CN103344619A - 基于平面激光诱导荧光成像装置及利用该装置获取oh浓度空间分布的方法 - Google Patents

Abstract

基于平面激光诱导荧光成像装置及利用该装置获取OH浓度空间分布的方法，本发明涉及一种确定OH基浓度空间分布的方法。本发明解决了利用PLIF成像技术只能确定某一条线上的组分的平均浓度，而不能确定浓度的空间分布的问题，它采用激光器产生激光信号，经倍频器倍频后经片光整形系统后获得片状脉冲信号；经目标火焰器激发出OH基荧光信号；荧光信号探测装置对OH基荧光信号进行探测得OH基荧光图像；OH基荧光图像中选择n个待测点与n个辅助点，求每个待测点与辅助点的OH基荧光图像灰度值与光强；根据朗伯-比尔吸收定律，获得每个待测点的平均摩尔浓度进而获得OH浓度空间分布。本发明适用于确定OH基浓度空间分布的方法。

Description

基于平面激光诱导荧光成像装置及利用该装置获取OH浓度空间分布的方法

技术领域

本发明涉及一种确定OH基浓度空间分布的方法。

背景技术

近年来，随着航空航天技术的迅速发展以及对节能减排的重视，对燃烧机理、燃烧技术的研究已经越来越引起人们的关注，而研究燃烧过程中各组分的浓度是其中一个重要方面。平面激光诱导荧光（PLIF）成像技术是目前一种被广泛应用于燃烧诊断中的一种高灵敏度的技术。但是通过PLIF成像技术获取浓度信息需要确定许多参数，而这些参数在现阶段也正在被人们研究，因而具有很大的不确定性，另外，利用PLIF成像技术只能确定某一条线上的组分的平均浓度，而不能确定浓度的空间分布，这成为利用PLIF成像技术确定燃烧过程组分浓度的空间分布的重要难题。

发明内容

本发明为了解决利用PLIF成像技术只能确定某一条线上的组分的平均浓度，而不能确定浓度的空间分布的问题，本发明提供一种基于平面激光诱导荧光成像装置及利用该装置获取OH浓度空间分布的方法。

本发明所述基于平面激光诱导荧光成像装置，该装置的包括一号激光器、二号激光器、倍频器、一号平面反射镜、二号平面反射镜、片光整形系统、目标火焰器和荧光信号探测装置；一号激光器发出的光束入射至二号激光器的光信号输入端，经二号激光器泵浦后的光束输入至倍频器的激光信号输入端，经倍频器倍频放大后的经一号平面反射镜反射至二号平面反射镜，经二号平面反射镜反射后的反射光束入射至片光整形系统，经片光整形系统整形后获得的片状光束输入至目标火焰器；

荧光信号探测装置用于探测OH基荧光信号，获得OH基荧光图像；

利用基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用一号激光器产生激光信号，该激光信号经二号激光器泵浦后输入至倍频器进行倍频，获得倍频后光信号；

步骤二、获得的倍频后光信号经片光整形系统后获得片状脉冲信号；

步骤三、获得的片状脉冲信号经目标火焰器激发出OH基荧光信号；

步骤四、采用荧光信号探测装置对OH基荧光信号进行探测，获得OH基荧光图像；

步骤五、OH基荧光图像中选择n个待测点，并对每个待测点的灰度值进行提取，获得每个待测点的OH基荧光图像灰度值；其中，n为整数，且n＞256×128

步骤六、利用公式：

$I_1\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{F}_i\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(1\right)$

获取每个待测点的光强；

式中，I₁(x)为激光在火焰中待测点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，F_i(x)为待测点灰度值，i为整数，1≤i≤n，C为常数；

步骤七、利用获得的每个待测点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中每个待测点的OH基的摩尔浓度；

步骤八、在每个待测点的邻域内的均选择一个无限接近辅助点；

步骤九、对每个辅助点的灰度值进行提取，获得每个辅助点的灰度值；并利用公式

$I_2\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{P}_j\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(2\right)$

获得每个辅助点的光强；

式中I₂(x)为激光在火焰中待测点的辅助点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，P_j(x)为待测点对应的辅助点的灰度值，j为整数，1≤j≤n，且i=j，C为常数；

步骤十、利用每个辅助点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中辅助点的OH基的摩尔浓度；

步骤十一、利用每个待测点的OH基摩尔浓度及该点对应的辅助点的OH基摩尔浓度，获得每个待测点的平均摩尔浓度；并将图像中n个待测点的平均摩尔浓度作为OH浓度空间分布，完成OH浓度空间分布的测量。

