一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置

1.本发明涉及航空发动机状态监测技术领域，尤其涉及到一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置。


背景技术：

2.航空发动机尾喷流场是高温高速的燃烧流场，其中流场中的颗粒物的种类和数量，体现了航空发动机气路的健康状态。
3.然而，由于高温高速，颗粒物难以被捕获进行原子光谱的激发，进而针对航空发动机机尾喷流场中颗粒异物的航空发动机状态监测实现难度大。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置，旨在通过对无衍射光阱位置的调控，航空发动机尾喷中颗粒物在无衍射光阱的约束作用下，将颗粒物逐步推向尾喷侧，实现航空发动机尾喷中颗粒物的收集，解决目前针对航空发动机尾喷流场中颗粒异物的航空发动机状态监测实现难度大的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置，包括：
6.激光器，所述激光器用于生成平行激光，提供光阱所需能量；
7.axicon透镜，所述axicon透镜用于利用所述平行激光生成无衍射光束，以获得用于捕获航空发动机尾喷流场颗粒异物的光阱；
8.变焦透镜组，所述变焦透镜组用于对所述无衍射光束的位置进行调控，以使所述光阱将所述航空发动机尾喷流场颗粒异物推向尾喷侧。
9.可选的，所述无衍射光束和所述axicon透镜的参数表达式为：
10.z
max
＝r
·
[cotη
3-tanθ]；
[0011]
其中，z
max
为axicon透镜圆锥顶点出发在光轴上最大的无衍射区域，r为axicon透镜的半径，η3为出射光束与轴锥的夹角，θ为axicon透镜的锥角。
[0012]
可选的，所述变焦透镜组包括透镜a和透镜b，所述透镜a用于将axicon透镜生成的无衍射光束在透镜b的物方空间中转换成环形光源，所述透镜b用于将所述环形光源转换为具有新参数的无衍射光束。
[0013]
可选的，所述透镜a和透镜b对无衍射光束的调控关系的表达式为：
[0014]
l2＝f2(f
12
f1f
2-f2l1)/f
12
；
[0015]
其中，l1为axicon透镜到透镜a的距离，l2为透镜b到具有新参数的无衍射光束的距离，f1为透镜a到环形光源的距离，f2为透镜b到环形光源的距离。
[0016]
可选的，所述透镜a和透镜b的相对位置受控移动。
[0017]
可选的，所述激光器与所述axicon透镜之间的夹角满足如下约束条件：
[0018][0019]
其中，η为激光器发出的平行光束照射在axicon透镜入射平面的夹角，θ为axicon透镜的锥角，n为axicon透镜的折射率，λ为激光器发出的波长，z为无衍射光束的传播方向上的距离。
[0020]
可选的，所述激光器固定于固定台，通过自由度可调节的手动微调装置对出射激光器在空间方位角进行调整。
[0021]
可选的，所述激光器和所述axicon透镜的相对距离通过夹具进行固定和调整。
[0022]
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法，用于如上所述的航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置，包括以下步骤：
[0023]
通过激光器生成平行激光，提供光阱所需能量；
[0024]
通过axicon透镜利用所述平行激光生成无衍射光束，以获得用于捕获航空发动机尾喷流场颗粒异物的光阱；
[0025]
通过变焦透镜组对所述无衍射光束的位置进行调控，以使所述光阱将所述航空发动机尾喷流场颗粒异物推向尾喷侧。
[0026]
本发明提出了一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置，该装置包括激光器、axicon透镜和变焦透镜组，所述激光器用于生成平行激光，提供光阱所需能量，所述axicon透镜用于利用所述平行激光生成无衍射光束，以获得用于捕获航空发动机尾喷流场颗粒异物的光阱，所述变焦透镜组用于对所述无衍射光束的位置进行调控，以使所述光阱将所述航空发动机尾喷流场颗粒异物推向尾喷侧。本发明通过对无衍射光阱位置的调控，航空发动机尾喷中颗粒物在无衍射光阱的约束作用下，将颗粒物逐步推向尾喷侧，实现航空发动机尾喷中颗粒物的收集，解决目前针对航空发动机尾喷流场中颗粒异物的航空发动机状态监测实现难度大的技术问题。
附图说明
[0027]
图1为本发明航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置的示意图；
[0028]
图2为本发明axicon透镜的无衍射光学示意图；
[0029]
图3为本发明平行激光束垂直照射在axicon透镜入射面的示意图；
