一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器的制作方法

1.本发明涉及激光干涉测速技术领域，具体涉及一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器。


背景技术：

2.惯性约束聚变有望成为未来清洁利用聚变能源的有效途径，无论在民生经济还是在军事领域均具有重要的研究价值，世界上美国、中国、俄罗斯等大国围绕着激光惯性约束聚变开展了一系列深入的研究。
3.惯性约束聚变根据驱动方式可分为直接驱动和间接驱动，无论哪种方式，最终都体现在对球形靶丸的压缩内爆，最终实现高压高温聚变燃烧，实现点火。在激光惯性约束聚变中，冲击波是一种非常重要的物理量。首先，冲击波速度是材料高压物性研究中可以被直接测量的物理量，能够用于间接诊断约束聚变分解实验中材料所处的压强、温度等状态；其次，冲击波调速是激光惯性约束聚变研究中的重要实验手段，用于实现多台阶脉冲的准等熵压缩；第三，通过在靶丸内部进行独特的结构设计，实现靶丸两个、三个或更多角度的冲击波速度历程的诊断，通过速度历程比对，诊断冲击波加载阶段的靶丸压缩对称性；最后，基于目前国际上已发展的二维任意反射面速度干涉仪(简称2d-visar)，可以对某一特定时间的冲击波形貌进行测量，从而诊断材料中的缺陷或驱动加载源的微弱调制，推动精密实验的发展。
4.任意反射面速度干涉仪(简称visar)是诊断冲击波速度历程的关键诊断系统，通过主动的输入一束脉冲探针光，探针激光在冲击波界面发生反射，利用光学多普勒效应及不等臂干涉仪，将冲击波波阵面的速度变化信息转化为干涉条纹的移动，然后成像至光学条纹相机的狭缝处，完成高时间分辨的准连续记录。
5.光学条纹相机的狭缝为一维空间分辨，仅对干涉图样一维区域上的变化进行记录，因此visar只能对冲击波波阵面一条线上的速度变化历程进行诊断，又称为1d-visar。基于二维冲击波速度场形貌诊断需求，美国近期发明了一种对二维冲击波速度场形貌进行诊断的速度干涉仪，即2d-visar。但由于采用门控相机进行记录，只能采集一个时间点的冲击波形貌，而且受限于干涉条纹之外的探针光背景影响，从原理上难以记录高信噪比干涉图样。
6.解决以上问题成为当务之急。


技术实现要素：

7.为解决以上的技术问题，本发明提供了一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器。
8.其技术方案如下：
9.一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器，包括打靶收光模块、干涉模块和记录模块，其要点在于：所述记录模块包括第二分束镜、线成像记录支路和压缩成像记录支路，所述线成像记录支路包括第三透镜、倒位棱镜和第一光学条纹相机，所述压缩成像记录支路
包括第三分束镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器和第二光学条纹相机，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器上均设置有二值编码板，所述第三分束镜与第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的间距均相等，以使第五透镜分别与第六透镜和第七透镜以及第八透镜分别与第六透镜和第七透镜均构成光学4f系统；
10.所述打靶收光模块将由目标靶反射的多普勒信号反射光射向干涉模块，以将多普勒信号反射光携带的目标靶反射面速度变化信息转化为干涉条纹的移动，带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光由第二分束镜一分为二；
11.一路带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光经第三透镜引向倒位棱镜，经倒位棱镜旋转干涉条纹移动的多普勒信号反射光后，最终由第一光学条纹相机记录；