本发明利用平面激光诱导荧光（PLIF）成像技术得到OH基的荧光图像，将得到的荧光图像进行处理，得到所获得的OH基的荧光图像中任意位置处OH基的浓度，进而确定OH基浓度的空间分布。这就使得确定OH基浓度空间分布的过程简单化，只要获取了OH基荧光的图像，即可利用该图像计算出OH基浓度的空间分布，并且精度与现有方法相比也同比提高了10%。

附图说明

图1为本发明所述的基于平面激光诱导荧光成像装置。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于平面激光诱导荧光成像装置，该装置的包括一号激光器1、二号激光器2、倍频器3、一号平面反射镜4、二号平面反射镜5、片光整形系统6、目标火焰器7和荧光信号探测装置8；一号激光器1发出的光束入射至二号激光器2的光信号输入端，经二号激光器2泵浦后的光束输入至倍频器3的激光信号输入端，经倍频器3倍频放大后的经一号平面反射镜4反射至二号平面反射镜5，经二号平面反射镜5反射后的反射光束入射至片光整形系统6，经片光整形系统6整形后获得的片状光束输入至目标火焰器7；

荧光信号探测装置8用于探测OH基荧光信号，获得OH基荧光图像。

具体实施方式二、本实施方式是具体实施方式一所述的基于平面激光诱导荧光成像装置的进一步说明，片光整形系统6采用CH₄/O₂/N₂层流预混本生火焰灯，且化学当量比Φ=1.0。

具体实施方式三、实施方式是具体实施方式一所述的基于平面激光诱导荧光成像装置的进一步说明，一号激光器1采用Nd:YAG激光器。

具体实施方式四、本实施方式是具体实施方式一所述的基于平面激光诱导荧光成像装置的进一步说明，二号激光器2采用染料激光器。

具体实施方式五、本实施方式是具体实施方式一所述的基于平面激光诱导荧光成像装置的进一步说明，荧光信号探测装置8采用ICCD相机。

具体实施方式六、本实施方式为利用具体实施方式一所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、一号激光器1产生激光信号，该激光信号经二号激光器2泵浦后输入至倍频器3进行倍频，获得倍频后光信号；

步骤二、获得的倍频后光信号经片光整形系统6后获得片状脉冲信号；

步骤三、获得的片状脉冲信号经目标火焰器7激发出OH基荧光信号；

步骤四、采用荧光信号探测装置9对OH基荧光信号进行探测，获得OH基荧光图像；

步骤五、OH基荧光图像中选择n个待测点，并对每个待测点的灰度值进行提取，获得每个待测点的OH基荧光图像灰度值；其中，n为整数，且n＞256×128

步骤六、利用公式

$I_1\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{F}_i\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(1\right)$

获取每个待测点的光强；

式中，I(x)为激光在火焰中待测点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，F_i(x)为待测点灰度值，i为整数，1≤i≤n C为常数；

步骤七、利用获得的每个待测点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中每个待测点的OH基的摩尔浓度；

步骤八、在每个待测点的邻域内的均选择一个无限接近辅助点；

步骤九、对每个辅助点的灰度值进行提取，获得每个辅助点的灰度值；并利用公式

$I_2\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{P}_j\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(2\right)$

获得每个辅助点的光强；

式中I₂(x)为激光在火焰中待测点的辅助点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，P_j(x)为待测点对应的辅助点的灰度值，j为整数，1≤j≤n，且i=j，C为常数；

步骤十、利用每个辅助点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中辅助点的OH基的摩尔浓度；

步骤十一、利用每个待测点的OH基摩尔浓度及该点对应的辅助点的OH基摩尔浓度，获得每个待测点的平均摩尔浓度；并将图像中n个待测点的平均摩尔浓度作为OH浓度空间分布，完成OH浓度空间分布的测量。

本实施方式所述方法利用matlab软件提取出已经获得的OH基荧光图像的灰度值，并利用OH基荧光图像的灰度值求得待测点的平均OH基摩尔浓度。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式六所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法的进一步说明，步骤一中获得倍频后光信号的波长为283nm。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式六所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法的进一步说明，步骤二获得的片状脉冲信号的光束面积大小为20mm×0.5mm，激光能量为1mJ，脉冲宽度为10ns。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式六所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法的进一步说明，步骤七利用获得的每个待测点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中每个待测点的OH基的摩尔浓度；

