一种适用于阵列式聚焦激光差分干涉测量系统的改进光学系统

本发明涉及流体力学光学测量，具体涉及一种适用于阵列式聚焦激光差分干涉测量系统的改进光学系统。

背景技术：

1、随着新型航空飞行器朝着高飞行马赫数、高机动性、大过载以及增升减阻等精细化设计方向持续发展，飞行器在高超声速条件下面临的空气动力学问题日益突出。受限于现阶段相关数值模型尚不完善，且飞行试验成本高、风险大，地面风洞试验仍是开展高超声速流动气动研究的重要手段。高超声速流场具有流动结构复杂、流动现象多样以及关键气动参数高度敏感等特点，因而对风洞试验中的精细流场测量技术提出了更高要求。作为一种非接触式光学测量方法，聚焦激光差分干涉仪（focused laser differentialinterferometry，fldi）具有响应频率高、时空分辨率高等优点，已广泛应用于高超声速边界层转捩、湍流以及自由来流扰动等问题的研究。近年来，为发展适用于三维复杂模型的高精度空间流场测量技术，并满足大型高超声速风洞试验中多测点数据同步获取、互相关分析以及测量效率提升的需求，fldi测量技术正由传统的单测点方式向阵列式多测点方式发展。

2、在现有单通道 fldi 系统基础上实现阵列式 fldi 系统的技术路线主要包括以下几类：一种方案是利用沃拉斯通棱镜的双折射特性，通过增加沃拉斯通棱镜及偏振片实现多次分束，以增加测点数量。然而，该方案分束效率较低，且随着镜组数量增加，系统成本及耦合调试难度明显上升，通常仅适用于双通道 fldi 系统。另一种方案是采用诺玛斯基棱镜。该方案具有剪切量小、时空分辨率高、剪切后两束光主光线近似平行等优点，能够较好保证流场区域内多束光线的传播方向与系统光轴保持一致；但其同样多用于双通道fldi 系统，若推广至阵列式 fldi 系统，通常需要叠加设置多块诺玛斯基棱镜，不仅对安装空间要求较高，而且系统成本和搭建难度也会相应增加。相比之下，采用衍射光学元件（diffractive optical element，doe）构建阵列式 fldi 系统，仅需在单通道 fldi 系统中增设 doe 即可实现多束分光，具有分束效率高、结构相对简洁，并可通过 doe 的定制设计实现特定阵列排布等优点，因此已成为阵列式 fldi 系统的常用实现方式之一。

3、现有技术中，已有针对 fldi 测量效率提升的改进方案。例如，公开号为cn111426446a、名称为“一种多通道聚焦激光差分干涉仪”的专利申请，公开了利用分束镜组及对应反射镜组将单束激光分为多束激光，并在多个测点处聚焦，以实现流场中多个测点密度脉动信息的同步测量，从而减少实验次数并提高风洞试验效率。然而，该方案通过多套分束与反射光路实现多测点测量，聚焦点分散，所需设备数量较多，不仅会因透镜等光学元件数量增加而引入更多误差、影响测量精度，而且会增加系统占用空间和整体成本。又如，公开号为 cn119124540a、名称为“一种阵列式聚焦激光差分干涉测量系统”的专利申请中，公开了在发射光路中采用 doe 将相干激光分为多路分光，并在接收光路末端设置可分别调节的多路光纤阵列接收系统，使各光纤探针接收端与多路光信号的最终成像焦点一一对应，从而在单套系统内实现多个测点的同步测量，在提高高超声速流场尤其是风洞试验测量效率的同时兼顾测量精度。然而，在 doe 型阵列式 fldi 系统中，由于 doe 具有一定分离角，若仅在单通道 fldi 系统中直接增设 doe，则各束光在测试流场区域内的传播方向通常难以与系统光轴保持平行，且不同光束存在不同的投影角度。由此，一方面，不同光束在系统传输过程中的能量损失可能存在差异，容易导致接收端各测点对应光斑的形状、尺寸及光强不一致，影响测量有效性；另一方面，不同测点对同一流场扰动的响应也可能存在系统性差异，进而影响后续互相关分析结果的一致性。此外，各测点信号在接收端的间距与高度还可能发生偏移，增加接收和对准难度，进而影响测量结果的真实性和可用性。