[0030]
图4为本发明平行激光束以一定角度照射在axicon透镜入射面的示意图；
[0031]
图5为本发明axicon透镜的非无衍射区的示意图；
[0032]
图6为本发明非无衍射区对应的泊松衍射斑的示意图；
[0033]
图7为本发明变焦透镜组对无衍射光束参数调控的原理示意图。
[0034]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0035]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
[0036]
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于发明保护的范围。
[0037]
需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0038]
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
[0039]
容易理解的，航空发动机尾喷流场是高温高速的燃烧流场，其中流场中的颗粒物的种类和数量，体现了航空发动机气路的健康状态。然而，由于高温高速，颗粒物难以被捕获进行原子光谱的激发，进而针对航空发动机机尾喷流场中颗粒异物的航空发动机状态监测实现难度大
[0040]
为了解决这一问题，提出本发明的航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置的各个实施例。本发明提供的航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法及装置，通过对无衍射光阱位置的调控，航空发动机尾喷中颗粒物在无衍射光阱的约束作用下，将颗粒物逐步推向尾喷侧，实现航空发动机尾喷中颗粒物的收集，解决目前针对航空发动机尾喷流场中颗粒异物的航空发动机状态监测实现难度大的技术问题。
[0041]
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置的示意图。
[0042]
本实施例提供一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置，该装置包括：
[0043]
(1)激光器：激光器发出一定能量的平行激光，为航空发动机尾喷流场中颗粒物约束所需的光阱提供能量。
[0044]
(2)axicon透镜：axicon透镜是将激光器发出的平行激光生成无衍射光束，该无衍射光束的参数与axicon透镜的参数对应如式(1)和图2所示，其中形成的无衍射激光束，能更好的实现激光聚集，形成光阱，更好的对光场中微小颗粒物受光压束缚在光阱处，改变无衍射光束位置，就可使颗粒物随无衍射光阱移动。
[0045]
光束经空气到axicon透镜再空气，axicon透镜圆锥顶点出发在光轴上最大的无衍射区域z
max
为：
[0046]zmax
＝r
·
[cotη
3-tanθ]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
在圆锥透镜角θ很小时上两式可近似简化为：
[0048]
η3＝(n-1)θ；
[0049]zmax
≈rcot[(n-1)θ]。
[0050]
(3)光学透镜组：变焦透镜组是由透镜a与透镜b构成，无衍射激光束通过透镜组后，其中无衍射激光束的参数会受到透镜组参数的调控，包含无衍射激光束出现的位置，该变焦透镜组对无衍射光束的调控对应关系如式(2)，同时该透镜组相对位置可连续运动控制，也即该透镜组的透镜b相对于透镜a可连续移动。
[0051]
l2＝f2(f
12
f1f
2-f2l1)/f
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0052]
容易理解的，本实施例中，航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获原理，具体为：
[0053]
首先，激光器发射出平行激光，并照射至axicon透镜上，平行激光束经过axicon透镜后形成无衍射光束；无衍射光束照射在变焦透镜组上，该变焦透镜组有透镜a与透镜b构
成，无衍射光束在变焦透镜组的作用下，形成调控后的无衍射光束，变焦透镜组对无衍射光束的调控影响对应颗粒物出现在航空发动机尾喷流场后，调控后的无衍射光束将对颗粒物形成光阱，将颗粒物约束在距离变焦透镜组l2处，再通过变焦透镜组的内部参数的改变，就形成对l2位置的改变，基于该基理实现对航空发动机流场颗粒物的捕获操控。
[0054]
axicon透镜产生无衍射光束的原理：激光器发射平行激光器以平面波在垂直和与一定角度照射axicon透镜时，具体包括：
[0055]