12.另一路带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光先经第四透镜成像至一次像面处，再经第五透镜准直后由第三分束镜一分为二，其中一路多普勒信号反射光经第六透镜成像至第一空间光调制器上，由第一空间光调制器反射回的带有编码的图像再依次经第六透镜、第三分束镜和第八透镜后成像在狭缝完全打开的第二光学条纹相机上，另外一路多普勒信号反射光经第七透镜成像至第二空间光调制器上，由第二空间光调制器反射回的带有编码的图像再依次经第七透镜、第三分束镜和第八透镜后成像在第二光学条纹相机上。
13.作为优选：所述第一空间光调制器和第二空间光调制器均为数字微镜阵列，所述二值编码板为集成在数字微镜阵列上的掩膜板，该掩膜板上设置有呈矩阵方式排列的网格，其中一部分网格多普勒信号反射光能够穿过，另一部分网格能够阻挡多普勒信号反射光穿过。
14.采用以上结构，多普勒信号反射光通过之后即带有了编码信息，以便于后续处理时能够明确是哪个区域的目标图像信息，从而复原出不同时间断面的原始二维图像。
15.作为优选：所述第一空间光调制器的掩膜板上多普勒信号反射光能够穿过的网格对应第二空间光调制器的掩膜板上能够阻挡多普勒信号反射光穿过的网格，所述第一空间光调制器的掩膜板上能够阻挡多普勒信号反射光穿过的网格对应第二空间光调制器的掩膜板上多普勒信号反射光能够穿过的网格。
16.采用以上结构，第一空间光调制器和第二空间光调制器的编码图像严格互补，从而实现干涉图样的互补编码及压缩记录，结合重构解码算法，能够提高图像解码重构的精度。
17.作为优选：所述打靶收光模块包括第一分束镜、第一透镜、第二透镜、驱动光激光器、探针光激光器和光纤，所述驱动光激光器向目标靶发射超短脉冲激光，同时探针光激光器发射的探针光依次经光纤、第一透镜、第一分束镜和第二透镜成像在目标靶上，并反射回携带有目标靶冲击波信息的多普勒信号光，该多普勒信号光依次经第二透镜和第一分束镜引入干涉模块。
18.采用以上结构，能够稳定可靠地获得携带有目标靶冲击波信息的多普勒信号光。
19.作为优选：所述干涉模块包括第二反射镜、第三反射镜、第四分束镜和第五分束镜，所述第三反射镜上设置有标准具，从打靶收光模块引入的多普勒信号光先由第四分束镜一分为二，一路多普勒信号光经第二反射镜射向第五分束镜，另一路多普勒信号光经第三反射镜上的标准具延时后射向第五分束镜，第五分束镜分别对两路入射的多普勒信号光
汇聚形成的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光，并向第二分束镜出射。
20.采用以上结构，能够稳定可控地将目标靶待测反射面的速度变化信息转化为干涉条纹的移动，形成明暗变化，并最终易于被记录。
21.作为优选：所述干涉模块还包括第一反射镜，从打靶收光模块出射的多普勒信号光经第一反射镜反射后射向第四分束镜。
22.采用以上结构，能够简单可靠地改变光的传播路径，以更好地利用场地。
23.作为优选：所述第二光学条纹相机的狭缝完全打开。
24.采用以上结构，能够记录更多的信息，更好地配合实现二维冲击波速度场诊断。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果：
26.采用以上技术方案的一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器，通过线成像记录支路和压缩成像记录支路两种诊断支路的设计，线成像记录支路能够实现一维冲击波速度场演化过程诊断，压缩成像记录支路采用双通道互补编码结合条纹相机，实现了二维冲击波速度场诊断，其中，通过旋转线成像记录支路中的倒位棱镜，能够选择待测冲击波速度场不同弦切方向进行诊断，结合高精度的一维速度场演化信息，实现压缩成像记录支路二维速度场诊断的扫描校验，提高了二维动态信息的还原精度，进而完成二维冲击波速度场的高精度诊断；因此，本发明既明显优于只能测量一维空间上冲击波速度传输历程的一维visar，又明显优于仅能获得一个时间点的冲击波形貌的2d-visar。
附图说明
27.图1为二维冲击波速度场准连续诊断仪器的光路示意图；
