本发明属于航空航天、热防护、热流检测，尤其涉及一种便携式热流计实时标定装置和标定方法。
背景技术：
1、在高超声速飞行器的研制过程中，由于飞行速度极高、飞行时间较长，由气动加热、激波、燃烧产生的热量积累，导致飞行器局部区域温度可达3000k以上，热流可达十mw/m2以上，这对现有防热结构的防护有效性带来严苛的挑战。因此需要在高超声速飞行器研制的各个环节对防热材料或结构进行对应热流条件下的热考核试验，在考核过程中，对热流的实时测量是十分必要的，在此过程中需要使用到各种类型的热流传感器，而为了保证测试的准确性，首先需要对热流计进行精准的标定与校核。
2、目前针对热流计的标定，主要的方法包括：黑体炉法、激波管法、高温风洞法、石英灯阵加热法等；
3、上述方法普遍存在的问题是：第一、标定系统过于复杂、庞大，导致不便于拆卸和转运，无法满足热考核实验现场高效的热流计标定需求；第二、需要到专门的指定机构进行标定，排队时间较长且费用很高，标定后重复使用性差，重复使用性差的原因是：热流计在经受千度以上高温和极高热流冲击后，其性能会发生变化，性能变化会带来测量的误差；第三、不论采用黑体炉法、激波管法、高温风洞法、石英灯阵加热法中的哪一种方法进行热流计的标定，加热设备产生指定高热流密度的加热延迟长；第四、传统方法的标定，无法产生高频热流激励，热流上限低，针对量程较小的热流计尚可进行标定，但对于量程达15mw/m2的极高热流，且响应时间极短的标定，上述方法已不再适用。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，在本发明中公开了一种便携式热流计实时标定装置和标定方法，第一目的在于解决传统标定系统结构过于复杂、庞大，不便于随时拆卸和转运，无法满足热考核实验现场高效的热流计标定需求的问题；第二目的在于解决标定必须到专门机构进行标定，且每次标定的费用很高和耗时很长、标定后不能多次重复使用的问题；第三目的在于解决传统标定方法的加热设备产生指定高热流密度的加热延迟时间长的问题；第四目的在于解决传统标定方法，热流上限低、不能满足大量程的极高热流标定的问题。
2、本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
3、一种便携式热流计实时标定装置，其特点是：该标定装置由一字顺序排列且各个部分能够随时拆卸和随时转运的高功率激光器、激光输出光纤、一体化光束调节机构、均匀化激光传输光纤、光纤/热流计转接器、以及外联的热流计、高速采集器、数据处理器组成；所述光纤/热流计转接器的一端连接均匀化激光传输光纤，另一端外联热流计；所述高功率激光器作为高能量密度热源为标定装置外联的热流计提供热流加载、从而代替传统的大型热流加载设备；所述的一体化光路调节机构通过集成光束整形和直径调节功能于一体进行光束能量分布和作用面积的调节，从而代替传统的复杂且不可拆卸和移动的光学元件形成的系统。
4、进一步地，所述一体化光路调节机构包括光斑直径调节系统以及激光光斑功率均匀化系统，所述光斑直径调节系统用于接收所述高功率激光器的光束并将该光束形成的光斑直径进行调整以与热流计的感应面相匹配；所述的激光光斑功率均匀化系统用于将高功率激光器发射的原本能量非均匀分布的光束调整为能量均匀分布的平顶光束。
5、进一步地，所述光斑直径调节系统，由准直系统、各类透镜光路组成，可进行激光光斑直径的调节，光斑具体直径由热流计感应面直径确定，以确保光斑直径大于热流计感应面直径，保证热流计感应面完全接受激光热流的加载。
6、进一步地，所述激光光斑功率均匀化系统，包括多面微透镜阵列组、傅里叶透镜，经过光斑能量均匀化系统后，激光光斑由高斯分布转变为功率均匀的平顶光束，使得激光具有均匀的功率分布，同时出于系统简洁的考虑，将光斑直径调节系统与光斑能量均匀化系统整合为一体式结构。
7、进一步地，所述高功率激光器的热流密度加载能力，具体为：100w量级的高功率激光器便可产生热流密度达数十mw/m2的稳定热流。
8、进一步地：所述高功率激光器的响应时间，具体为：该高功率激光器的激光上升时间在十μs量级。
9、一种便携式热流计实时标定方法，其特点是：包括以下步骤：
10、步骤一、开启高功率激光器并设定激光功率，将该激光功率设定为满足热流计热流密度加载条件的对应功率；
11、步骤二、激光从高功率激光器输出后由激光输出光纤传输至光斑直径调节系统；
12、步骤三、光斑直径调节系统将激光光斑的直径调节为与热流计的感应面积相匹配；
13、步骤四、激光经过光斑直径调节系统后进入光斑功率均匀化系统进行激光能量均匀化；
14、步骤五、光斑功率均匀化系统将非均匀的中间能量密度高周围能量密度低的光源调整为能量均匀化的平顶光束；
15、步骤六、能量均匀化的平顶光经过均匀化激光传输光纤后，由光纤/热流计转接器与热流计连接；
16、步骤七、热流计加载热流后，通过高速采集器获得相应的电信号，通过数据处理及线性拟合后便可获得热流计的时间响应系数和热电响应系数值。
17、进一步地，所述步骤四的光斑功率均匀化系统，在进行激光平顶均匀化整形的过程中采用的方法包括：光阑法、非球面透镜组法、双折射透镜组法、液晶空间光调制器、二元光学元件法、自由曲面激光光束整形法、微透镜阵列法；出于系统的简化及整形效果的考虑，优选微透镜整列组方法。