(1)激光器发射出的平行激光束垂直(η＝0)照射在axicon透镜的入射面上，如图3所示，通过axicon透镜将入射的平行激光束转换成无衍射光束，该激光束与axicon透镜的几何参数和无衍射传播距离之间的对应关系为z
max
≈rcot[(n-1)θ]，在该范围内z
max
，axicon透镜产生的光束均服从无衍射特性，也即光强能量密度在沿光斑中心的极径方向上的整体分布都服从第一类零阶贝塞尔函数，超过该范围axicon透镜生成的无衍射光束将迅速衰减，尤其是光轴上的强度，其中r对应为axicon透镜的半径，θ为axicon透镜的锥角，n为axicon透镜的折射率。
[0056]
(2)激光器发射出的平行激光束以一定角度(η不等于0)照射在axicon透镜的入射面上时，如图4所示，axicon透镜后的在一定范围内仍然服从无衍射传播特性，但是其无衍射传播的距离和能量分布将受到一定的影响。
[0057]
(3)axicon透镜在倾斜激光照射时，可能会出现无衍射光斑的分裂，为了确保无衍射光斑中心光的能量不分裂，以更好的实现对航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕，在对axicon透镜安装时需要确保激光器与axicon透镜之间的夹角满足如下约束条件：
[0058][0059]
其中，η对应为激光器发出的平行光束照射在axicon透镜入射平面的夹角，其中r对应为axicon透镜的半径，θ为axicon透镜的锥角，n为axicon透镜的折射率，λ为激光器发出的波长，z为无衍射光束的传播方向上的距离。
[0060]
(4)在axicon透镜的非无衍射区(也就是折射阴影区)如图5所示。
[0061]
在axicon的光学的几何阴影区，也即是z》zmax的区域内时，其中的光的强度是衍射的光强分布如下式：
[0062][0063]
该区域内的光强是典型的衍射泊松斑，在不同传播距离的泊松衍射斑，如图6所示，虽然光强服从贝塞尔函数的分布，但是其光的强度等级相对于无衍射区域差至少2个等级。因此，基于axicon区域的能量分布特征，当航空发动机尾喷中的颗粒物更能形成光阱，可以充分捕获一定尺度的颗粒物。
[0064]
变焦透镜组对无衍射光束参数调控原理为：其原理结构如图7所示，激光器发出的激光照射在axicon透镜上后，产生的无衍射光束照射在透镜a上，透镜a将axicon透镜无衍射光束在透镜b的物方空间中转换成一个近似理想的环形光源，该环形光源在透镜b的像方空间，经过透镜b的作用后，就产生为具有新参数的无衍射光束。
[0065]
在透镜b后的l2对应关系如下，
[0066][0067]
利用变焦透镜组对对无衍射光束的变换特性，可通过变焦透镜组中的调整f1/f2的比率，即可实现对无衍射光斑中心直径和无衍射传播的距离条件，同时通过该参数的变化实现光束无衍射区沿光轴整体平移，即可实现航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获。
[0068]
装置结构：激光器固定安装在固定台，激光器带有平行准直的功能，该调节是通过对激光器上的旋钮手动调整完成，同时该激光器还带有两个自由度可调节的手动微调装置，可以通过手动调整方式实现对出射激光器在空间方位角的调整；axicon透镜与激光器的相对距离是通过夹具固定，通过激光器上的调节旋钮实现对激光器的准直，同时再通过激光器上的两个微调旋钮调节，将激光器的出射方向与axicon透镜的面垂直，目的让激光器能够垂直入射至axicon透镜的光学面，尽减小平行倾斜入射axicon透镜所带来的倾入射影响。
[0069]
本实施例中，提供一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置，通过对透镜组参数的改变，实现了对无衍射光阱距离调控，通过对无衍射光阱位置的调控，航空发动机尾喷中颗粒物在无衍射光阱的约束作用下，将颗粒物逐步推向尾喷侧，实现了航空发动机尾喷中颗粒物的收集。
[0070]
本实施例还提供一种航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法，用于如前所述的航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获装置，包括如下步骤：
[0071]
通过激光器生成平行激光，提供光阱所需能量；
[0072]
通过axicon透镜利用所述平行激光生成无衍射光束，以获得用于捕获航空发动机尾喷流场颗粒异物的光阱；
[0073]
通过变焦透镜组对所述无衍射光束的位置进行调控，以使所述光阱将所述航空发动机尾喷流场颗粒异物推向尾喷侧。
[0074]
本发明航空发动机尾喷流场颗粒异物光阱捕获方法的其他实施例或具体实现方式可参照上述各装置实施例，此处不再赘述。
[0075]
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。