动态变化场的高速高精度实时干涉检测

　　0 引言

　　目前，在许多领域通过对动态变化场进行瞬态检测从而获取重要信息：ICF 系统中高能瞬态脉冲激光波前畸变的检测;微重力环境下对空间单相和两相流动速度场、表面形变等物理量进行实时检测;流场的空间位置的密度分布测量等。这些信息可以利用干涉数字化波前检测的方法得到。但是通常的时间位相调制方法无法检测一个瞬态的变化场[1-3] 。因此迫切需要快速实时化高精度实现波前检测。文中介绍了一种基于空间位相调制的径向剪切干涉光学系统[4]，简述了瞬态波前径向剪切干涉原理及数据处理流程，建立了新颖的高速图像采集同步控制系统，使得激光脉冲和摄像机快门曝光进行同步匹配，可以连续采集多幅携带动态变化场信息的干涉图像，并且已用于ICF 等系统的脉冲波前畸变的检测。最后叙述了其在多个领域广泛的应用前景。

　　1 瞬态波前径向剪切干涉原理及数据处理

　　瞬态波前径向剪切干涉系统原理及数据处理流程如图1 所示。环形径向剪切系统由分光板S、反射镜M1、M2和一个伽利略系统组成， 被测波前经分光板S 分成两路进入由伽利略望远系统构成的环形径向剪切干涉系统，产生的扩、缩束光束形成径向剪切波面：准OPD(ρ ,θ )=W(ρ ,θ )-W(βρ ,θ )， 其中W 为被测波前,ρ 和θ 为极坐标的极径和极角,β 为径向剪切比,且β=f2′/f1′。由于两路光分别沿相反方向传播但路径相同，因此形成稳定的共路干涉。

　　此时,将分光板S 倾斜一个角度α,决定空间位相调制的载波大小f0， 剪切波面信息便加载到了载波上， 带有线性载波的该条纹信息经成像系统成像在CCD 上， 图像采集系统将灰度信号转换成数据量送入计算机， 得到径向剪切干涉图的数据(至图1 中I模块)。

　　根据图1 下部所示的数据处理流程，利用傅里叶光学信息处理方法及迭代重构即得到原始波面[5-7] 。图中A 和B 分别是strehl 比和径向剪切波前重构的流程。为了论证上述空间位相调制理论和波前重构算法的正确性和精度,先进行了系统仿真实验， 用计算机模拟了一具有较大畸变的原始波前，以及通过径向剪切干涉系统后产生的干涉图，然后用上述的数学模型对干涉图进行处理，恢复得到原始波面位相，与模拟波面位相比较就可得到系统的理论精度。经过仿真重构所得到的重构波面与原始波面非常吻合，重构算法可以很好地恢复出比较复杂的波面位相，重构精度在1/1 000 λ 以上。

　　2 动态变化场高速图像采集系统

　　高速图像采集系统可以应用于捕捉各种快速的物理、化学变化过程，拓宽时间域的观察尺度，提高时间分辨率，通过捕捉包含瞬态动态变化场信息的干涉图像，为理论分析和实验验证提供依据。图2 是一个高速干涉图像同步采集系统的原理框图[8-10]。