本發(fā)明涉及激光移除空間碎片和激光推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

沖量耦合系數(shù)是激光推進(jìn)和激光移除空間碎片領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方面，它定義為激光燒蝕靶材過(guò)程中產(chǎn)生的靶動(dòng)量與入射激光能量的比值，它反映了激光能量轉(zhuǎn)化為靶動(dòng)量的能力。為了適應(yīng)不同的推力測(cè)量需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了多種測(cè)量系統(tǒng)，包括扭擺結(jié)構(gòu)、天平結(jié)構(gòu)、單擺結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和形變結(jié)構(gòu)等。激光沖量耦合過(guò)程中微小位移量的測(cè)量方法包括高速攝影和光學(xué)方法。然而，這些結(jié)構(gòu)大部分為接觸式系統(tǒng)，依靠運(yùn)動(dòng)參數(shù)難以克服摩擦因素隨機(jī)的影響，增加了沖量耦合系數(shù)測(cè)量的不確定度。

對(duì)于具有高斯波形的激光，雖然脈寬極短，但是均存在一個(gè)激光功率密度突破閾值產(chǎn)生推力，推力從無(wú)到有，再下降到零的過(guò)程。采用pvdf或pcb壓電傳感器可實(shí)現(xiàn)推力波形測(cè)量，但其對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集響應(yīng)頻率要求較高，動(dòng)態(tài)標(biāo)定困難。由于激光燒蝕作用過(guò)程非常短暫，大部分的常規(guī)測(cè)量手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)推力加載過(guò)程的原位測(cè)量，無(wú)法再現(xiàn)激光燒蝕推力的加載歷史。研究該推力的加載歷史，不僅能夠獲得激光脈沖的沖量耦合系數(shù)，而且在提升激光沖量耦合效率和機(jī)理研究方面具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法。該方法通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：在真空靶室中進(jìn)行激光打靶，利用成像型速度干涉儀測(cè)量界面粒子速度。基于應(yīng)力波理論，采用流場(chǎng)反演的方法對(duì)靶前表面的推力加載歷史進(jìn)行反演，對(duì)推力加載歷史進(jìn)行時(shí)間積分得到激光燒蝕沖量，最后，獲得待測(cè)材料的激光沖量耦合系數(shù)。

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：固定待測(cè)樣品，避免動(dòng)態(tài)標(biāo)定的不確定性。基于應(yīng)力波理論，在獲得激光燒蝕推力加載歷史的同時(shí)實(shí)現(xiàn)沖量耦合系數(shù)的測(cè)量。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)在真空靶室內(nèi)設(shè)置有三維平移臺(tái)，三維平移臺(tái)其上設(shè)置有靶并能夠使靶在三維空間內(nèi)調(diào)整角度與位置；利用前向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡和反射鏡對(duì)成像型干涉儀的探測(cè)激光與相對(duì)窗口入射的入射激光光路進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證它們?cè)谕粭l直線上，利用側(cè)向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡和平行的兩組反光鏡對(duì)靶平面的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證入射激光垂直輻照在靶平面上；

2)入射激光聚焦在靶上產(chǎn)生燒蝕壓力，采用時(shí)間同步及延時(shí)系統(tǒng)，成像型速度干涉儀對(duì)靶界面處的速度干涉條紋進(jìn)行記錄；

3)將采集到的原始干涉條紋信號(hào)(界面原位粒子速度歷史)經(jīng)過(guò)圖像處理/讀取后得到粒子速度與時(shí)間的關(guān)系曲線；

4)基于應(yīng)力波理論，采用先時(shí)間后空間的反演方法，以界面粒子速度歷史作為輸入條件，將界面粒子速度歷史曲線讀取為(時(shí)間,速度)形式的二元數(shù)組。將數(shù)組代入流體力學(xué)方程，反向推導(dǎo)出靶前表面的推力加載歷史，具體形式如下:

流場(chǎng)各物理量隨時(shí)域和空域連續(xù)變化，滿足拉格朗日坐標(biāo)下的流體力學(xué)質(zhì)量守恒、力學(xué)響應(yīng)和動(dòng)量守恒方程：

