[发明专利]一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置，激光器的波长调谐范围、气体流场的速度范围，确定背景干扰信号和瑞利散射信号的光谱范围；确定滤波介质，调谐激光器的输出波长，使激光器输出的激光的中心波长位于滤波介质特征吸收峰的中心位置处；确定气体流场的测点位置，得到瑞利散射信号，照射至滤波介质，形成的干涉条纹；获取干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；获取多普勒频移量，得到气体流场湍流度结果。本发明能够实现对干涉瑞利散射湍流度测量中强背景干扰的有效抑制，提升干涉瑞利散射湍流度测量技术的适用范围、测量精度和工程应用能力。

技术领域

本发明涉及实验空气动力学湍流度非接触测量领域，具体涉及一种干涉瑞利散射湍流度测量方法及装置。

背景技术

来流湍流度是影响边界层转捩过程的重要因素之一，影响着边界层转捩起始位置和转捩区长度。较高的湍流度使得转捩提前发生，缩短转捩区长度，可以抑制进气道内的流动分离、增加燃烧效率；较低的湍流度可以延迟转捩发生，达到降低飞行器表面摩擦阻力及燃料消耗，优化飞行器热防护设计的目的。目前，来流湍流度对边界层转捩过程影响的细节还不很清楚，且边界层转捩预测方法迫切需要试验数据提供验证和支撑，亟需先进的湍流度测量技术。

当前可以用于流场湍流度测量的方法主要有热线风速仪、时间分辨粒子图像测速技术（PIV）、激光多普勒测速技术（LDV）和干涉瑞利散射技术（IRS）等。其中，热线风速仪为接触式测量，其探针会对流场产生一定干扰，在超声速条件下使用时探针的线丝易断，且热线风速仪测得的数据同时耦合了温度、速度、密度的脉动，数据解耦难度很大；基于激光的PIV和LDV技术在开展湍流度测量时需要向流场中添加示踪粒子，受粒子添加技术及示踪粒子本身跟随性的影响，两种技术在高速流动中受到较多的限制；干涉瑞利散射测量技术通过分析流场本身气体分子瑞利散射信号的多普勒平移实现湍流度的测量，不需要外加示踪粒子，且不会对待测流场产生干扰，目前已经成为超声速、高超声速流动湍流度测量的重要手段。

申请号为201510245218.8的基于EMCCD的干涉瑞利散射速度脉动测量方法公开了一种非接触测量方法，在实际的操作使用下，本发明人发现通常情况下流场气体分子产生的瑞利散射信号强度较弱，尤其是在模型近壁面区域湍流度测量工程应用中，极易受到背景信号的强烈干扰，严重影响有用信号的提取，降低了测量精度，甚至无法完成测量。因此如何在强背景信号干扰下，实现高速流场湍流度测量，是干涉瑞利散射湍流度测量技术工程应用中面临的一个重要问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种干涉瑞利散射湍流度测量方法，通过滤波介质将收集信号中的干扰信号滤除，实现对干涉瑞利散射湍流度测量中强背景干扰的有效抑制。

该目的采用以下技术方案实现：

本方法包括以下步骤：

根据激光器的波长调谐范围、气体流场的速度范围，确定背景干扰信号和瑞利散射信号的光谱范围；

确定滤波介质，所述滤波介质用于滤除背景干扰信号，保留瑞利散射信号；

调谐激光器的输出波长，使激光器输出的激光的中心波长位于滤波介质特征吸收峰的中心位置处；

确定气体流场的测点位置，将激光器输出的激光聚焦于测点位置得到瑞利散射信号；

将测点位置的瑞利散射信号收集并整形成平行光后，照射至滤波介质；

利用干涉仪将穿过滤波介质的瑞利散射信号形成干涉条纹；

利用探测器采集记录瑞利散射信号经干涉仪形成的干涉条纹；

将探测器采集记录的干涉条纹数据传输至图像处理装置，图像处理装置获取干涉条纹相对于参考激光形成的干涉条纹的位置偏移量；

获取气体流场速度引起的多普勒频移量，得到气体流场湍流度结果。