[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

说明书

本发明公开了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，属于超高速飞行器试验参数测量技术领域，包括：激光器，用于照亮超高速飞行器；准直扩束装置，用于提高光源的均匀性；超高速飞行器，模拟火箭外形；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，得到飞行器的姿态参数和表面温度。

技术领域

本发明涉及超高速飞行器试验参数测量技术领域，具体地说，涉及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。

背景技术

随着航空航天技术的发展，飞行器的速度越来越高，往返太空的频次增加。超高速飞行器的外形是经过精确设计的，不同姿态下的空气动力学参数有较大的差异。发展飞行器姿态测量技术，模拟空间环境，开展超高速飞行器地面试验，对飞行器的设计及姿态控制具有重要意义。飞行器超高速飞行时，由于高速气流在飞行器表面的粘性滞止而产生大量的摩擦热，形成对表面的气动加热，使得飞行器表面的温度升高。气动加热可使飞行器表面温度达上千摄氏度，这直接涉及到飞行器防热层的烧蚀，影响飞行器的战术性能和生存能力。发展超高速飞行器表面温度测量技术，探讨飞行器表面温度的分布，这是进行防热设计的前提。

目前超高速飞行器姿态测量技术有激光阴影成像和双目视觉定位技术。激光阴影成像法是在实验舱布置正交阴影测量系统，测量飞行器在水平和垂直方向的投影，从而计算飞行器的姿态。双目视觉定位技术是采用两个相机从两个角度记录飞行器的图像，基于前期的标定函数解算飞行器的姿态。超高速飞行器表面温度测量主要是红外测温仪，测量飞行器表面的红外辐射特性，计算温度分布，技术较成熟，但价格昂贵，分辨率低。

为了研制新型超高速飞行器，提高我国的航空航天水平，开展超高速自由飞试验是必须的，试验中飞行器的姿态和表面温度是反映目标飞行状态和性能的重要参数，获得这些参数对分析目标的运动状态及空气动力学特性具有重要意义。

对高速飞行器的表面温度可以通过传感器进行测量，如公告号为CN201716128U的中国专利文献公开的一种高速飞行器外表面温度测量装置；公布号为CN102353469A的中国专利文献公开的一种高速飞行器外表面高温在线测量装置及其制备和测量方法。通过传感器测量只能对表面温度进行单独测量，无法与飞行器姿态进行结合。

发明内容

本发明的目的为提供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，能够实现超高速飞行器高分辨率全息图像及热辐射图像的同时记录，获得飞行器的三维运动速度、俯仰角、偏航角、旋转速度及表面温度分布，可以准确的表征飞行器的气动特性及热防护性能。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供的超高速飞行器飞行姿态及表面温度测量的系统包括：

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；