4、因此，亟需提供一种适用于 doe 型阵列式 fldi 系统的改进光学系统，以实现各光束主光线在测试流场区域内与系统光轴保持平行，并提高各测点光斑形态、尺寸及光强的一致性，从而保证各测点数据能够有效用于实验测试及后续分析。

技术实现思路

1、在发射光路中采用 doe 进行分束，以提高阵列式聚焦激光差分干涉测量系统的同步测量能力，是现有 doe 型阵列式 fldi 系统的常用技术方案。然而，由于 doe 具有一定分离角，各束光在测试流场区域内的传播方向通常难以与系统光轴保持平行，且不同光束之间存在不同的投影角度。由此，接收端各测点对应光斑的形状、尺寸及光强难以保持一致，不仅会影响测量的稳定性和有效性，还可能在测点之间进行互相关分析时引入系统性偏差。此外，各测点信号在接收端的空间位置还可能发生间距和高度上的偏移，增加接收、对准及调试难度，最终影响测量结果的准确性和可用性。上述问题的根源在于：增设 doe后，各分光束的主光线在测试区域内未能与系统光轴保持平行；该问题也是当前阵列式聚焦激光差分干涉测量系统在提高测量效率的同时仍需解决的关键技术问题。

2、本发明所要解决的技术问题在于：针对现有阵列式 fldi 系统中穿过测试流场的各光束主光线难以与系统光轴保持平行的问题，提出一种适用于阵列式聚焦激光差分干涉测量系统的改进光学系统，以在提高 fldi 测量效率的同时保证测量精度。

3、为实现上述目的，本发明提出如下改进方案：在常规阵列式 fldi 系统的发射光路中，于 doe 衍射光学元件与第一沃拉斯通棱镜之间设置一块焦距匹配的凸透镜，使经doe 分束后发散传播的多路子光束主光线在该凸透镜后方的系统光轴上会聚于一点，并通过合理调整所述凸透镜的位置，使所述会聚点与第一沃拉斯通棱镜所在位置重合。此时，经第一沃拉斯通棱镜分束后的各对双焦点对应光束的主光线可等效视为自发射端末级凸透镜的左焦点发出，从而在通过所述发射端末级凸透镜后，各对双焦点对应光束的主光线在测试流场区域内均与系统光轴保持平行。

4、由于第一沃拉斯通棱镜设置于发射端末级凸透镜的左焦点处，其安装位置可由所述末级凸透镜的焦距参数预先确定。经 doe 分束后的多路子光束在其后方凸透镜的作用下重新汇聚，并要求各子光束主光线的汇聚点与后方第一沃拉斯通棱镜的位置相重合。因此，所述 doe 后方凸透镜的焦距选择并非任意设定，而是需要结合第一沃拉斯通棱镜与发射端末级凸透镜的相对位置关系进行匹配设计；同时，所述凸透镜沿系统光轴方向的安装位置也需要严格确定。通过上述焦距匹配及位置约束，在傍轴近似及接收端共轭匹配条件下，可使接收光路中的多路光信号成像焦点近似位于同一接收平面内，从而有利于后续多通道接收端的统一布置、快速对准及稳定接收。

5、鉴于光电探测器体积较大，且接收端安装空间有限，本实施方式中采用光纤辅助接收。由于接收光路中的多路光信号成像焦点可近似位于同一接收平面内，且相邻成像焦点间距基本相等，因此可根据各成像焦点之间的间距预先固定各光纤探针的位置。进一步地，各接收端光纤探针的朝向保持与系统光轴方向平行，并通过光纤夹持架与刚性连杆螺纹连接，所有刚性连杆均固定于同一刚性底座内，共同构成光纤阵列接收器。

6、优选地，所述发射光路包括依次设置的相干激光光源、凸透镜1、衍射光学元件、凸透镜2、偏振片和第一沃拉斯通棱镜以及凸透镜3。相干激光光源发出的激光束经所述凸透镜1聚焦后继续发散，形成锥形光束；所述锥形光束经所述衍射光学元件分为多路子光束，各子光束的主光线在所述凸透镜2的作用下会聚于所述第一沃拉斯通棱镜处；所述偏振片设置于所述衍射光学元件与所述第一沃拉斯通棱镜之间，用于对多路子光束进行偏振选择并滤除非目标偏振干扰光。所述第一沃拉斯通棱镜将每一路入射线偏振光分离为两束偏振方向相互垂直且具有预定分离角的线偏振光；在入射偏振方向满足预设关系时，两束出射光的光强可调至基本相等。

