СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБТЕКАНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА Российский патент 2013 года по МПК G01B9/25 G02B27/50 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в физике горения при исследовании процессов смешения, воспламенения и горения топлив, визуализации факелов пламени, истекающих из форсунок, в экспериментальной газовой динамике, на баллистических установках при изучении обтекания тел при сверхзвуковых скоростях, а также в других аналогичных областях.

Известен способ голографической визуализации обтекания движущихся тел на баллистических установках (см. В.Т. Черных. «Голографическая интерферометрия фазовых объектов» - Л.: «Наука», Ленинград. отд.-е, 1979 г. / А.Ф.Белозеров и др., с. 168-170 и 212-216) путем последовательной записи на регистрирующей среде объектной волны, прошедшей сквозь газодинамическое течение, и опорной волны.

Известен также способ голографической визуализации обтекания движущихся тел (см. Р. Кольер, К. Беркхарм, Л. Лин, «Оптическая голография» - М.: Мир, 1973 г., с.479), в котором последовательная регистрация объектной и опорной волн на регистрирующей среде производится двухэкспозиционным методом.

Наиболее близким техническим решением является способ голографической визуализации обтекания движущегося тела в условиях аэробаллистической установки (см. В.Т. Черных «Исследование движения тел в двухфазных потоках голографическим методом. / Духовский И.А., Ковалев П.А. и др., «Оптика и спектроскопия», т.63, в.5, с.1005-1008, 1987 г.) посредством двухлучевого интерферометра, содержащего оптически связанные лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры опорной и объектной ветвей, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде опорного волнового фронта и объектного волнового фронта, прошедшего сквозь газодинамическое течение около движущегося тела, перпендикулярно вектору скорости потока.

Недостатком известных способов являются ограниченные технологические возможности при голографической визуализации обтекания движущегося тела, обусловленные тем, что посредством этих способов исследуемое газодинамическое течение просвечивают только по нормали к вектору скорости потока, как в меридиональной, так и в сагиттальной плоскостях. Полученные голографические интерферограммы используют для расчета распределения поля плотностей в указанных плоскостях в различных сечениях потока, как в головной ударной волне, так и в следе за движущимся телом.

Однако представляет практический интерес изучение обтекания тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью, в том случае, когда объектный волновой фронт направляют вдоль траектории движения тела, а волновой фронт просвечивает поток навстречу вектору скорости движущегося тела.

Задачей изобретения является расширение технологической возможности способа голографической визуализации обтекания движущихся тел.

Технический результат достигается тем, что в способе голографической визуализации обтекания движущегося тела посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде узла регистрации голограммы опорного пучка и объектного пучка, при этом объектным пучком просвечивает рабочую зону, движущееся тело фокусируют при помощи проекционного объектива в плоскость регистрирующей среды, а голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует, согласно предлагаемому изобретению, рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку, а при второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор $$\overrightarrow{E}$$ которого параллелен вектору $$\overleftarrow{V}$$ скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан двухлучевой интерферометр для реализации предлагаемого способа голографической визуализации обтекания движущегося тела.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - лазер,

2 - светоделитель,

3 - коллиматор объектной ветви,

4 - первая плоскопараллельная пластина (первое зеркало объектной ветви),

5 - вторая плоскопараллельная пластина (второе зеркало объектной ветви),

6 - проекционный объектив,

7 - узел регистрации голограммы,

8 - первое зеркало опорной ветви,

9 - второе зеркало опорной ветви,

10 - коллиматор опорной ветви,

11 - рабочая зона,

12 - отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине,

13 - исследуемое тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью.

Двухлучевой интерферометр содержит оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей. Двухлучевой интерферометр содержит оптически связанные лазер 1, светоделитель 2 для образования опорной и объектной ветвей, коллиматор 3 объектной ветви, рабочую зону 11, систему зеркал объектной ветви, проекционный объектив 6 и узел 7 регистрации голограммы, систему зеркал опорной ветви, состоящую из первого 8 и второго 9 зеркал, коллиматор 10 опорной ветви.

В двухлучевом интерферометре система зеркал объектной ветви выполнена в виде первой 4 и второй 5 плоскопараллельных пластин, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку.

Во второй плоскопараллельной пластине 5 выполнено отверстие 12, диаметр которого больше диаметра исследуемого тела 13, движущегося со сверхзвуковой скоростью.

