專利名稱：真空羽流場對紅外激光特性影響的測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光電檢測技術(shù)，具體指一種真空羽流場對紅外激光特性影響的測試系 統(tǒng)及方法，它用于在真空情況下150牛頓以下小推力火箭發(fā)動機(jī)羽流場對紅外激光特性影 響的測試。
背景技術(shù)：
深空探測中，星球著陸器上激光測距敏感器及激光雷達(dá)敏感器是保證其順利著陸 的重要測試設(shè)備。它們發(fā)射出的紅外激光，其傳輸路徑位于火箭助推器附近，由于火箭發(fā)動 機(jī)燃燒而在激光傳輸路徑中形成一個羽流場，會引起激光光束傳播方向改變、激光能量衰 減及對激光光束質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響著陸器與星球的距離及星球著陸區(qū)三維形貌的測 量。因此急需了解真空狀態(tài)下火箭羽流場三維時空分布對穿越其中的紅外激光的作用及其 影響，以在敏感器系統(tǒng)及著陸器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計中加以改進(jìn)，消除可能存在的對安全著陸的 影響.本專利針對火箭羽流場可能引起激光測距敏感器及激光雷達(dá)敏感器工作的問題， 提出一種真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外激光傳輸特性的影響的測試系統(tǒng)及測試方法，評估 羽流場對紅外激光能量衰減、指向偏折、光束質(zhì)量的影響，以在激光敏感器設(shè)計方案中加以 改進(jìn)，避免其對著陸器安全著陸的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是提供一種真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外激光傳輸特性影響的測 試系統(tǒng)及方法。該方法采用紅外面陣攝像機(jī)結(jié)合光學(xué)衰減片及窄帶濾光片采集真空環(huán)境下 火箭發(fā)動機(jī)點火前后紅外激光光斑圖像，然后采用離線逐幀進(jìn)行視頻圖像處理的方法，同 時分析羽流場引起的激光能量衰減、指向偏折、光束質(zhì)量惡化情況，以全面評估真空環(huán)境下 火箭羽流場對紅外激光傳輸特性的影響。本專利的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，火箭發(fā)動機(jī)固定安裝于真空罐內(nèi)，真空罐 兩側(cè)開有觀察窗，觀察窗中心高度與發(fā)動機(jī)中軸線高度相等，1064nm連續(xù)紅外激光器與 532nm瞄準(zhǔn)激光器并行固定安放真空罐外一側(cè)，紅外面陣攝像機(jī)固定安放真空罐外另一側(cè)， 且通過視頻圖像采集卡與計算機(jī)相聯(lián)接?；鸺l(fā)動機(jī)點火前，打開532nm瞄準(zhǔn)激光器進(jìn)行 瞄準(zhǔn)調(diào)節(jié)，然后打開1064nm連續(xù)激光器，使其紅外光束穿過觀察窗及發(fā)動機(jī)中軸線被另一 側(cè)的紅外面陣攝像機(jī)接收。經(jīng)過光學(xué)衰減片及窄帶濾光片組合調(diào)節(jié)，使攝像機(jī)接收紅外光 強(qiáng)接近其飽和值。通過視頻圖像采集卡采集點火前若干時間的激光光斑光強(qiáng)分布圖像。隨 后發(fā)動機(jī)點火，采集點火后若干時間的激光光斑光強(qiáng)分布圖像。然后離線逐幀進(jìn)行視頻圖 像處理，采用高斯擬合光強(qiáng)曲面法，同時分析羽流場引起的激光能量衰減、指向偏折、光束 質(zhì)量，以全面評估真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外激光傳輸特性的影響。


圖1為本專利的原理圖，圖中1——真空罐；2——火箭發(fā)動機(jī)；3——觀察窗； 4——1064nm窄帶濾光片；5——套筒；6——紅外面陣攝像機(jī)；7——視頻圖像采集卡； 8——計算機(jī)；9——發(fā)動機(jī)羽流；10——收集罩；11——光學(xué)衰減片組；12——1064nm連續(xù) 紅外激光器；13——532nm瞄準(zhǔn)激光器；14——支架。