28.图2为二值编码板的示意图。
具体实施方式
29.以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
30.如图1所示，一种二维冲击波速度场准连续诊断仪器，其主要包括打靶收光模块、干涉模块和记录模块。
31.打靶收光模块包括第一分束镜bs1、第一透镜l1、第二透镜l2、驱动光激光器3、探针光激光器4和光纤5。
32.其中，探针光激光器4的焦点位于光纤5的一端，第一透镜l1的焦点位于光纤5的另一端。驱动光激光器3向目标靶2的待测靶面发射超短脉冲激光，同时探针光激光器4发射的探针光依次经光纤5、第一透镜l1、第一分束镜bs1和第二透镜l2成像在目标靶2上，并反射回携带有目标靶2冲击波信息的多普勒信号光，多普勒信号光携带的目标靶2冲击波信息即为冲击波波阵面速度变化信息。最终，携带有目标靶2冲击波信息的多普勒信号光依次经第二透镜l2和第一分束镜bs1引入干涉模块。
33.干涉模块包括第二反射镜m2、第三反射镜m3、第四分束镜bs4和第五分束镜bs5，第三反射镜m3上设置有标准具e，标准具e用于起到延时的作用，以改变两路光出行时差，能够基于多普勒效应将目标靶2待测反射面的速度变化信息转化为干涉条纹的移动。
34.具体地说，从打靶收光模块引入的多普勒信号光先由第四分束镜bs4一分为二，一路多普勒信号光经第二反射镜m2射向第五分束镜bs5，另一路多普勒信号光经第三反射镜
m3上的标准具e延时后射向第五分束镜bs5，第五分束镜bs5分别对两路入射的多普勒信号光汇聚形成的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光，从而将多普勒信号光携带的目标靶2反射面速度变化信息转化为干涉条纹的移动，并最终由记录模块进行记录。
35.进一步地，干涉模块还包括第一反射镜m1，从打靶收光模块出射的多普勒信号光经第一反射镜m1反射后射向第四分束镜bs4，能够简单可靠地改变光的传播路径，以更好地利用场地。
36.请参见图1，记录模块包括第二分束镜bs2、线成像记录支路和压缩成像记录支路。其中，带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光由第二分束镜bs2一分为二，一路引入线成像记录支路，另一路引入压缩成像记录支路。
37.线成像记录支路包括第三透镜l3、倒位棱镜1和第一光学条纹相机c1，第二分束镜bs2出射的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光经第三透镜l3引向倒位棱镜1，经倒位棱镜1旋转干涉条纹移动的多普勒信号反射光后，最终由第一光学条纹相机c1记录。由于线成像记录支路中设置有倒位棱镜1，通过旋转倒位棱镜1能够实现不同弦切角度方向的选取，从而能够对待测冲击波速度场不同弦切方向进行诊断，因而能够结合高精度的一维速度场演化信息，实现压缩成像记录支路二维速度场诊断的扫描校验，进而完成二维冲击波速度场的高精度诊断。
38.请参见图1和图2，压缩成像记录支路包括第三分束镜bs3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7、第八透镜l8、第一空间光调制器dmd1、第二空间光调制器dmd2和第二光学条纹相机c2。其中，第一空间光调制器dmd1和第二空间光调制器dmd2上均设置有二值编码板，第三分束镜bs3与第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7和第八透镜l8的间距均相等，以使第五透镜l5分别与第六透镜l6和第七透镜l7以及第八透镜l8分别与第六透镜l6和第七透镜l7均构成光学4f系统。
