基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，包括：马赫曾德干涉仪；马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；激光扩束镜，用于将激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；半透半反镜，用于将激光柱分为参考路激光和测量路激光；第二反射镜设置于测量路激光的光学路径上，以使测量路激光经过第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入干涉成像装置；干涉成像装置，用于汇聚参考路激光和测量路激光形成干涉条纹。本发明专利技术缓解了现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。放率场测量困难的技术问题。放率场测量困难的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，尤其是涉及一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法。

技术介绍

[0002]马赫曾德（Mach
‑
Zehnder）干涉仪是一种基于干涉原理的光学测量方法，已经普遍应用于气体、等离子体、火焰、气液界面等流场观测。这种方法作为一种非接触测量方法，能够通过采集激光光束通过待测区域后光的相位变化解算出待测流体的折射率变化，进而计算出其密度、温度等物性参数。
[0003]干涉条纹的处理方法一般有基于强度和基于相位的两种方法。基于强度的处理方法主要有条纹细化及条纹分割技术，这两种处理方法会降低图像中已采集信息的空间分辨率，但这两种方法能够通过从采集图像周围不受待测区域影响的常温常压状态开始，实现同轴温度场流体构形的阿贝尔变换，实现稳态温度场测量。除了基于强度，针对干涉条纹还可以使用基于相位的处理方法，比如条纹傅里叶分析，移相干涉技术等，这些方法是基于对干涉图样的空间频谱进行处理，一般用于解调条纹图像整体中携带的相位信息，供后续处理。
[0004]当前Mach
‑
Zehnder干涉仪多用于测量温度，使用条纹细化技术对某特定位置的稳态温度进行测量，但该方法仅可进行稳态测量。也有学者采用单束细激光干涉技术进行火焰传递函数的定量测量，但无法使用该方法进行火焰场的测量。由于火焰区域本身折射率就存在较大变化，使用大光束进行测量时，激光束穿过火焰的不同位置后的出射角度不同，这就对于火焰热释放率场的测量造成了较大困难。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，以缓解现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置，包括：马赫曾德干涉仪；所述马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；所述激光扩束镜的中心轴与所述激光器发射激光方向平行设置，用于将所述激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；所述半透半反镜设置于所述激光柱的光学路径上，用于将所述激光柱分为参考路激光和测量路激光；所述第一反射镜设置于所述参考路激光的光学路径上，以使所述参考路激光被所述第一反射镜反射进入所述干涉成像装置；所述第二反射镜设置于所述测量路激光的光学路径上，以使所述测量路激光经过所述第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入所述干涉成像装置；所述干涉成像装置设置于所述马赫曾德干涉仪的光学路径末端成像位置，用于汇聚所述参考路激光和所述测量路激光形成干涉条纹。
[0007]进一步地，所述激光扩束镜为由两个凸透镜构成的具有预设扩束倍数的开普勒式
扩束系统。
[0008]进一步地，所述测量装置还包括：图像传感器和图像处理装置；所述图像传感器，用于获取所述干涉条纹；所述图像处理装置，用于对所述干涉条纹进行分析，得到所述待测火焰区域的热释放率脉动结果。
[0009]进一步地，所述测量装置还包括成像透镜，设置于所述干涉成像装置与所述图像传感器之间。
[0010]进一步地，所述图像传感器包括高速相机。
[0011]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，应用于第一方面所述的测量装置；包括：获取所述待测火焰区域在所述马赫曾德干涉仪中形成的多帧干涉条纹；基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差；基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值；基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量。
[0012]进一步地，基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差，包括：确定每帧干涉条纹在沿x方向的单方向干涉条纹图；对所述单方向干涉条纹图进行傅里叶展开，并进行以一级条纹为中心的频谱滤波操作，得到每帧干涉条纹的相位信息；将相邻两帧干涉条纹的相位信息做差，得到所述相位差。
[0013]进一步地，基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值，包括：通过如下算式计算所述密度脉动值：；其中，为所述相位差，为所述密度脉动值，t表示时间参数，G为所述待测火焰区域内的混合气体的Gladstone
‑
Dale系数，λ0为所述激光器发出的激光的波长，L1为所述测量路激光的光学路径，z为路径积分变量。
[0014]进一步地，基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量，包括：通过如下算式计算所述热释放率的脉动量：；其中，为所述热释放率的脉动量，c为声速，p
’
为压力扰动，γ为比热比。
[0015]第三方面，本专利技术实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第二方面所述的方法的步骤。
[0016]本专利技术提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，采用激光干涉下密度扰动与相位差之间的关系，将测量激光先进行扩束再分光避免因扩束在参考路或测量路中造成的误差，使用通过大尺寸的半透半反镜和反射镜构建的大视场Mach
‑
Zehnder干涉仪实现对大火焰测量区域的捕捉，缓解了现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为本专利技术实施例提供的基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置的示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法的流程图；图3为本专利技术实施例提供的一种干涉条纹的频域变换示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种火焰热释放率脉动分布示意图。
[0019]主要元件符号说明：1
‑
激光器；2
‑
激光扩束镜；3
‑
半透半反镜；4
‑
第一反射镜；5
‑
待测火焰区域；6
‑
干涉成像装置；7
‑
成像透镜；8
‑
图像传感器；9
‑
图像处理装置；10
‑
第二反射镜。
具体实施方式
[0020]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]实施例一：图1是根据本专利技术实施例提供的一种基于马赫曾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置，其特征在于，包括：马赫曾德干涉仪；所述马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；所述激光扩束镜的中心轴与所述激光器发射激光方向平行设置，用于将所述激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；所述半透半反镜设置于所述激光柱的光学路径上，用于将所述激光柱分为参考路激光和测量路激光；所述第一反射镜设置于所述参考路激光的光学路径上，以使所述参考路激光被所述第一反射镜反射进入所述干涉成像装置；所述第二反射镜设置于所述测量路激光的光学路径上，以使所述测量路激光经过所述第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入所述干涉成像装置；所述干涉成像装置设置于所述马赫曾德干涉仪的光学路径末端成像位置，用于汇聚所述参考路激光和所述测量路激光形成干涉条纹。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光扩束镜为由两个凸透镜构成的具有预设扩束倍数的开普勒式扩束系统。3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：图像传感器和图像处理装置；所述图像传感器，用于获取所述干涉条纹；所述图像处理装置，用于对所述干涉条纹进行分析，得到所述待测火焰区域的热释放率脉动结果。4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括成像透镜，设置于所述干涉成像装置与所述图像传感器之间。5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述图像传感器包括高速相机。6.一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨立军，李敬轩，梁炫烨，张玥，刘腾宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：