一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法技术方案

本发明专利技术揭示基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，步骤一：脉冲激光器输出的激光过反射镜改变传播方向，通过望远镜对激光束进行整形扩束；步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，第一束体激光经过比色皿，用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域后激发火焰区域特定组分，产生激光诱导荧光，由第二信号采集系统进行记录；步骤三：第一相机和第二相机拍摄信号进行数据处理分析后得到燃烧场中瞬态火焰三维重建结构。本发明专利技术对激光束进行体扩束通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。通过该测试系统实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。

A method of measuring 3D flame structure in transient combustion field by volume laser induced fluorescence imaging system based on endoscopic tomography

【技术实现步骤摘要】
一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法
：本专利技术涉及一种计算成像和燃烧诊断领域，具体涉及一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法。
技术介绍
：航空发动机燃烧室内的燃烧工况直接影响了整机运行效率及寿命，因此有必要通过燃烧诊断技术对燃烧场内火焰参数进行测量，为新一代燃烧室的设计提供数据支撑，最终实现提高燃烧效率、降低污染物的排放。近年来，得益于激光与传感器技术的发展，光学诊断技术已被证明是解析空间物理量和监测燃烧过程的有力工具。其中，激光诱导荧光技术被广泛用于对燃烧场中关键组分或示踪物的探测。然而，实际燃烧场中由于存在非定常性的湍流，需要实时对瞬变、不规则的燃烧场进行探测。从技术路线上来看，基于激光诱导荧光技术的火焰三维光学成像技术主要通过三种方式实现。第一种方式采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合对燃烧场的扫描探测实现。由于该种方式的时间分辨率受到扫描速度的限制，空间分辨率受到数量有限的扫描断层的限制，故时空分辨率较低，在探测湍流燃烧场时存在较大误差。第二种方式是采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合双目成像技术，通过同时获得的一对角度的PLIF信号结合双目算法，可以获得深度方向上的信息。但该方式的空间分辨率受限于相对较厚的片状激光。第三种方式是采用体积光诱导荧光技术(VLIF)，通过将激光束扩展成一定体积的体激光，利用多台高速相机同时从多个角度探测荧光信号，并结合层析重构算法，便可以获得瞬态流场的三维信息。使用该方式测得的结果具有高时空分辨率。但VLIF技术中也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，涉及到多台高速相机、多台像增强器等。此外，由于激光诱导荧光技术种所用到的脉冲激光器的输出光束在截面光强空间分布不均匀，且其脉冲与脉冲之间的强度也可能存在变化，使最终的测量结果存在误差。
技术实现思路
：为了克服现有技术中的缺陷，本专利技术提出一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，对激光束进行体扩束并通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。同时，通过设置参考光路，对激光光强在截面上空间分布不均以及激光脉冲与脉冲之间强度存在的变化进行矫正，最终可实现对燃烧场中瞬态火焰三维结构的测量。通过该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题，实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。为此，本专利技术解决技术问题的技术方案如下：一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。在一个实施例中，所述脉冲激光器为超高重复频率脉冲激光器，其脉冲重复频率为10-100kHz。在一个实施例中，所述望远镜由焦距f＝-100mm的平凹柱面镜和焦距f＝500mm的平凸柱面镜所组成，所述望远镜为伽利略望远镜，可将原始激光束尺寸在高度和宽度方向上扩大5倍。在一个实施例中，所述分光片为楔状分光片。在一个实施例中，所述比色皿中还盛放有乙醇稀释的煤油溶液，其中煤油可被266nm激光激发而产生激光诱导荧光信号。在一个实施例中，第一信号采集系统包括第一滤光片、第一紫外镜头、第一相机和所述数据采集及处理装置。在一个实施例中，火焰区域的特定组分为示踪物丙酮，即对丙酮的激光诱导荧光信号进行探测。在一个实施例中，第二信号采集系统包括第二滤光片、第二紫外镜头、一分多内窥镜、像增强器、像增强控制器、所述第二相机和所述数据采集及处理装置。在一个实施例中，一分多内窥镜包括有多个入射端和一个出射端，每个入射端都配备一个镜头，其入射端对准待测火焰并近似均匀布置在一定半径的圆周上，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出。在一个实施例中，第二紫外镜头朝向所述内窥镜的出射端；第二滤光片加装在所述像增强器前安装的第二紫外镜头前；像增强器安装在所述第二紫外镜头与所述第二相机之间；所述数据采集及处理装置和所述第二相机相连，可以接收和处理所测得的图像。在一个实施例中，第一滤光片为305nm长通滤光片，可有效抑制激发波长266nm的干扰。在一个实施例中，步骤三中通过设置可编程时序单元控制所述激光器和所述第一相机、所述第二相机之间的相对延时,使两台相机同步开始记录荧光信号。在一个实施例中，步骤三中像增强器在所述第二相机的触发下开始工作。在一个实施例中，还包括可编程时序单元，可编程时序单元由数据采集及处理装置控制，并可以同时控制所述脉冲激光器、第一、第二相机的触发与同步操作。在一个实施例中，步骤三中所述的数据分析处理过程包括火焰三维重建与对每一个激光脉冲光强空间分布不均及脉冲与脉冲之间强度变动的矫正，还包括但不限于以下步骤：步骤a：无待测火焰时，将标定板置于燃烧器上方中心位置，用信号采集系统采集标定板图片，进行系统标定，获得火焰区域的信号采集系统与火焰区域的位置关系。步骤b：无待测火焰时，将一张紫外检测卡覆盖于步骤a中所述标定板上，并使激光器工作，记录激光截面在其上的位置，确定激光截面与棋盘格上格子交点的相对位置关系。步骤c：使燃烧器工作，整个成像系统开始工作，测量火焰中丙酮示踪物的激光诱导荧光信号和比色皿中煤油溶液的激光诱导荧光信号。步骤d：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合标定所得的多个测量角度的空间位置，建立起丙酮荧光信号场的反演模型。步骤e：结合上述步骤c中所采集的荧光信号，采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的瞬态三维丙酮荧光信号分布。步骤f：根据步骤e中重建出的瞬态丙酮三维荧光信号分布，结合步骤b中方法得到的激光截面与火焰区域的相对位置关系以及步骤a中所测得的激光截面中强度的空间分布，将重建的信号分布沿着激光传播方向对其分层矫正，最终可获得矫正激光强度空间不均及脉冲强度变化的瞬态丙酮三维荧光信号分布，即瞬态火焰三维结构。在一个实施例中，步骤a中所述的系统标定包括但不限于如下步骤：步骤S1：使用一张标定板置于未点火时燃烧器中心附近，通过一分多内窥镜同时从多个角度采集标定板上棋盘格的图像。步骤S2：提取同时摄得的不同角度采集的棋盘格图像中格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系下的坐标。步骤S3：通过棋盘格中的格子交点在步骤S2中所述的两个坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；/n步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；/n步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；
步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；
步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。