其中x、t、σx、ρ0、u、ε、τ分別表示長(zhǎng)度、時(shí)間、縱向應(yīng)力、初始密度、粒子速度、體應(yīng)變和剪應(yīng)力。將流體力學(xué)方程組進(jìn)行時(shí)間離散，具體差分格式如下：

v(x+dx,t)＝f(p(x+dx,t))(5)

然后以界面粒子速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行空間反演計(jì)算。對(duì)于帶窗口靶，在反演計(jì)算前，需要給出界面處的應(yīng)力歷史和比體積歷史。在具體的計(jì)算過(guò)程中，第1步對(duì)界面處進(jìn)行全時(shí)間過(guò)程計(jì)算，求出其相鄰點(diǎn)處的應(yīng)力歷史；第2步求解該點(diǎn)處的應(yīng)變歷史；第3步求解該點(diǎn)處的速度歷史。最后，依次沿空間向內(nèi)部推進(jìn)，求解整個(gè)流場(chǎng)，獲得加載面處的推力加載歷史，即推力與時(shí)間的關(guān)系曲線。

該過(guò)程可由matlab或其它自編程序?qū)崿F(xiàn)。

5)對(duì)靶前表面的推力加載歷史進(jìn)行時(shí)間積分(即推力-時(shí)間曲線下的面積，可通過(guò)origin等圖像分析軟件計(jì)算)：

mδv＝∫psdt(7)

其中p為推力加載歷史，s為激光焦斑面積。積分后獲得激光燒蝕產(chǎn)生的沖量。最后，依據(jù)激光沖量耦合系數(shù)的定義，即可獲得激光沖擊耦合系數(shù)。

其中，靶由微米級(jí)厚度的待測(cè)樣品和窗口材料組成，是通過(guò)采用電子束氣相沉積的方法將待測(cè)樣品沉積在窗口材料上，或者使待測(cè)樣品均勻無(wú)間隙的附著在窗口材料上而制成。

其中，窗口材料選用具有與待測(cè)樣品波阻抗值近似的透明材料。

進(jìn)一步地，當(dāng)待測(cè)樣品為鋁時(shí)，窗口材料為lif。

本發(fā)明提出的種基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法中，采用帶窗口的靶結(jié)構(gòu)固定待測(cè)樣品，將動(dòng)態(tài)標(biāo)定轉(zhuǎn)為靜態(tài)標(biāo)定，能夠?qū)崿F(xiàn)激光燒蝕推力波形和沖量耦合系數(shù)的精確測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、真空靶室；2、三維平移臺(tái)；3、前向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡；4、入射激光；5、干涉儀探測(cè)激光；6、側(cè)向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡；7、時(shí)間同步及延時(shí)系統(tǒng)；8、成像型速度干涉儀(visar)；9、靶；10、反光鏡。

圖2是本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中使用的靶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法中實(shí)測(cè)的速度干涉條紋圖。

圖4是本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法中界面粒子速度與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。

圖5是本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法中加載面處的推力加載歷史。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但這些僅僅是示例性的，并不旨在對(duì)其保護(hù)范圍進(jìn)行任何限定。

參見(jiàn)圖1，圖1顯示了本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可以看出，在基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置有真空靶室1，在真空靶室1內(nèi)設(shè)置有三維平移臺(tái)2，三維平移臺(tái)2其上設(shè)置有靶9，并能夠使靶9在三維空間內(nèi)調(diào)整角度與位置。利用前向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡3和反射鏡10，對(duì)成像型速度干涉儀8的探測(cè)激光5與相對(duì)窗口入射的入射激光4光路進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證它們?cè)谕粭l直線上。利用側(cè)向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡6和平行的兩組反光鏡對(duì)靶平面的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證入射激光垂直輻照在靶平面上。采用時(shí)間同步及延時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)成像型速度干涉儀，使成像型速度干涉儀對(duì)靶界面處的速度干涉條紋進(jìn)行記錄。其中，前向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡3用來(lái)監(jiān)測(cè)入射激光4和干涉儀探測(cè)激光5的光路，側(cè)向監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡6用來(lái)入射激光聚焦在靶上產(chǎn)生燒蝕壓力。

