CN104807501A

CN104807501A - 紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法及系统

Info

Publication number: CN104807501A
Application number: CN201510179114.1A
Authority: CN
Inventors: 陈方; 刘洪�
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2015-07-29

Abstract

一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法及系统，利用磷光的长时间衰减特性和温度敏感特性，采用图像互相关算法和磷光光强衰减比分法形成高精度的图像处理算法，通过分析测试区域中均匀分布的磷光示踪粒子受紫外激光激发而形成的磷光灰度图像，计算磷光示踪粒子表征的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息，该系统主要由1台激光器、1台成像系统、1套示踪粒子均匀布撒装置和1种高热稳定的纳米级磷光示踪粒子组成。本发明操作简单、经济成本低且具有高时空分辨率，便于与各种激光光源和成像系统组合，形成不同的测试系统，将推动激光成像技术在复杂流动、传热和燃烧研究中的发展，特别是高精度高分辨率的多物理场定量化测试技术的实现。

Description

紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法及系统

技术领域

本发明涉及的是复杂流动、传热和燃烧测试技术，特别涉及在高速高温环境下磷光示踪粒子的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息的同步测试方法及其试验系统。

背景技术

激光诊断技术已经广泛应用于湍流流动、传热及其燃烧过程的分析，而湍流和化学反应之间存在强相互作用，非常需要速度和其他标量的多参数同步测量。随着激光器和相机等关键设备技术水平的发展，跨帧成像开始成为可能，促进了对流动和标量场高分辨率的同步测量的技术需求。但是，高时空分辨率的激光和成像设备经济成本高，现有测量技术的测试能力和应用范围上还存在一定的局限性，难以满足速度和温度等多物理场参数的同步测量需求。

与常用的激光诱导荧光技术相比，激光诱导磷光具有以下特点：波长长、寿命长，磷光寿命和辐射强度对重原子和顺磁性离子敏感。荧光往往只有纳秒-微秒范围的寿命，而磷光由单基态向多激发态转变过程的持续时间可以达到微秒-亚秒级。但是，能产生磷光的物质种类很少，磷光分析在应用上还远不及荧光分析普遍，而且燃烧测量时需在高温下进行。因此，除了极少数大分子燃烧产物或添加物之外，在气态流场中添加固态耐高温磷光粒子已经成为燃烧火焰和发动机测温技术发展的必然趋势。这些磷光示踪粒子可用于温度和速度测量，这些材料敏感度范围宽、发射光明显、利于空间和时间背景滤波。还可以作为示踪粒子测量速度场，这种特性明显优于激光诱导荧光技术，因为激光诱导荧光技术中组份荧光极大依赖于未知的当地气体构成。

磷光示踪粒子要满足一定的要求：具有良好的光散射性、能够很好地跟随流体流动、易于生成、无磨蚀、无腐蚀、无毒、不挥发或蒸发得慢、清洁、化学性质稳定、便宜。除了具有高温稳定性、不参与化学反应，最重要的是能够跟随流体流动以及具有良好的光散射性，即示踪粒子和流体之间的相对运动尽可能小，且能够充分散射照明光便于成像系统成像。在湍流气相测量中，时间分辨率必须足以捕捉到关注尺度的脉动变化，限制瞬态测量的积分时间，示踪粒子必须保证高速流动中的跟随性和运动响应特性，粒径应该保持在纳米量级大小。而微粒示踪粒子易于潮结和聚团，目前常用的粒子布撒装置都很难满足在高速气流中实现粒子均匀布撒的需要。

在图像处理算法上，基于磷光衰减寿命周期的的比分法相比于常用的双色法，对温度变化更为敏感，而且测量原理简单直接，仅需要1台相机，可以用适用于大范围温度测量。而且双色法必须采用2台相机采集不同发射波长的磷光图像，成本高昂。另外，目前还没有合适的算法分析2幅图像示踪粒子磷光光强之间的相关性，以确定示踪粒子的运动轨迹、位移以及它们之间随时间历程的相关信息。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法及系统，结合当前硬件设备和分析方法的发展水平，基于磷光光强衰减周期大小随温度变化的特性，从一个全新的角度提出高分辨率、多参数同步的激光诊断方法和图像处理算法，适用于大范围速度和温度测量，测量速度可以达到1000m/s、温度范围可以达到2000K。具有高精度、高信号产生率、无碰撞猝灭现象、无多普勒加宽效应等特点。本发明提供的测试系统，操作简单、经济成本低且具有高时间分辨能力，将进一步推动激光成像技术在复杂流动、传热和燃烧研究中的发展，特别是高精度高分辨率的多物理场定量化测试技术的实现。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，利用磷光的长时间衰减特性和温度敏感特性，采用图像互相关算法和磷光光强衰减比分法形成高精度的图像处理算法，通过分析测试区域中均匀分布的磷光示踪粒子受紫外激光激发而形成的磷光灰度图像，计算磷光示踪粒子表征的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息。

所述图像互相关算法是利用自适应步长和大规模并行算法对磷光灰度图像进行非线性信号分析和分级渐进分析，快速实现一个激光脉冲周期内2幅图像之间的高精度匹配，计算磷光示踪粒子表征的速度场及其互相关信息。

所述非线性信号分析和分级渐进算法，用于确定时间序列磷光灰度图像之间的互相关性。首先，采用非线性信号分析方法对磷光灰度图像进行特征提取与量化；其次，通过抗噪声干扰能力强的归一化算法处理时间相关的2幅图像；最后，设计自适应步长的分级渐进互相关分析过程，采用大规模并行直至确定示踪粒子之间的最优互相关性。

所述磷光光强衰减周期的比分法，直接利用了磷光示踪材料在紫外激光诱导下，磷光光强在不同温度下呈现不同的衰减寿命周期，根据2个不同时刻采集到的磷光灰度图像中互相关示踪粒子的光强比计算寿命周期，与寿命周期-温度标定曲线进行对比来获得激光脉冲周期时间序列的动态温度场。

一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，该系统用于完成上述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，主要由1台激光器、1台成像系统、1套示踪粒子均匀布撒装置和1种高热稳定的纳米级磷光示踪粒子组成。

所述激光器是单脉冲紫外固定波长激光器，对基于532nm的双腔Nd:YAG激光器进行三/四倍频光路设计，输出355nm/266nm的单脉冲单波长激光，能够用于实现紫外激光诱导特定的磷光示踪粒子成像。

所述成像系统采用高速芯片和超大容量存储技术，满足长时间图像采集需要，用于实现高热稳定示踪粒子受紫外激光诱导磷光的图像采集。

所述示踪粒子均匀布撒装置，包括一次性旋转成型的示踪粒子容器，其底部采用流化床设计，结合高速旋流器导引，利用高压驱动气体形成高速射流，增强磷光热像示踪粒子和周围气流的混合，能够使磷光热像示踪粒子浓度高度均匀化，实现磷光示踪粒子的快速和均匀布撒。

所述纳米级磷光示踪粒子具有在单脉冲266nm/355nm紫外激光激发下诱导磷光的能力，其磷光光强的长寿命周期及其对温度敏感的特性满足跨帧相机进行图像采集的需要。

所述激光器是可调谐染料激光器或跨帧激光器。

所述成像系统是高频相机、高分辨率相机或光谱成像仪。

本发明的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，(1)利用旋流导引式高压纳米粒子布撒装置，在测试区域均匀布撒专用的纳米级磷光示踪粒子；(2)利用355nm/266nm紫外波长激光器激发在测试区域中均匀布撒的纳米级磷光示踪粒子，产生具有长时衰减和温度敏感特性的磷光；(3)利用跨帧相机对粒子发射磷光进行脉冲周期时间序列的2幅紫外激光诱导磷光成像采集；(4)利用非线性信号分析和分级渐进算法，基于磷光光强衰减周期的比分法，计算示踪粒子的运动轨迹、位移、速度和温度等多物理场信息。

本发明技术方案所带来的有益效果如下：

本发明充分利用磷光示踪材料的长余辉特性和温度敏感特性，实现了运动轨迹、位移、速度和温度的同步测量。采用单脉冲紫外激光，提高流场和燃烧场的瞬时冻结能力；基于激光片光技术，提高空间分辨率并得到测试区域的信息；采用高分辨率跨帧相机，提高成像能力和高速流动捕捉能力。

具体的，首先，本发明充分利用了磷光示踪材料的长余辉和温敏特性，将试验系统简化为单脉冲激光器和跨帧相机的组合，直接通过跨帧相机获得高时空分辨率的磷光图像，节省了应用跨帧激光器的高昂成本；其次，本发明设计的纳米级磷光示踪粒子可以在355nm/266nm波长激光下激发产生长时衰减磷光，这些激光可以通过三/四倍频532nmNd:YAG激光器实现，进一步降低了成本；再次，本发明设计的自适应步长和大规模并行的非线性信号分析和分级渐进算法，使其提供示踪粒子的互相关信息；最后，本发明设计的磷光衰减比分法，不必像双色法需要2台相机采集图像进行对比，而仅需要1台跨帧相机采集时间序列图像以实现示踪粒子之间的运动轨迹、位移、速度和温度等多物理场同步数据的计算功能，又一次降低了成本。