通过公式：

I(x)=I(0)exp[-Pχ_OHS(T)φ(v)x]        (3)

获得待测点OH基的摩尔浓度χ_OH；其中P为静压，S(T)为吸收线强度，φ(v)为线型函数；其中φ(v)满足归一化条件：

$\∫\mathrm{\φ}\left(v\right)\mathrm{dv}\≡1---\left(4\right).$

具体实施方式十、本实施方式是对具体实施方式六所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法的进一步说明，步骤十一所述的利用每个待测点的OH基摩尔浓度及该点对应的辅助点的OH基摩尔浓度，获得每个待测点的平均摩尔浓度通过公式：

$\mathrm{\χ}=\left|\frac{{\mathrm{\χ}}_2\·(x+\mathrm{dx})-{\mathrm{\λ}}_1\·x}{\mathrm{dx}}\right|---\left(5\right)$

获得；式中χ₁为待测点OH基摩尔浓度，χ₂为辅助点的OH基摩尔浓度，x为待测点在的横坐标，x+dx为辅助点的横坐标，待测点与辅助点的纵坐标忽略不计。

本实施方式利用Nd:YAG激光器产生的532nm的激光泵浦染料激光器，产生566nm的激光，该激光光束经过倍频器产生283nm的激光光束，再经过光束整形系统获得片状激光光束，光束大小约为20mm×0.5mm，激光能量约为1mJ，脉冲宽度为10ns，重复频率为10-10kHz。该片状光束经过化学当量比Φ=1.0的CH₄/O₂/N₂层流预混本生灯火焰，被激发的OH基发出的荧光信号被ICCD相机捕捉，获得OH基荧光图像。

利用已经获得的OH基的荧光图像,计算出任意待测点处的OH基的平均浓度值，具体做法为：

利用matlab软件提取出已经获得的OH基荧光图像的灰度值为F(x)，其中，x为火焰中待测点位置。由文献可知，在荧光量子产率不变的前提下，空间任意一点的激光强度与这一点通过吸收后所发出的荧光强度之间的关系为：

$I\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^{x}F\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(1\right)$

其中，I(x)为激光在火焰中任意一点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，C为常数，通过测量得到：

$C=\frac{1-\frac{I\left(L\right)}{I\left(0\right)}}{{\∫}_0^{L}F\left(x\right)\mathrm{dx}}---\left(6\right)$

激光初始光强与出射光强可以通过实验确定，联立(1)和(6)式可求得x处的激光光强I(x)值。

朗伯-比尔吸收定律的表达式为：

I(x)=I(0)exp[-Pχ_OHS(T)φ(v)x]        (3)

其中P为静压，χ_OH为OH基的摩尔浓度，S(T)为吸收线强度，φ(v)为线型函数。其中φ(v)满足归一化条件：

$\∫\mathrm{\φ}\left(v\right)\mathrm{dv}\≡1---\left(4\right)$

最后，在吸收线强度不随温度变化的情况下，由求得的激光光强I(x)值与式(3)联立就可求得OH基的平均摩尔浓度。

重复上述过程，确定临近位置处x+dx的OH基的平均浓度。由两位置处的OH基的平均浓度值即确定该位置处的OH基的浓度值。

具体做法为：

由于OH基分布的纵向分布体积小，将体浓度近似为线浓度。设0-x处，OH基的平均浓度为χ₁，x+dx处，OH基的平均浓度为χ₂，当dx无限小时，由两浓度可确定OH基在x处的浓度为：

$\mathrm{\χ}=\left|\frac{{\mathrm{\χ}}_2\·(x+\mathrm{dx})-{\mathrm{\χ}}_1\·x}{\mathrm{dx}}\right|---\left(5\right)$

重复以上过程，利用该方法确定任意位置处OH基的浓度，进而确定OH基浓度的空间分布。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (10)

1.基于平面激光诱导荧光成像装置，其特征在于，该装置的包括一号激光器（1）、二号激光器（2）、倍频器（3）、一号平面反射镜（4）、二号平面反射镜（5）、片光整形系统（6）、目标火焰器（7）和荧光信号探测装置（8）；一号激光器（1）发出的光束入射至二号激光器（2）的光信号输入端，经二号激光器（2）泵浦后的光束输入至倍频器（3）的激光信号输入端，经倍频器（3）倍频放大后的经一号平面反射镜（4）反射至二号平面反射镜（5），经二号平面反射镜（5）反射后的反射光束入射至片光整形系统（6），经片光整形系统（6）整形后获得的片状光束输入至目标火焰器（7）；