參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中使用的待測(cè)樣品所組成的靶結(jié)構(gòu)，其由微米級(jí)厚度的待測(cè)樣品和窗口材料組成。采用該結(jié)構(gòu)能夠時(shí)使待測(cè)樣品在推力加載過(guò)程中保持靜止，避免動(dòng)態(tài)標(biāo)定過(guò)程中的不確定性。窗口材料應(yīng)選用具有與待測(cè)樣品波阻抗值近似的透明材料，例如：鋁采用的窗口為lif。通常采用電子束氣相沉積的方法將待測(cè)樣品沉積在窗口材料上，或者使待測(cè)樣品均勻無(wú)間隙的附著在窗口材料上。

以下詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的基于流場(chǎng)反演的激光沖量耦合系數(shù)測(cè)量方法，

實(shí)驗(yàn)中使用能量為86j，焦斑直徑為792μm的激光進(jìn)行打鋁靶實(shí)驗(yàn)。具有高斯波形的激光直接燒蝕靶材，將形成準(zhǔn)等熵的加載過(guò)程。成像型速度干涉儀利用光在運(yùn)動(dòng)表面反射時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻移引起干涉條紋移動(dòng)的原理，根據(jù)條紋移動(dòng)與反射面運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)界面速度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采集到的原始干涉信號(hào)即為界面粒子速度的時(shí)間歷史(如圖3)，讀取圖像可得到界面粒子速度與時(shí)間的關(guān)系曲線(如圖4)。

將界面粒子速度歷史曲線讀取為(時(shí)間,速度)形式的二元數(shù)組。將數(shù)組代入流體力學(xué)方程，采用流場(chǎng)反演反積分的方法，反向推導(dǎo)出靶前表面的推力加載歷史,具體方法如下：

準(zhǔn)等熵壓縮流場(chǎng)各物理量隨時(shí)域和空域連續(xù)變化，滿足拉格朗日坐標(biāo)下的流體力學(xué)質(zhì)量守恒、力學(xué)響應(yīng)和動(dòng)量守恒方程：

其中x、t、σx、ρ0、u、ε、τ分別表示長(zhǎng)度、時(shí)間、縱向應(yīng)力、初始密度、粒子速度、體應(yīng)變和剪應(yīng)力。將流體力學(xué)方程組進(jìn)行時(shí)間離散，具體差分格式如下：

v(x+dx,t)＝f(p(x+dx,t))(5)

然后以界面粒子速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行空間反演計(jì)算。對(duì)于帶窗口靶，在反演計(jì)算前，需要給出界面處的應(yīng)力歷史和比體積歷史。在具體的計(jì)算過(guò)程中，第1步對(duì)界面處進(jìn)行全時(shí)間過(guò)程計(jì)算，求出其相鄰點(diǎn)處的應(yīng)力歷史；第2步求解該點(diǎn)處的應(yīng)變歷史；第3步求解該點(diǎn)處的速度歷史。最后，依次沿空間向內(nèi)部推進(jìn)，求解整個(gè)流場(chǎng)，獲得加載面處的推力加載歷史(如圖5)。從圖中可以讀出，實(shí)驗(yàn)中加載峰值壓力達(dá)到～18gpa，壓力上升前沿為～17ns。

本發(fā)明采用matlab實(shí)現(xiàn)該計(jì)算，關(guān)鍵計(jì)算指令如下：

(5)對(duì)靶前表面的推力加載歷史進(jìn)行時(shí)間積分：

mδv＝∫psdt(7)

其中p為推力加載歷史，s為激光焦斑面積，即可計(jì)算出激光輻照后靶獲得的動(dòng)量為185.89μn·s。依據(jù)激光沖量耦合系數(shù)的定義，可得到激光沖擊耦合系數(shù)cm＝mδv/e＝2.187μn·s/j。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)的原理前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍。