基于飞秒激光电子激发标记(FLEET)的高超声速自由流速度测量
中科院力学所突破性研究成果
研究团队：李宇鹏，吴天舒，栗继伟，王业军，郭成龙，霍宇涛，汪球，赵伟
中国科学院力学研究所空天飞行高温气动全国重点实验室
一、研究背景与意义
随着航空航天技术向更高马赫数范围拓展，针对高超声速复杂流动特性的机理研究已成为提升飞行器性能及可靠性的关键前提。流场内存在的强湍流、激波/边界层干扰、高温真实气体效应、高温热化学非平衡以及极端气动热载荷等一系列复杂物理现象，对飞行器的设计与优化构成了严峻挑战，亟需从机理层面进行深入探究。
地面风洞设备作为模拟高超声速环境、揭示复杂流动规律的重要组成平台，为深入认知高速流动机理提供试验基础。在基于风洞设备开展相关实验时，高精度流场状态参数测量——如速度、温度、压力、密度及组分浓度等，是理解复杂流动结构、构建可靠物理模型并有效验证数值计算的重要基础。其中，速度作为表征高超声速流场状态的关键参数之一，其精确测量不仅对解析流动—传输耦合过程具有决定性意义，还可直接反映气体动能的空间分布，因此发展有效速度场测量技术，对高超声速飞行器的复杂流动机理认知、地面风洞设备流场品质评估以及热防护系统设计等方面具有重要意义。
二、FLEET技术原理与优势
飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electron Excitation Tagging，FLEET）技术于2011年由普林斯顿大学Michael等首次提出并成功应用于自由射流流场速度测量。该技术利用飞秒激光脉冲与空气中N₂分子相互作用，通过多光子电离过程产生等离子体，随后通过电子-离子复合过程形成激发态N₂分子，这些激发态分子在返回基态时会发射出特征荧光信号。
相较于其他分子标记测速技术，FLEET技术具有以下显著优势：
- 无需额外添加示踪粒子：FLEET技术直接利用空气中的N₂组分作为示踪粒子，显著降低了实验设计的复杂度，避免了传统粒子图像测速（PIV）技术中示踪粒子跟随性问题。
- 超快时间响应：飞秒激光脉冲宽度极短（<40 fs），能够实现对瞬态流动过程的精确捕捉。
- 宽流域适用范围：FLEET荧光信号的有效寿命可达微秒量级，具备极宽流域范围的速度空间分布测量能力，从低速到高超声速流动均可适用。
- 非接触式测量：作为光学测量技术，FLEET不会干扰流场本体，特别适用于高超声速等极端环境下的流场诊断。
三、TRC411 IsCMOS相机：实验成功的关键装备
在本次高超声速自由流速度测量实验中，中智科仪（SyncView）研发的TRC411-S-GS-F型像增强型IsCMOS相机发挥了至关重要的作用。该相机是专门为超快光学成像和弱光信号探测而设计的高端科学成像设备，其卓越的性能为FLEET技术在强猝灭环境和弱聚焦条件下的成功应用提供了坚实保障。
TRC411 IsCMOS相机的核心技术特点
超高灵敏度探测能力：TRC411相机采用像增强器与CMOS传感器耦合设计，具备单光子级别的探测灵敏度。在高超声速风洞实验中，FLEET荧光信号极其微弱，尤其是在空气介质中O₂分子和O原子的强猝灭作用下，荧光信号寿命大幅缩短、强度显著降低。TRC411相机凭借其超高灵敏度，成功捕获了这些微弱的瞬态荧光信号。
- 纳秒级时间分辨能力：该相机配备高精度门控电源，最小门宽可达3 ns，能够精确控制曝光时间，有效抑制背景噪声。在本实验中，相机门宽设置为800 ns，通过精确调节增益和延迟时间，实现了对高速运动FLEET标记线的清晰成像。
- 高空间分辨率成像：通过对成像采集系统进行标定，本实验获得的空间分辨率约为0.1442 mm/像素。这一高空间分辨率确保了FLEET荧光标记线中心位置的精确定位，为后续速度计算提供了可靠的数据基础。
- 优异的信噪比表现：在2 μs延时条件下，TRC411相机获得的单脉冲FLEET荧光图像信噪比良好；即使在8 μs和15 μs等更长延迟时间下，通过多脉冲累加（500-800个脉冲），仍能获得具有可用信噪比的FLEET荧光图像。
- 灵活的触发与同步功能：TRC411相机支持与飞秒激光器的高精度同步触发，确保在激光脉冲发射后的精确延迟时刻捕获图像，这对于基于飞行时间原理的速度测量至关重要。
四、JF-8A高超声速风洞与FLEET光学系统
