要的研究价值。

为详细观测此类异型曲面进气道内的流场分布特性，常规的平面侧窗纹影仪观测系统已经无法满足现有的设计需求，因为平面侧窗的结构无法保持侧窗内侧的保形设计要求以达到平行光通过扰流区域，需要从保形侧窗纹影仪的设计和制造出发进行改良。但是现有技术针对保形侧窗结构和集成式纹影仪系统的设计和制造上存在难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种保形侧窗结构折反式纹影仪，针对圆柱形的扰流区域，采取侧窗内壁保形设计和侧窗外壁矫正光路的曲面设计方法，对输入和输出扰流区域的平行光路进行矫正，以实现对扰流区域密度分布的精确测量。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种保形侧窗结构折反式纹影仪，包括光源系统、反射系统、侧窗部分以及成像系统，所述反射系统包括准直反射镜和聚焦反射镜，所述侧窗部分包括左保形侧窗和右保形侧窗，所述光源系统、准直反射镜、左保形侧窗、右保形侧窗、聚焦反射镜和成像系统沿光路主轴依次放置，所述左保形侧窗和右保形侧窗相对布置，所述左保形侧窗和右保形侧窗之间设有圆柱形的扰流区域，所述左保形侧窗内壁和右保形侧窗内壁分别贴合扰流区域的侧面，所述左保形侧窗外壁和右保形侧窗外壁的面型分别为非球面，使得平行光被矫正。

进一步的，所述左保形侧窗外壁和右保形侧窗外壁的面型相同，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域底面的圆心为坐标原点，左保形侧窗外壁和右保形侧窗外壁的面型结构函数表达式如下：

上式中，c为曲面顶点处的曲率值，k为二次曲面系数，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，A，B，C，D，E和F分别为非球面系数，L为曲面顶点与坐标原点的距离。

进一步的，所述左保形侧窗内壁和右保形侧窗内壁的面型相同，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域底面的圆心为坐标原点，左保形侧窗内壁和右保形侧窗内壁的面型结构函数表达式如下：

上式中，c为曲面顶点处的曲率值，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，L为曲面顶点与坐标原点的距离。

进一步的，所述光源系统包括沿着光路主轴依次放置的光源、透镜组和狭缝，所述光源采用宽光谱卤素光源。

进一步的，所述成像系统包括沿光路主轴依次放置的刀口、成像物镜和相机，所述相机中设有620nm的窄带滤光片。

进一步的，所述准直反射镜和聚焦反射镜中心对称布置，所述准直反射镜和聚焦反射镜分别为离轴反射镜且面型相同。

进一步的，所述准直反射镜和聚焦反射镜的面型精度RMS值为十分之一波长。

进一步的，所述扰流区域为速度场，所述扰流区域的径向半径为25mm且轴向长度为200mm。

进一步的，所述左保形侧窗和右保形侧窗分别采用K9玻璃材质，并进行退火处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的保形侧窗结构集成式纹影仪，针对圆柱形扰流区域，将侧窗系统的内壁设计为圆柱面结构以贴合扰流区域，外壁采取截面为偶次非球面面型结构，以达到光路保持平行光状态通过扰流区域，实现保形设计要求的同时保证了扰流区域流场观测的精确性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的左保形侧窗和右保形侧窗的二维结构示意图。

图3是本发明实施例的左保形侧窗和右保形侧窗的三维结构示意图。

图4是本发明实施例中光线通过位置面A1的光强分布示意图。

图5是本发明实施例中光线通过位置面A2的光强分布示意图。

图6是本发明实施例中光线通过位置面A3的光强分布示意图。

图例说明：1、准直反射镜；2、聚焦反射镜；3、左保形侧窗；4、右保形侧窗；5、扰流区域；6、光源；7、透镜组；8、狭缝；9、刀口；10、成像物镜；11、相机；31、左保形侧窗内壁；32、左保形侧窗外壁；41、右保形侧窗内壁；42、右保形侧窗外壁。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

本发明中的保形侧窗的含义为：当隔离段的截面为圆形时，其对应的观测窗口的内壁应为圆柱体结构，所以加工出来的侧窗内壁必须与流场段紧密贴合，并且其侧窗外壁设计能达到矫正光路的作用。

如图1所示，本发明提供一种保形侧窗结构折反式纹影仪，包括光源系统、反射系统、侧窗部分以及成像系统，扰流区域位于侧窗部分中央，通过异型曲面侧窗设计实现扰流区域的保形要求。

如图1所示，本实施例的反射系统包括准直反射镜1和聚焦反射镜2，侧窗部分包括左保形侧窗3和右保形侧窗4，光源系统、准直反射镜1、左保形侧窗3、右保形侧窗4、聚焦反射镜2和成像系统沿光路主轴依次放置，左保形侧窗3和右保形侧窗4相对布置，左保形侧窗3和右保形侧窗4之间设有圆柱形的扰流区域5，左保形侧窗内壁31和右保形侧窗内壁41分别贴合扰流区域5的侧面，左保形侧窗外壁32和右保形侧窗外壁42的面型分别为非球面，使得平行光被矫正。光源系统的出射光经准直反射镜1进行准直实现平行光路发射，平行光依次通过左保形侧窗3、扰流区域5、右保形侧窗4之后保持光路在扰流区域5的平行光分布状态，平行光经过汇聚反射镜2发射到成像系统。