18、进一步地，光纤/热流计转接器与均匀化激光传输光纤连接的一端为标准的光纤接头、与热流计连接的一端则为圆柱顶丝或法兰连接结构，以确保均匀化激光可以垂直、同心的加载在热流计感应面上；
19、进一步地，热流计感应面采用高温漆涂黑处理，辐射吸收率高于95％。
20、本发明的优点效果
21、1、系统重量与体积小，可随时拆卸和转运。本发明公开的热流计标定系统除轻质的输出光纤外，主要包含：半导体激光器，100w激光器质量通常在10kg；激光光束直径及能量均匀化调节系统一体式结构，质量不大于2kg；光纤与热流计连接的转接头，质量不大于1kg。因此系统整体质量不会高于15kg，且3个主要功能部分均为模块化结构，可快速拆卸、存放，易于远距离的携带、输运和现场快速组装，且在具体标定过程中，激光器和光束直径及能量均匀化调节系统均可置于实验飞行器部件外部，仅光纤/热流计转接器及与其连接的光纤安装于固定在飞行器部件上的热流计感应面端，因此易于在狭小区域内的安装、标定。
22、2、热流密度加载能力极高，100w量级的高功率激光器便可产生热流密度达数十mw/m2的稳定热流，且成本远低于黑体炉法、激波管法、高温风洞法、石英灯阵加热法等系统复杂的标定方法；
23、3、响应时间极短，通常激光器的激光上升时间在十μs量级，而各类热流计的响应时间通常在毫秒量级，完全可满足热流计响应时间标定需求，这也是黑体炉法、激波管法、高温风洞法等方法所欠缺的；
24、4、上述优点使得本发明公开的热流计标定系统具备了标定能力优异、模块化、轻质、易于携带、运输的特性，使得热流计标定不再局限于特定的实验室，而是具有的便携式、实时在线化、高效的实验现场标定能力。
1.一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：该标定装置由一字顺序排列且各个部分能够随时拆卸和随时转运的高功率激光器、激光输出光纤、一体化光束调节机构、均匀化激光传输光纤、光纤/热流计转接器、以及外联的热流计、高速采集器、数据处理器组成；所述光纤/热流计转接器的一端连接均匀化激光传输光纤，另一端外联热流计；所述高功率激光器作为高能量密度热源为标定装置外联的热流计提供热流加载、从而代替传统的大型热流加载设备；所述的一体化光路调节机构通过集成光束整形和直径调节功能于一体进行光束能量分布和作用面积的调节，从而代替传统的复杂且不可拆卸和移动的光学元件形成的系统。
2.根据权利要求1所述一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：所述一体化光路调节机构包括光斑直径调节系统以及激光光斑功率均匀化系统，所述光斑直径调节系统用于接收所述高功率激光器的光束并将该光束形成的光斑直径进行调整以与热流计的感应面相匹配；所述的激光光斑功率均匀化系统用于将高功率激光器发射的原本能量非均匀分布的光束调整为能量均匀分布的平顶光束。
3.根据权利要求1所述的一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：所述光斑直径调节系统，由准直系统、各类透镜光路组成，可进行激光光斑直径的调节，光斑具体直径由热流计感应面直径确定，以确保光斑直径大于热流计感应面直径，保证热流计感应面完全接受激光热流的加载。
4.根据权利要求1所述一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：所述激光光斑功率均匀化系统，包括多面微透镜阵列组、傅里叶透镜，经过光斑能量均匀化系统后，激光光斑由高斯分布转变为功率均匀的平顶光束，使得激光具有均匀的功率分布，同时出于系统简洁的考虑，将光斑直径调节系统与光斑能量均匀化系统整合为一体式结构。
5.根据权利要求1所述一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：所述高功率激光器的热流密度加载能力，具体为：100w量级的高功率激光器便能够产生热流密度达数十mw/m2的稳定热流。
6.根据权利要求1所述一种便携式热流计实时标定装置，其特征在于：所述高功率激光器的响应时间，具体为：该高功率激光器的激光上升时间在十μs量级。
7.一种基于权利要求1-6任意一项的一种便携式热流计实时标定装置的便携式热流计实时标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.根据权利要求4所述的一种便携式热流计实时标定方法，其特征在于：所述步骤四的光斑功率均匀化系统，在进行激光平顶均匀化整形的过程中采用的方法包括：光阑法、非球面透镜组法、双折射透镜组法、液晶空间光调制器、二元光学元件法、自由曲面激光光束整形法、微透镜阵列法；出于系统的简化及整形效果的考虑，优选微透镜整列组方法。
9.根据权利要求4的一种便携式热流计实时标定方法，其特征在于：光纤/热流计转接器与均匀化激光传输光纤连接的一端为标准的光纤接头、与热流计连接的一端则为圆柱顶丝或法兰连接结构，以确保均匀化激光可以垂直、同心的加载在热流计感应面上。
10.根据权利要求4的一种便携式热流计实时标定方法，其特征在于：热流计感应面采用高温漆涂黑处理，辐射吸收率高于95％。