本研究依托中国科学院力学研究所的JF-8A高超声速风洞平台开展。JF-8A风洞作为一座激波风洞和炮风洞兼用型的脉冲风洞，根据风洞的驱动模式和运行状态，风洞主体部分由高压段、低压段、喷管、实验段以及真空罐等组成。其中，高压驱动段和低压被驱动段长度分别为9.6 m和16.6 m，内径分别为150 mm和155 mm，型面喷管长为5 m，出口直径为800 mm，实验段内径和长度分别为2 m和3.2 m。
风洞采用高压空气作为驱动，可模拟来流单位雷诺数范围为5×10⁵/m–3.7×10⁷/m，马赫数范围为6.5–12，有效运行时间为5–30 ms。实验段顶部以及左右两侧均安装有光学观测窗口，便于开展高超声速流场显示以及激光测试相关实验。
图1 JF-8A高超声速风洞示意图
FLEET光学系统采用再生性放大钛蓝宝石飞秒激光器（Coherent, model: Astrella），其输出基础波长为800 nm，单脉冲能量大于7 mJ，脉冲宽度小于40 fs，频率为1 kHz。激光束通过一系列高反射率光学镜片组后提升并传输至风洞试验段顶部光学窗口上方，然后通过聚焦透镜（焦距f=1000 mm）将激光束聚焦于喷管出口流场中心区域。聚焦激光束在测试区域激发来流中的N₂产生光丝，在激光束穿过测试区域的垂直方向上使用TRC411 IsCMOS相机配备可见光相机镜头收集FLEET荧光信号。
五、实验结果与分析
静态FLEET信号衰减特性
实验首先研究了以空气为介质以及弱聚焦条件下的FLEET荧光信号衰减特性。800 nm激光输出脉冲能量为6 mJ，在通过一系列反射镜和试验段顶部光学窗口后到达待测区域的脉冲能量约为5 mJ。
图2显示了在200 Pa静态条件下FLEET信号随着延迟时间的变化情况。由图可以看出光丝信号强度随延迟时间增加而逐渐减弱。在2 μs延时条件下获得的单脉冲FLEET荧光图像信噪比还较好，随着延迟时间继续增加，单脉冲FLEET荧光信号迅速衰减，图像信噪比显著降低，只能通过多脉冲累加后获得信噪比极低的FLEET荧光图像。图中所展示的8 μs和15 μs延迟时间对应的FLEET荧光图像是分别通过累加500和800个飞秒激光脉冲所获得。
此外，随着延迟时间的增加，FLEET信号峰值强度明显减弱；同时信号分布的半高全宽值（FWHM）持续增加，这主要是由于低压条件下分子间的扩散效应导致FLEET光丝整体呈现展宽现象。
图2 静态低压FLEET光丝形貌变化（400 ns、2 μs、8 μs、15 μs）
自由流速度测量
图3显示了激波风洞和炮风洞两种运行模式下分别获得的初始时刻和一定延迟时间对应的FLEET荧光图像。正式实验过程中相机门宽设置为800 ns，相机增益随延迟时间不同而不同。实验过程中，试验段的压强约为30 Pa。
图中所展示的激波风洞和炮风洞运行模式对应的延迟时间分别为1.7 μs和1.9 μs。相较于初始位置，两种模式下随着延迟时间的增加，FLEET荧光标记线可以看到在空间上发生了明显的位移。此外，图中显示的有一定延迟时间对应的FLEET标记线相较初始时刻的标记线长，这主要是由于在初始时刻，FLEET信号较强，成像相机门宽及增益值均较低以避免图像过曝。
图3 有/无延迟时间对应的FLEET原始图像（激波风洞和炮风洞两种运行模式）
为降低确定FLEET荧光标记线中心位置引起的误差，对荧光标记线沿竖直方向进行积分并采用Voigt拟合方法确定信号强度峰值位置。图4分别展示了激波风洞和炮风洞运行模式下参考位置以及不同延迟时间对应的典型FLEET信号强度分布。
通过计算FLEET信号强度分布曲线半高全宽（FWHM）值，两种运行模式下的FWHM值相对于参考时刻均有一定程度展宽。在激波风洞运行模式下，通过参考时刻和一定延迟时间对应的强度曲线峰值差以及成像系统分辨率，在延迟时间为1.5 μs和1.7 μs条件下计算的喷管出口自由流平均速度分别为1043.8 m/s和1046.6 m/s，其2σ标准差为1.98 m/s。
该实验条件下，通过一维等熵流动计算得到的平均速度为1053.9 m/s，FLEET的测量结果与计算得到的平均速度偏差分别为1.00%与0.69%。此外，采用相同方法开展了炮风洞运行模式下喷管出口自由流速度测量。在延迟时间为1.7 μs和1.9 μs条件下测得的平均速度分别为993.9 m/s和996.4 m/s，其2σ标准差为1.77 m/s。该实验条件下通过一维等熵流动计算得到的平均速度为1000.9 m/s。FLEET测量结果与计算的偏差分别为0.69%和0.54%。
图4 不同延迟时间下FLEET光丝强度分布的Voigt拟合
|
编号 |
延时(μs) |
测量值(m/s) |
计算值(m/s) |
偏差(%) |