本发明重点描述的测试系统仅是其中某个经济性版本，而测试原理本身的高分辨率和多物理场同步测试能力并不受此限制，只决定于所采用的激光设备和成像系统的技术水平和经济成本，可以在本发明方案基础上拓展以实现更多功能。如，采用可调谐染料激光器标记荧光、跨帧激光器实现更高时间分辨率、光谱成像仪采集多光谱图谱等。

同时，本发明提供了在紫外波长激光诱导下具有长时磷光发射特性的纳米级磷光示踪粒子及其粒子布撒装置。

本发明提供了非线性信号分析和分级渐进算法，设计了基于磷光光强衰减周期的比分法同步测速和测温运行模式，设计了单脉冲激光器和跨帧相机组合的测试系统具有竞争力，操作简单、经济成本低且具有高时间分辨能力，从而获得高温传热和燃烧场的速度和温度动态特性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明所提供的测试系统一实施例的组成示意图；

图2是本发明所提供的测试方法示意图；

图3是时序控制图；

图4是磷光衰减曲线和比分法示意图；

图5是磷光寿命曲线；

图6是磷光寿命-温度标定曲线图；

图7是互相关算法原理图；

图8(a)是355nm激光器设计图；

图8(b)是266nm激光器设计图；

图9是旋流导引式示踪粒子布撒装置；

图10是高速旋流器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明所提供的激光成像同步测试系统一实施例的设计方案图，测试系统主要包括1台单脉冲紫外固定波长激光器、1台跨帧相机、1套示踪粒子均匀布撒装置和1种高热稳定的纳米级磷光示踪粒子：

(1)单脉冲紫外固定波长激光器由重复频率10Hz的双脉冲532nmNd:YAG激光器进行三/四倍频实现，可以输出单脉冲355nm/266nm紫外波长激光，将用于激发测试区域内均匀布撒的磷光示踪粒子。

(2)跨帧相机采用跨帧CCD传感器，具有4000*2672像素，最小跨帧时间200纳秒；采用128G超大容量存储技术，满足长时间记录的需要，实时显示拍摄图像。

(3)高热稳定的磷光示踪粒子采用稀土金属系列的纳米级固态磷光粉，能够承受2000K以上高温冲击；纳米级粒子响应时间微秒级，在1000m/s气流中的跟随性、热稳定性和化学稳定性良好；具有分钟级以上的长时磷光寿命周期，满足激光脉冲周期内的时间序列成像。

(4)示踪粒子均匀布撒装置采用旋流导引式高压纳米粒子气溶胶生成装置，最大工作压力可以达到12MPa，可携带粒子浓度变化范围为0.01-0.2kg/s。在粒子容器中隔绝纳米粒子与含有水蒸气的空气接触，在纳米粒子周围形成防潮保护层。强化混合的龙卷风结构，使纳米示踪粒子与高压气流充分掺混，形成纳米粒子气溶胶，实现在测试区域的快速、均匀布撒。

图2和图3为测试方法及其时序控制图。355nm/266nm紫外激光片光光源入射待测试验区域，在一个脉冲周期T内由跨帧相机采集曝光时间t的时间序列图像，根据磷光衰减周期的光强灰度变化，采用比分法计算示踪粒子的寿命周期。激光器和相机的时序由同步控制器进行精确控制，实现速度和温度等多物理场的同步测量。

图4为磷光衰减曲线和比分法示意图。在紫外激光激发下，磷光示踪剂将产生磷光。磷光衰减时间随温度两到三个数量级变化，使其可以精确测量温度。基于磷光的随温寿命衰减特性，比分法对温度变化更为敏感，测量原理简单直接，适用于大范围温度测量。而且比分法不像双色法需要2台相机采集图像进行光强对比，仅需要1台相机，大大降低了经济成本。图中不同时刻的磷光光强可以用以下公式表示：

第一时刻：S₁＝AI_iCεΦ_p(1-e^-t/τ)e^-Δt/τ

第二时刻：S₂＝AI_iCεΦ_p(1-e^-t/τ)e^{-(Δt+δt)/τ}

寿命周期：

τ = \frac{δt}{\ln (S_{1} / S_{2})}

由此根据时间序列内不同时刻的磷光光强变化计算互相关示踪粒子的寿命周期，参考寿命周期-温度的标定曲线，计算测试区域内的瞬态温度场。

图7为互相关算法原理图。首先，针对时间序列内不同时刻的磷光图像进行非线性信号分析，提取磷光灰度特征和量化；其次，进行归一化互相关分析，确定磷光示踪粒子的相对位置变化及其互相关性；再次，由此得到的互相关信息，用于计算磷光示踪粒子的运动轨迹、位移和速度；最后，根据上述公式得到的寿命周期，如图5所示，以及寿命-温度标定曲线，如图6所示，计算磷光示踪粒子表征的瞬态温度场。以此算法为核心，采用自适应步长和大规模并行的分级渐进分析方法，形成本发明的磷光图像分析算法，实现了测试区域内时间序列速度和温度的同步动态测量。

图8(a)～图8(b)为多种激光器设计图，主体结构为双脉冲532nmNd:YAG固体激光器。整个激光系统光路由两部分组成，一部分是不可见光基波段即1064nm；另一部分是可见光波段532nm、266nm和355nm。光路系统设计在密闭、稳定、可靠、抗尘抗压的箱体内，外部环境形成的污染几乎对内部光路不会造成任何的不良影响。激光系统能够实现2种355nm/266nm单脉冲单波长激光的输出，利用光路系统的巧妙转换，能够实现激光诱导磷光成像及定量测量。

图9为旋流导引式示踪剂布撒装置。示踪粒子容器1为一次性旋压成型，具有良好耐高压和密封性能；底部采用流化床设计，结合高速旋流器2导引，如图10所示，产生切向旋流和周向旋流，在高压射流驱动系统3作用下，使容器内示踪粒子5强化混合的龙卷风结构，形成高度均匀化示踪粒子混合物6，经过多路耐高压布撒软管4，在测试区域实现快速、均匀布撒。

本发明中双波长激光成像同步测试技术，能够诊断高温(2000K)、高速(1000m/s)的流场或燃烧环境，可以同步给出运动轨迹、位移、速度和温度等多物理场信息。实际测试的时间和空间分辨率取决于硬件设备条件，可以根据成本预算和测试需求形成灵活多变的测试系统。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，其特征在于，利用磷光的长时间衰减特性和温度敏感特性，采用图像互相关算法和磷光光强衰减比分法形成高精度的图像处理算法，通过分析测试区域中均匀分布的磷光示踪粒子受紫外激光激发而形成的磷光灰度图像，计算磷光示踪粒子表征的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息。

2.根据权利要求1所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，其特征在于，所述图像互相关算法是利用自适应步长和大规模并行算法对磷光灰度图像进行非线性信号分析和分级渐进分析，快速实现一个激光脉冲周期内2幅图像之间的高精度匹配，计算磷光示踪粒子表征的速度场及其互相关信息。

3.根据权利要求1所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，其特征在于，所述磷光光强衰减比分法是利用磷光光强衰减周期大小随温度变化的特性，建立磷光寿命周期和温度之间的变化曲线，通过分析互相关的两幅磷光灰度图像，计算磷光寿命周期实现在测试区域中温度的空间分布场及其时间历程。

4.一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，该系统用于完成如权利要求1所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，主要由1台激光器、1台成像系统、1套示踪粒子均匀布撒装置和1种高热稳定的纳米级磷光示踪粒子组成。

5.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述激光器是单脉冲紫外固定波长激光器，对基于532nm的双腔Nd:YAG激光器进行三/四倍频光路设计，输出355nm/266nm的单脉冲单波长激光，能够用于实现紫外激光诱导特定的磷光示踪粒子成像。

6.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述成像系统采用高速芯片和超大容量存储技术，满足长时间图像采集需要，用于实现高热稳定示踪粒子受紫外激光诱导磷光的图像采集。

7.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述示踪粒子均匀布撒装置，包括一次性旋转成型的示踪粒子容器，其底部采用流化床设计，结合高速旋流器导引，利用高压驱动气体形成高速射流，增强磷光热像示踪粒子和周围气流的混合，能够使磷光热像示踪粒子浓度高度均匀化，实现磷光示踪粒子的快速和均匀布撒。

8.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述纳米级磷光示踪粒子具有在单脉冲266nm/355nm紫外激光激发下诱导磷光的能力，其磷光光强的长寿命周期及其对温度敏感的特性满足跨帧相机进行图像采集的需要。

9.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述激光器为可调谐染料激光器或跨帧激光器。

10.根据权利要求4所述的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，其特征在于，所述成像系统为高频相机、高分辨率相机或光谱成像仪。