39.因此，第二分束镜bs2出射的另一路带有干涉条纹移动的多普勒信号反射光先经第四透镜l4成像至一次像面ip处，再经第五透镜l5准直后由第三分束镜bs3一分为二，其中一路多普勒信号反射光经第六透镜l6成像至第一空间光调制器dmd1上，由第一空间光调制器dmd1反射回的带有编码的图像再依次经第六透镜l6、第三分束镜bs3和第八透镜l8后成像在狭缝完全打开的第二光学条纹相机c2上，另外一路多普勒信号反射光经第七透镜l7成像至第二空间光调制器dmd2上，由第二空间光调制器dmd2反射回的带有编码的图像再依次经第七透镜l7、第三分束镜bs3和第八透镜l8后成像在第二光学条纹相机c2上。
40.在压缩成像记录支路，首先利用第一空间光调制器dmd1和第二空间光调制器dmd2的二值编码板分别对两路的干涉图样进行编码采样，然后将编码采样到的每一幅干涉图样成像至第二光学条纹相机c2的狭缝处，完成对编码后的每一幅干涉图样的二维分辨记录。在第二光学条纹相机c2动态运行时，各幅编码后的干涉图样将进行移位叠加，并在第二光学条纹相机c2的ccd上进行压缩记录，然后利用二值编码板通过迭代计算，完成压缩图像的解压缩，得到各幅二维干涉图样，再从中解出速度信息，即可得到二维冲击波波阵面的速度传输历程。最后对二维冲击波速度进行适当的积分运算，可以获得二维冲击波波阵面形貌的准连续传输过程。同时，为了减少编码压缩过程中有效信息的丢失，本实施例设计了双通道互补采样光路，配合互补解码技术，能够进一步提高二维动态信息的还原精度。
41.本实施例中，第二光学条纹相机c2的狭缝完全打开，使第二光学条纹相机c2的狭
缝为矩形形状，能够简单可靠地实现对编码后的每一幅干涉图样的二维分辨记录。
42.进一步地，第一空间光调制器dmd1和第二空间光调制器dmd2均为数字微镜阵列，二值编码板为集成在数字微镜阵列上的掩膜板，掩膜板上设置有呈矩阵方式排列的网格a，其中一部分网格a多普勒信号反射光能够穿过，另一部分网格a能够阻挡多普勒信号反射光穿过。并且，由于金能够很好地阻碍多普勒信号反射光，且镀金的方式工艺简单，便于制作，因此，能够阻挡多普勒信号反射光穿过的部分网格a为通过镀金工艺在掩膜板上制成。
43.本实施例中，二维波阵面传输历程计算方法如下：
44.利用压缩成像记录支路得到二维干涉图样的编码压缩结果e(x,y)
45.e(x，y)＝tsci(x，y，t)
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(1)
46.式(1)中，e(x,y)是经过偏移压缩后记录于第二光学条纹相机c2的ccd上的二维图像，i(x,y,t)是待测二维干涉图样的时间演化数据，c是在第一空间光调制器dmd1或第二空间光调制器dmd2上进行的编码操作，s是第二光学条纹相机c2动态扫描形成的偏移操作，t是第二光学条纹相机c2的ccd的叠加记录操作。
47.为了反解上述方程以获得二维干涉图样演化数据i(x,y,t)，通常转化为下述方程的最小值求解：
[0048][0049]
式(2)中，λ是正则化参数，φ是正则化函数。
[0050]
通过迭代计算，从压缩后的图样中解压缩出每一帧二维干涉图样i(x,y,t)。通过各幅干涉图像i(x,y,t)，可以抽取出其中一维空间的干涉条纹变化过程i(x,y0,t)，然后解出该一维空间的速度变化过程v(x,y0,t)，利用此方式，可以解出每一个一维空间的速度变化过程，再通过组合构造即可得到整个二维冲击波的速度变化过程v(x,y,t)。结合冲击波波阵面的初始形貌p(x,y,t0)，通过对二维冲击波速度变化过程的各个时间点进行积分，即可得到每一个时间点的二维冲击波波阵面形貌p(x,y,t)。
[0051]
压缩成像记录支路中设计了双通道互补采样光路，第一空间光调制器dmd1和第二空间光调制器dmd2上的编码图像严格互补，即第一空间光调制器dmd1的掩膜板上多普勒信号反射光能够穿过的网格a对应第二空间光调制器dmd2的掩膜板上能够阻挡多普勒信号反射光穿过的网格a，第一空间光调制器dmd1的掩膜板上能够阻挡多普勒信号反射光穿过的网格a对应第二空间光调制器dmd2的掩膜板上多普勒信号反射光能够穿过的网格a。从而实现干涉图样的互补编码及压缩记录，结合重构解码算法，能够提高图像解码重构的精度。
[0052]
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。