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I-1 |
1.5 |
1043.8 |
1053.9 |
1.00 |
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I-2 |
1.7 |
1046.6 |
1053.9 |
0.69 |
|
II-1 |
1.7 |
993.9 |
1000.9 |
0.69 |
|
II-2 |
1.9 |
996.4 |
1000.9 |
0.54 |
表1 实验测量值与数值计算结果对比
速度测量不确定度分析
速度测量不确定度取决于FLEET系统的光学成像设置、流动条件、以及数据处理方法等。本实验中，速度的计算公式为：V = K × Δx / Δt。
其中V代表测量得到的速度，K为该测量条件下的空间分辨率，Δx为在实验设置的延迟条件下光丝像素位置的变化，Δt为实验设置的延迟时间。
光丝像素位置的变化是通过Voigt拟合得到的，基于最小二乘法拟合得到的像素位置的不确定度为3.4%，对多次测量的空间分辨率的不确定度为1.2%，实验过程中相机本身的时序产生的误差在80 ns左右，由延迟时间产生的不确定度约为4.7%。代入计算模型可得到本实验速度的测量不确定度为5.92%。
该结果表明在强猝灭环境以及弱聚焦条件下FLEET技术能够实现速度准确测量，测量精度达到国际先进水平。
六、结论与展望
本文开展了有O₂存在的强猝灭环境以及弱聚焦条件下FLEET技术应用于高超声速自由流速度测量的应用研究。基于中国科学院力学研究所JF-8A高超声速风洞平台，实验首先研究了低压条件下不同延迟时间对FLEET信号的影响。相比于纯N₂环境下较长的FLEET信号有效寿命，空气环境中较短延时条件下获得的单脉冲FLEET图像信号强度较高，随着延迟时间的增加，由于聚焦区域内的O₂和O的存在导致FLEET信号快速衰减，荧光标记线由于扩散作用发生展宽现象。
随后开展了来流为Ma6.5，激波风洞和炮风洞两种运行模式下的喷管出口自由流速度测量。通过多次重复实验测得的两种模式下的平均自由来流速度分别为1045.2 m/s和995.2 m/s，对应2σ标准差分别为1.98 m/s和1.77 m/s，速度测量不确定度为5.92%。实验结果证实了FLEET技术能够有效测量强猝灭环境以及弱聚焦条件下的流场速度，这也为大尺度风洞和含N₂组分的多种气流介质的流场诊断提供技术支撑。
本研究的成功离不开中智科仪TRC411 IsCMOS相机的卓越性能支持。该相机凭借其超高灵敏度、纳秒级时间分辨能力和优异的信噪比表现，成功捕获了极端弱光条件下的FLEET荧光信号，为实验数据的准确获取提供了关键保障。这一成果也充分展示了国产高端科学仪器在国家级重大科研任务中的重要作用。
展望未来，FLEET技术结合TRC411等先进成像设备，将在以下领域展现更广阔的应用前景：
- 高超声速飞行器复杂流动机理研究：FLEET技术可用于测量激波/边界层干扰、分离流动等复杂流场的速度分布，为飞行器气动设计提供关键数据支撑。
- 高温真实气体效应研究：在超高速流动中，气体分子会发生振动激发、离解等真实气体效应，FLEET技术可用于研究这些效应对流场速度的影响。
- 多组分气流介质测量：FLEET技术不仅适用于空气介质，还可扩展应用于含N₂组分的多种气流介质，如燃烧产物、等离子体等复杂介质的速度测量。
- 大尺度风洞流场品质评估：随着航空航天技术的发展，大尺度风洞设备的重要性日益凸显，FLEET技术为这些设备的流场品质评估提供了有效手段。
总之，中科院力学所本项研究成果标志着我国在高超声速流场诊断技术领域取得了重要突破，为未来高超声速飞行器的研制提供了有力的技术支撑。
七、致谢
本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(XDB1050000)、国家自然科学基金项目(12272386)和国家重点研发计划(2023 YFF0718701)的资助。感谢中智科仪（SyncView）提供的TRC411 IsCMOS相机技术支持。感谢JF-8A风洞运行团队的支持与配合。
参考文献
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（本文基于《力学学报》网络首发论文撰写，原文标题：基于飞秒激光电子激发标记(FLEET)的高超声速自由流速度测量）。
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