7、优选地，所述第一沃拉斯通棱镜设置于所述凸透镜3的左焦点处，使经所述第一沃拉斯通棱镜分离后的各对双焦点对应光束在通过所述凸透镜3后于测试流场区域形成多对双焦点，且形成各双焦点的对应光束主光线均与系统光轴保持平行。

8、优选地，所述接收光路包括依次设置的凸透镜3、第二沃拉斯通棱镜、偏振片、凸透镜4和光纤阵列接收器，其中，所述凸透镜3、第二沃拉斯通棱镜和偏振片与发射光路中的对应光学元件相对于观测区域呈共轭设置，且其安装位置和旋转角度相匹配，以使通过观测区域后的多路光束依次完成再汇聚、合束和干涉；所述凸透镜4用于对接收端光束进行二次成像，并使各路光信号的成像焦点与所述光纤阵列接收器相匹配。

9、进一步地，为定量表征经发射端光学系统后各子光束主光线在测试流场区域内的传播状态，并确定衍射光学元件、凸透镜2及第一沃拉斯通棱镜之间的匹配关系，可在傍轴近似条件下采用光线传输矩阵法进行分析。

10、进一步地，设衍射光学元件至凸透镜2的轴向距离为 ，凸透镜2至第一沃拉斯通棱镜的轴向距离为 ，第一沃拉斯通棱镜至凸透镜3的轴向距离为 ，凸透镜3至测试流场分析参考面的轴向距离为 ；凸透镜2和凸透镜3的焦距分别为  和。定义任一光线在某一截面处的状态矢量为：

11、

12、其中， 为光线中心线相对于系统光轴的正交距离， 为光线中心线与系统光轴之间的夹角。

13、进一步地，设衍射光学元件将入射光束自内向外分为对称分布的  对子光束，第  对子光束的中心线张角为 ，其中 。将衍射光学元件左右对称的两支光线分别记为  和 ；各支光线经沃拉斯通棱镜再次分为两支，分别记为  和 。则第  对光束经沃拉斯通棱镜分束后共形成4条子光线，其在凸透镜3后方的状态矢量可表示为：

14、

15、其中，

16、

17、其中， 为第一沃拉斯通棱镜的分离角；ma 和 mb 分别为对应子系统的传输矩阵，其一般形式为：

18、

19、为保证各子光线在测试流场区域内均与系统光轴平行，应满足各出射光线的角度分量均为零，即：

20、

21、由于系统关于光轴呈对称分布，仅取 、 进行分析即可。将 的角度分量展开，得到：

22、

23、引入无量纲参数：

24、

25、则上式可化简为：

26、

27、优选地，所述沃拉斯通棱镜设置于凸透镜3的左焦点处，即：

28、

29、此时 。将  代入上式，可得：

30、

31、进一步代入 、 和  的定义，得到：

32、

33、因此，衍射光学元件、凸透镜2与沃拉斯通棱镜三者之间满足：

34、

35、由此可见，为使衍射光学元件分出的  对子光束在经第一沃拉斯通棱镜及凸透镜3后均能够在测试流场区域内保持与系统光轴平行，所述衍射光学元件与凸透镜2之间的安装距离 、凸透镜2与沃拉斯通棱镜之间的安装距离  以及凸透镜2的焦距 应满足上述薄透镜关系；且该关系与第  对分光束的张角  无关，因此对衍射光学元件分出的全部  对光束均同时成立。

36、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明所提供的适用于阵列式聚焦激光差分干涉测量系统的改进光学系统，仅通过增设一块普通凸透镜并优化其他光学元件的布置位置，即可使全部光束在测试流场区域内的主光线均与系统光轴保持平行。由此，不仅能够提高各测点光斑形态、尺寸及光强的一致性，降低接收端的对准与调试难度，而且有利于提升测量结果的准确性、稳定性以及多测点数据互相关分析的可靠性。