具體實施例方式本專利的原理如圖1所示，火箭發(fā)動機(jī)2固定安裝于真空罐1內(nèi)，發(fā)動機(jī)羽流9可 不斷被收集罩10抽走以保證真空罐的真空度。真空罐兩側(cè)開有觀察窗3，觀察窗中心高度 與發(fā)動機(jī)羽流中軸線高度相等，1064nm連續(xù)紅外激光器12與532nm瞄準(zhǔn)激光器13并行固 定安裝在真空罐外一側(cè)的支架14上，紅外面陣攝像機(jī)6固定安放真空罐外另一側(cè)，且通過 視頻圖像采集卡7與計算機(jī)8相聯(lián)連。火箭發(fā)動機(jī)點火前，打開532nm瞄準(zhǔn)激光器進(jìn)行瞄 準(zhǔn)，然后打開1064nm連續(xù)激光器，使其紅外光束穿過觀察窗及發(fā)動機(jī)羽流區(qū)中軸線被另一 側(cè)的紅外面陣攝像機(jī)接收。紅外面陣攝像機(jī)前加裝套筒5，套筒前端安裝1064nm窄帶濾光 片4以消除環(huán)境光強(qiáng)影響，1064nm連續(xù)激光器前安放光學(xué)衰減片組11，調(diào)整其衰減值，使攝 像機(jī)接收紅外光強(qiáng)接近其飽和值。通過視頻圖像采集卡采集點火前若干時間的激光光斑光 強(qiáng)分布圖像。隨后發(fā)動機(jī)點火，采集點火后若干時間的激光光斑光強(qiáng)分布圖像。然后離線逐幀進(jìn)行視頻圖像處理，對于每一幀紅外光強(qiáng)圖像，采用二階高斯函數(shù) 擬合光強(qiáng)曲面，得到高斯擬合中心點坐標(biāo)、水平寬度、垂直寬度、中心點光強(qiáng)、高斯曲面相似 度參數(shù)。對于所采集的多幀紅外光強(qiáng)圖像采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，得到點火前后高斯擬合中心 點坐標(biāo)、水平寬度、垂直寬度、中心點光強(qiáng)、高斯曲面相似度參數(shù)的平均值，進(jìn)而同時分析羽 流場引起的激光能量衰減、指向偏折、光束質(zhì)量，以全面評估真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外 激光傳輸特性的影響。
權(quán)利要求
一種真空環(huán)境下火箭發(fā)動機(jī)羽流場對紅外激光傳輸特性影響的測試系統(tǒng)，它包括真空罐(1)、火箭發(fā)動機(jī)(2)、紅外面陣攝像機(jī)(6)、視頻圖像采集卡(7)、計算機(jī)(8)、收集罩(10)、1064nm連續(xù)紅外激光器(12)以及532nm瞄準(zhǔn)激光器(13)，其特征在于火箭發(fā)動機(jī)(2)固定安裝于真空罐(1)內(nèi)，發(fā)動機(jī)羽流(9)可不斷被收集罩(10)抽走以保證真空罐的真空度；真空罐兩側(cè)開有觀察窗(3)，觀察窗中心高度與發(fā)動機(jī)羽流中軸線高度相等；1064nm連續(xù)紅外激光器(12)與532nm瞄準(zhǔn)激光器(13)并行固定安裝在真空罐外一側(cè)的支架(14)上；紅外面陣攝像機(jī)(6)固定安放真空罐外另一側(cè)，且通過視頻圖像采集卡(7)與計算機(jī)(8)相連；所述的紅外面陣攝像機(jī)(8)前加裝套筒(5)，套筒前端安裝可以消除環(huán)境光強(qiáng)影響的1064nm窄帶濾光片(4)；1064nm連續(xù)紅外激光器(12)前安放光學(xué)衰減片組(11)，調(diào)整其衰減值，使攝像機(jī)接收紅外光強(qiáng)接近其飽和值。
2.一種基于權(quán)利要求1所述測試系統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)羽流場對紅外激光傳輸特性影響 的測試方法，其特征在于包括以下步驟1)通過視頻圖像采集卡采集點火前若干時間的激光光斑光強(qiáng)分布圖像；2)隨后發(fā)動機(jī)點火，采集點火后若干時間的激光光斑光強(qiáng)分布圖像；3)對于每一幀紅外光強(qiáng)圖像，采用二階高斯函數(shù)擬合光強(qiáng)曲面，得到高斯擬合中心點 坐標(biāo)、水平寬度、垂直寬度、中心點光強(qiáng)、高斯曲面相似度參數(shù)；4)對于所采集的多幀紅外光強(qiáng)圖像采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，得到點火前后高斯擬合中心點 坐標(biāo)、水平寬度、垂直寬度、中心點光強(qiáng)、高斯曲面相似度參數(shù)的平均值，進(jìn)而同時分析羽流 場引起的激光能量衰減、指向偏折、光束質(zhì)量，以全面評估真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外激 光傳輸特性的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真空環(huán)境下火箭發(fā)動機(jī)羽流場對紅外激光傳輸特性影響的測試系統(tǒng)及方法。它采用紅外面陣攝像機(jī)結(jié)合光學(xué)衰減片及窄帶濾光片采集真空環(huán)境下火箭發(fā)動機(jī)點火前后紅外激光光斑圖像，然后采用離線逐幀進(jìn)行視頻圖像處理的方法，同時分析羽流場引起的激光能量衰減、指向偏折、光束質(zhì)量惡化情況，以全面評估真空環(huán)境下火箭羽流場對紅外激光傳輸特性的影響。
文檔編號G01M11/02GK101886972SQ20101014291
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者萬雄, 王建宇, 舒嶸, 黃庚華 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所