非接触气动光学测量方法及实验研究

论文题目: 非接触气动光学测量方法及实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 李文煜

导师: 姜宗福

关键词: 气动光学,高能激光,光束质量,光学层析,斯特列尔比,代数重建法,高速线阵传感器,非接触测量,热射流

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 与高能激光相关的气动光学

1.2 气动光学的测量

1.3 本文的研究内容和方法

第二章介质场气动光学的理论分析

2.1 气动光学介质引起的衍射像差理论

2.1.1 激光远场光强分布

2.1.2 激光通过有序介质远场光强分布

2.1.3 激光通过随机介质远场光强分布

2.2 随机流场中光学传递函数理论

2.2.1 光学传递函数理论

2.2.2 随机介质场中的光学传递函数

2.3 随机流场中谱分析理论与偏转角测量

2.3.1 随机介质场中的谱分析理论

2.3.2 偏转角与光程差的功率谱关系

2.4 小结

第三章线阵夏克－哈特曼传感器的设计

3.1 微透镜设计

3.2 线阵CCD 相机的选型

3.3 数据采集系统设计

3.4 误差分析及对策

3.5 小结

第四章气动光学介质场斯特列尔比测量

4.1 引言

4.2 “准冻流”条件下的SR 测量

4.2.1 原理及算法

4.2.2 测量条件的满足

4.2.3 数值测量

4.3 基于随机流场中谱分析理论的SR 测量方法

4.4 小结

第五章气动光学介质场的光学层析

5.1 代数重建算法

5.1.1 基本思想及简单的代数重建

5.1.2 几种算法介绍

5.2 实验及结果

5.2.1 获取投影数据的方法

5.2.2 重建结果及分析

5.3 小结

第六章低速热射流的气动光学测量研究

6.1 实验装置

6.2 热射流

6.3 测量结果及分析

总结

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2006-09-14

非接触气动光学测量方法及实验研究

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