荧光信号探测装置（8）用于探测OH基荧光信号，获得OH基荧光图像。

2.根据权利要求1所述的基于平面激光诱导荧光成像装置，其特征在于，片光整形系统（6）采用CH₄/O₂/N₂层流预混本生火焰灯，且化学当量比Φ=1.0。

3.根据权利要求1所述的基于平面激光诱导荧光成像装置，其特征在于，一号激光器（1）采用Nd:YAG激光器。

4.根据权利要求1所述的基于平面激光诱导荧光成像装置，其特征在于，二号激光器（2）采用染料激光器。

5.根据权利要求1所述的基于平面激光诱导荧光成像装置，其特征在于，荧光信号探测装置（8）采用ICCD相机。

6.利用权利要求1所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、一号激光器（1）产生激光信号，该激光信号经二号激光器（2）泵浦后输入至倍频器（3）进行倍频，获得倍频后光信号；

步骤二、获得的倍频后光信号经片光整形系统（6）后获得片状脉冲信号；

步骤三、获得的片状脉冲信号经目标火焰器（7）激发出OH基荧光信号；

步骤四、采用荧光信号探测装置（9）对OH基荧光信号进行探测，获得OH基荧光图像；

步骤五、OH基荧光图像中选择n个待测点，并对每个待测点的灰度值进行提取，获得每个待测点的OH基荧光图像灰度值；其中，n为整数，且n＞256×128；

步骤六、利用公式：

$I_1\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{F}_i\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(1\right)$

获取每个待测点的光强；

式中，I(x)为激光在火焰中待测点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，F_i(x)为待测点灰度值，i为整数，1≤i≤n，C为常数；

步骤七、利用获得的每个待测点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中每个待测点的OH基的摩尔浓度；

步骤八、在每个待测点的邻域内的均选择一个无限接近辅助点；

步骤九、对每个辅助点的灰度值进行提取，获得每个辅助点的灰度值；并利用公式

$I_2\left(x\right)=I\left(0\right)[1-C{\∫}_0^x{P}_j\left(x\right)\mathrm{dx}]---\left(2\right)$

获得每个辅助点的光强；

式中I₂(x)为激光在火焰中待测点的辅助点的光强，I(0)为激光通过介质前的初始光强，P_j(x)为待测点对应的辅助点的灰度值，j为整数，1≤j≤n，且i=j，C为常数；

步骤十、利用每个辅助点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中辅助点的OH基的摩尔浓度；

步骤十一、利用每个待测点的OH基摩尔浓度及该点对应的辅助点的OH基摩尔浓度，获得每个待测点的平均摩尔浓度；并将图像中n个待测点的平均摩尔浓度作为OH浓度空间分布，完成OH浓度空间分布的测量。

7.根据权利要求6所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，其特征在于，步骤一中获得倍频后光信号的波长为283nm。

8.根据权利要求6所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，其特征在于，步骤二获得的片状脉冲信号的光束面积大小为20mm×0.5mm，激光能量为1mJ，脉冲宽度为10ns。

9.根据权利要求6所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，其特征在于，步骤七利用获得的每个待测点的光强，根据朗伯-比尔吸收定律，获得火焰中每个待测点的OH基的摩尔浓度；

通过公式：

I(x)=I(0)exp[-Pχ_OHS(T)φ(v)x]       (3)

获得待测点OH基的摩尔浓度χ_OH；其中P为静压，S(T)为吸收线强度，φ(v)为线型函数；其中φ(v)满足归一化条件：

$\∫\mathrm{\φ}\left(v\right)\mathrm{dv}\≡1---\left(4\right).$

10.根据权利要求6所述的基于平面激光诱导荧光成像装置获取OH浓度空间分布的方法，其特征在于，步骤十一所述的利用每个待测点的OH基摩尔浓度及该点对应的辅助点的OH基摩尔浓度，获得每个待测点的平均摩尔浓度通过公式：

$\mathrm{\χ}=\left|\frac{{\mathrm{\χ}}_2\·(x+\mathrm{dx})-{\mathrm{\χ}}_1\·x}{\mathrm{dx}}\right|---\left(5\right)$

获得；式中χ₁为待测点OH基摩尔浓度，χ₂为辅助点的OH基摩尔浓度，x为待测点在的横坐标，x+dx为辅助点的横坐标，待测点与辅助点的纵坐标忽略不计。

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