[发明专利]一种超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统和方法

权利要求书

1.一种超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，包括：

激光器，用于照亮超高速飞行器；

准直扩束装置，设于所述激光器的出射光路上，用于提高光源的均匀性，扩大光束直径；

超高速飞行器，模拟火箭外形，其头部被气动加热；

第一分束镜，用于将超高速飞行器信号光分为两束，一束被飞行器姿态测量模块接收，一束被飞行器表面温度测量模块接收；

飞行器姿态测量模块，用于接收激光器照射飞行器后发出的信号光，并测量飞行器的姿态参数；

飞行器表面温度测量模块，用于接收超高速飞行器头部被气动加热后的辐射光，并测量飞行器表面温度；

时序控制模块，用于控制激光器出光及接收信号光的CCD同步曝光；

计算模块，重建飞行器全息图像对，计算飞行器表面温度，得到飞行器的姿态参数和表面温度。

2.根据权利要求1所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，所述的飞行器姿态测量模块包括沿所述第一分束镜的反射方向依次布置的中性衰减片、窄带滤波片和第二分束镜，所述第二分束镜的两光路上分别设有CCD相机。

3.根据权利要求1所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，所述的飞行器表面温度测量模块包括第三分束镜，所述第三分束镜的两光路上依次设有窄带滤波片和带有成像镜头的CCD相机。

4.根据权利要求1所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，所述的姿态参数包括三维运动速度、俯仰角、偏航角和旋转速度。

5.根据权利要求1所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，所述的准直扩束装置包括设置在所述激光器的出射光路上的扩束镜。

6.根据权利要求1所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统，其特征在于，所述的激光器的出射光路上还设有空间滤波器，所述空间滤波器设于所述准直扩束装置之前，包括沿光路依次设置的聚焦透镜和小孔。

7.一种超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的方法，基于权利要求1～5任一权利要求所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用热电偶标定飞行器表面温度测量模块；

(2)采用标定板标定飞行器姿态测量模块和飞行器表面温度测量模块测量视场的对应关系；

(3)发射超高速飞行器，超高速飞行器在实验模拟舱内飞行；

(4)时序控制模块根据超高速飞行器到测量视场内的时刻，控制激光器的出光和CCD相机的曝光；

(5)飞行器姿态测量模块记录两张不同时刻飞行器的全息图，飞行器表面温度测量模块记录两张同时刻飞行器不同辐射波长下的图像；

(6)计算飞行器的姿态参数和表面温度。

8.根据权利要求7所述的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的方法，其特征在于，步骤(1)中采用热电偶标定时，将热电偶加热到较高温度后自然冷却，同时记录热电偶的图像和温度，对比根据热电偶图像计算的温度和热电偶实测温度得到标定曲线。

9.如权利要求7所述的一种超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的方法，其特征在于，步骤(6)中飞行器的姿态参数计算步骤如下：

(6-1)根据飞行器重建全息图景深扩展图计算飞行器的轮廓；

(6-2)计算飞行器轮廓的法向矢量n；

(6-3)选择一个矩形窗口，矩形方向与轮廓的法向矢量平行，计算矩形窗口内不同重建界面的强度梯度方差，进行三维定位；

(6-4)遍历飞行器的整个轮廓，得到飞行器的三维边界；

(6-5)根据飞行器的数模，计算飞行器的俯仰角和偏航角；

(6-6)匹配两帧飞行器全息图计算结果，计算飞行器的三维运动速度和三维旋转速度。