本实施例中，左保形侧窗3和右保形侧窗4分别采用K9玻璃材质，并进行退火处理以尽量消除表面应力。如图2所示，经过准直反射镜1反射之后的光线依次通过左保形侧窗外壁32、左保形侧窗内壁31、扰流区域5、右保形侧窗内壁41、右保形侧窗外壁42，采用商用光学设计软件对光学系统进行优化，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域5底面的圆心为坐标原点，左保形侧窗外壁32、左保形侧窗内壁31、右保形侧窗内壁41、右保形侧窗外壁42的面型结构可用如下通用的偶次非球面函数表达式进行表示：

上式中，c为曲面顶点处的曲率值，k为二次曲面系数，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，A，B，C，D，E和F分别为非球面系数，L为曲面顶点与坐标原点的距离。偶次非球面的面型结构具有优良的像差矫正作用，左保形侧窗3、右保形侧窗4通过左保形侧窗外壁32、右保形侧窗外壁42就能够对左保形侧窗内壁31、右保形侧窗内壁41产生的像差进行矫正，从而替代了多块复杂的像差矫正镜组。

本实施例中，对于左保形侧窗外壁32、左保形侧窗内壁31、右保形侧窗内壁41、右保形侧窗外壁42的面型参数进一步优化，优化的结果如表1所示，此时左保形侧窗3、右保形侧窗4能够达到最佳的校准效果，此时左保形侧窗内壁31和右保形侧窗内壁41为相同的圆柱面，左保形侧窗外壁32和右保形侧窗外壁42为相同的14阶偶次非球面。

表1侧窗优化面型参数

在式(1)的基础上，根据表1中优化后的面型参数，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域5底面的圆心为坐标原点，左保形侧窗内壁31和右保形侧窗内壁41的面型结构函数表达式如下：

上式中，c为曲面顶点处的曲率值，y为垂直光轴方向的扰流区域径向坐标变量，L为曲面顶点与坐标原点的距离。

本实施例中，光源系统包括沿着光路主轴依次放置的光源6、透镜组7和狭缝8，光源6发出的光线经过透镜组7的矫正进行汇聚，再通过狭缝8进行滤光以达到出射要求，光源6采用宽光谱卤素光源，其具有光照均匀的特点。

本实施例中，成像系统包括沿光路主轴依次放置的刀口9、成像物镜10和相机11，平行光经过汇聚反射镜2、成像物镜10的作用聚焦成像于相机11的探测器上，相机11内部含有光学成像器件，例如高速成像CCD传感器，同时还设有620nm的窄带滤光片进行滤光，以实现对单个工作波长通过流场区域的密度分布进行精确观测。

如图1所示，本实施例的准直反射镜1和聚焦反射镜2分别为离轴反射镜且面型相同，准直反射镜1和聚焦反射镜2以扰流区域为中心凹面相对进行中心对称布置，以实现“Z”型光路结构，最大程度消除光路结构带来的慧差和像散。在车床加工时，两块工件关于车床主轴对称摆放，同时加工，以缩短加工时间，为确保纹影仪对扰流区域的成像要求，应确保其镜面通过车削加工后面型精度RMS值达到十分之一波长。

如图3所示，本实施例中扰流区域5为速度场，扰流区域5的径向半径为25mm且轴向长度为200mm。如图2所示，以光轴方向为z轴，采用右手定则，垂直纸面方向为x轴，平行纸面方向为y轴，以扰流区域5底面的圆心为坐标原点，本实施例中在扰流区域5附近分别设置位置面A1、A2和A3，A1为距离扰流区域5圆心(原点)z负方向75mm面，A2为过扰流区域5圆心位置面，A3为距离扰流区域5圆心(原点)z正方向75mm面。图4至图6是通过光学追迹软件模拟的侧窗部分面型参数为表1时，对应的光线从左保形侧窗3的左侧分别通过A1、A2、A3三个位置处的光强分布情况，光线追迹参数模拟时，设定入射光斑直径为60mm，通过A1处时，如图4所示，其x、y方向对应的光斑直径皆为60mm；当光线通过左半侧窗后达到原点处的A2面时，如图5所示，其y方向因为曲面对光束整形的作用，光斑直径缩小为40mm，归一化后的光照强度达到90％以上，光斑均匀性良好，其x方向光斑直径仍为60mm；当光线通过右半侧窗后，到达A3处时，如图6所示，其y方向的光斑直径又恢复到60mm，归一化后的光照强度在90％以上，光斑均匀性良好，其x方向光斑直径仍为60mm。

通过光学追迹软件模拟在仿真的面型参数下，光线通过A1、A2、A3三个位置处的光照强度的分布情况可知，光斑分别通过左保形侧窗3和右保形侧窗4时的光强分布均匀性良好，都达到了90％以上，说明了在侧窗部分内壁保形的基础上，侧窗部分外壁进行面型优化构造的效果反映良好，实现了光线能够保持平行光状态依次通过扰流区域5和右保形侧窗4，从而在纹影仪系统最终的成像效果能够精确的反映扰流区域的密度变化信息，实现本发明的保形侧窗结构折反式纹影仪光学观测流场区域的目的。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。