Система зеркал объектной ветви установлена в рабочей зоне 11, между коллиматором 3 объектной ветви и проекционным объективом 6.

Согласно предлагаемому способу голографической визуализации обтекания движущегося тела 13, при помощи описанного двухлучевого интерферометра, в плоскости регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы последовательно записывают опорный W_оп и объектный W_об световые пучки. Объектным пучком W_об просвечивают рабочую зону 11. Посредством проекционного объектива 6 фокусируют движущееся тело 13 в плоскость регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы. Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело 13 в рабочей зоне 11 отсутствует. Рабочую зону 11 образовывают при помощи первой 4 и второй 5 плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку.

При второй экспозиции в рабочую зону 11 сквозь отверстие 12, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале 5, направляют тело 13, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется. В это время в рабочей зоне 11 распространяют объектный пучок W_об, вектор $$\overrightarrow{E}$$ которого параллелен вектору $$\overleftarrow{V}$$ скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.

Пример конкретного выполнения.

Когерентное излучение от лазера 1 посредством светоделителя 2 делится на опорный W_оп и объектный W_об световые пучки. Это пучки поступают, соответственно, в коллиматоры 3 и 10 объектной и опорной ветвей. Далее объектный пучок W_об отражается от первой плоскопараллельной пластины (зеркала) 4, просвечивает рабочую зону 11 и, отразившись от второй плоскопараллельной пластины (зеркала) 5, поступает в проекционный объектив 6. Проекционный объектив 6 сопрягает плоскость рабочей зоны 11 с плоскостью регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы.

Опорный пучок W_оп с помощью зеркал 8 и 9 вводится в коллиматор 10 опорной ветви. Опорный пучок W_оп поступает в плоскость регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы под некоторым углом θ к объектному пучку W_об.

Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом.

За время первой экспозиции объект исследования (исследуемое движущееся тело 13) в рабочей зоне 11 отсутствует.

При второй экспозиции в рабочую зону 11 сквозь отверстие 12, выполненное во второй плоскопараллельной пластине (зеркале) 5, поступает тело 13, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется.

Как показано на чертеже, в это время в рабочей зоне 11 распространяется объектный пучок W_об, вектор $$\overrightarrow{E}$$ которого параллелен вектору $$\overleftarrow{V}$$ скорости исследуемого тела 13, но противоположен по направлению.

При восстановлении волновых фронтов с голограммы получают интерференционную картинку, полосы которой имеют концентрическую форму и соответствуют плоскости наблюдения, перпендикулярной оптической оси объектной ветви. Эти полосы соответствуют линиям равной плотности и будут характеризовать радиальное распределение плотности около движущегося тела.

Такое решение авторами предложено впервые в практике газодинамических исследований.

Следует отметить, что при исследовании обтекания тел (например, модель сфера), создающих осесимметричные течения, разброс по траектории движения достаточно мал, и диаметр отверстия в пластине (зеркале) 5 может превышать на несколько миллиметров диаметр тела. При решении других баллистических задач диаметр отверстия в пластине (зеркале) 5 должен выбираться с учетом разброса траектории движения тела.

Таким образом, создан новый способ, позволивший расширить технологические возможности при голографической визуализации обтекания движущегося тела.

Использование предлагаемого способа позволит получать голографические интерферограммы, соответствующие фронтальному просвечиванию газодинамического течения, и тем самым получать количественные сведения о распределении плотности в радиальном направлении.

Способ реализуют посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы. Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом. При первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует. Рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку. При второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор $$\overrightarrow{E}$$ которого параллелен вектору $$\overleftarrow{V}$$ скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению. Технический результат - расширение технологической возможности способа голографической визуализации обтекания движущихся тел за счет получения распределении плотности в радиальном направлении путем фронтального просвечивания газодинамического течения. 1 ил.

Способ голографической визуализации обтекания движущегося тела посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде узла регистрации голограммы опорного пучка и объектного пучка, при этом объектным пучком просвечивает рабочую зону, движущееся тело фокусируют при помощи проекционного объектива в плоскость регистрирующей среды, а голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует, отличающийся тем, что рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку, а при второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор $$\overrightarrow{E}$$ которого параллелен вектору $$\overleftarrow{V}$$ скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.