2.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述脉冲激光器为超高重复频率脉冲激光器，其脉冲重复频率为10-100kHz。


3.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述望远镜由焦距f＝-100mm的平凹柱面镜和焦距f＝500mm的平凸柱面镜所组成，所述望远镜为伽利略望远镜，可将原始激光束尺寸在高度和宽度方向上扩大5倍。


4.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述分光片为楔状分光片。


5.根据权利要求1或4中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述比色皿中还盛放有乙醇稀释的煤油溶液，其中煤油可被266nm激光激发而产生激光诱导荧光信号。


6.根据权利要求1或4中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第一信号采集系统包括第一滤光片、第一紫外镜头、所述第一相机和所述数据采集及处理装置。


7.根据权利要求1或4中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述火焰区域的特定组分为示踪物丙酮，即对示踪物丙酮的激光诱导荧光信号进行探测。


8.根据权利要求6所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第二信号采集系统包括第二滤光片、第二紫外镜头、一分多内窥镜、像增强器、像增强控制器、所述第二相机和所述数据采集及处理装置。


9.根据权利要求8所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述一分多内窥镜包括有多个入射端和一个出射端，每个入射端都配备一个镜头，其入射端对准待测火焰并近似均匀布置在一定半径的圆周上，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出。


10.根据权利要求8所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第二紫外镜头朝向所述内窥镜的出射端；所述第二滤光片加装在所述像增强器前安装的第二紫外镜头前；所述像增强器安装在所述第二紫外镜头与所述第二相机之间；所述数据采集及处理装置和所述第二相机相连，可以接收和处理所测得的图像。


11.根据权利要求6所述的基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第一滤光片为305nm长通滤光片，可有效抑...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伟伟，王倩，刘何聪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31