CN108362906B - 一种分子标记二维速度矢量测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分子标记二维速度矢量测量装置和方法，包括标记激光器、显示激光系统、ICCD相机、延迟发生器和激光整形装置；标记激光器的输出激光经整形为线状光束，显示激光系统的输出激光经整形为片状光束，显示激光的片状光束处于待测流场内，标记激光的线状光束垂直入射到显示激光片状光束的所在的平面内，ICCD相机正对片状光束成像，延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光系统和ICCD相机。本发明利用标记激光线与显示激光片的交点作为流场标记点，通过跟踪标记点在测量平面的位移实现流场速度矢量的测量，与目前常用装置相比，光路系统相对简单，标记位置识别更加容易。
Description
技术领域
本发明属于流场速度测量相关技术领域，特别是一种适用于二维速度矢量的分子标记测量装置和方法。
背景技术
流场特性研究中，需要精确的流场速度数据，用于对流场结构、流场动力学分析以及对计算模型的修正。基于激光的非接触速度测量方法是目前常用的速度测量手段，包括激光多普勒测速技术(Laser Doppler velocimetry,LDV)，粒子成像速度测量技术(Particle image velocimetry,PIV)等。
分子标记速度测量技术(Molecular tagging velocimetry,MTV)是利用流场中的某些分子作为流场标记，通过它们在单位时间内的位移进行流场速度测量的一类技术。它通常利用脉冲激光与流场中某些选定的分子进行相互作用改变分子特性，在激光束上产生具有一定寿命的标记分子，然后通过激光诱导荧光的方法对这些标记分子进行显示，通过跟踪它们在流场中的运动来进行速度计算。由于不需要在流场中撒入粒子，没有流场跟随性问题，能够得到高精度的速度测量结果。产生分子标记的方法有许多种，比如，羟基分子标记速度测量(Hydroxyl tagging velocimetry,HTV)技术利用波长193nm的ArF准分子激光解离流场中的水得到寿命大于几十微秒的OH，再利用OH的平面激光诱导荧光(Planarlaser induced fluorescence,PLIF)对它们在跟随流场的位移情况进行显示，即可实现对流场速度的测量。
通常情况下，将标记激光束和显示激光片调整到同一个平面内，在该平面内观测标记激光产生的标记线跟随流场的移动进行流场速度测量。采用单条(Andrea G.Hsu,Molecular tagging using vibrationally excited nitric oxide in anunderexpanded jet flowfield.AIAA JOURNAL,2009,47(11):2597-2604)或平行的几条标记线(Brett F.Bathel等,Multiple velocity profile measurements in hypersonicflows using sequentially-imaged fluorescence tagging.AIAA 2010-1404)时通常将标记线的方向与流场的主流动方向垂直布置，可以沿标记线得到流场在主流动方向的速度分量。当流动比较复杂时，为了得到流场的二维速度矢量信息，较常采用的方法是将标记线整形为交叉网格，通过跟踪网格中交叉点的运动实现对该处流场的二维速度矢量的测量，布置多个交叉点则可获得平面内的速度矢量分布。这种方法应用较为普遍(C.P.Gendrich等,Molecular tagging velocimetry and other novel applications of a newphosphorescent supramolecule.Experiments in Fluids,1997,23:361-372；L.A.Ribarov等,Multiline hydroxyl tagging velocimetry measurements in reactingand nonreacting experimental flows.Experiments in Fluids,2004,37:65-74)，但是所需的光路整形结构比较复杂，标记激光需从两个不同的方向入射，对标记激光网格和显示激光片的共面要求也很高，尤其在光学窗口尺寸受到限制、运行环境也比较恶劣的发动机试验环境中，实现流场测试代价比较高。
发明内容
本发明的目的是：通过改变光路方式，建立一种新的实现分子标记二维速度矢量测量的装置及方法，解决了现有的非接触速度测量方法光路复杂，抗震动性能差的问题，弥补现有技术在复杂发动机环境中应用的不足。
本发明的思路是将标记激光整形为一组激光线垂直穿过显示激光片，这些标记激光线与显示激光片形成一组交点，在显示激光的作用下，这些交点被显示出来，以这些点作为标记点并跟踪它们在流场中的位移，即可得到在显示激光片平面内流场的速度矢量。
本发明的技术解决方案是提供一种分子标记二维速度矢量测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将显示激光束整形为片状后入射至待测流场内，并使得片状的显示激光束与待测流场平面共面；
步骤二：将标记激光束整形为线状后入射至待测流场平面的测量区域，线状的标记激光束与片状的显示激光束相交，交点记为初始标记点；
步骤三：开启流场后，在线状的标记激光束上产生的标记分子跟随流场流动，在与显示激光片相交处显示为跟随流场移动的标记点，通过ICCD分别记录初始标记点位置和跟随流场移动后的标记点位置，计算得到标记点处的二维速度矢量。
本发明还提供一种实现上述方法的分子标记二维速度矢量测量装置，其特殊之处在于：包括激光标记单元、激光显示单元、成像单元及时间延迟调节装置；
上述激光标记单元包括标记激光器及位于标记激光器出射光路中的第一整形器件；上述标记激光器用于将流场中的特定分子解离为标记分子；上述第一整形器件用于将标记激光器的输出激光整形为多条线状光束；
上述激光显示单元包括显示激光系统及位于显示激光系统出射光路中的第二整形器件；上述显示激光系统用于将标记分子进行荧光显示；上述第二整形器件用于将显示激光系统的输出激光整形为片状光束；
上述片状光束处于待测流场内，并与待测流场平面共面，多条线状光束与片状光束所在的平面相交；
上述成像单元包括ICCD相机，ICCD相机正对片状光束成像；
时间延迟调节装置的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光系统和ICCD相机。
优选地，该测量装置，还包括位于ICCD相机窗口前方的滤光片，上述滤光片对荧光辐射的波长透射，对其他波长吸收或反射。
优选地，上述标记激光器为能够将水解离为羟基的激光器；上述显示激光系统为输出激光能被羟基共振吸收并辐射荧光的激光器。
优选地，上述标记激光器为输出波长等于193nm的ArF准分子激光器。
优选地，根据使用情况调节显示激光波长为282nm左右。
优选地，上述显示激光系统为倍频YAG激光器、可调谐染料激光器和倍频器组成的激光器系统；上述时间延迟调节装置为数字脉冲延迟发生器；多条线状光束与片状光束所在的平面垂直相交。
优选地，上述滤光片的通带中心波长为310nm，半高宽为10nm。
优选地，上述第一整形器件包括沿光路依次设置的扩束镜与线激光整形器；上述第二整形器件为片状激光整形器。
本发明还提供一种利用上述的装置实现二维速度矢量测量的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过时间延迟调节装置控制ICCD相机曝光时间与标记激光器出光、显示激光系统出光时间同步，拍摄各标记点荧光图像，作为各标记点基准图像；
步骤二：开启流场；
步骤三：通过时间延迟调节装置控制ICCD相机曝光时间与显示激光系统出光时间同步，并控制标记激光器出光与显示激光系统出光之间的延时时间t，标记激光器出光在前，显示激光系统出光时间在后，拍摄各标记点随流场移动t时刻后的荧光图像；
步骤四：根据步骤一ICCD相机获取的各标记点基准图像和步骤三ICCD相机获取的各标记点跟随流场移动后的荧光图像，处理得到各标记点移动位移
利用
分别计算得到各个标记点处流场的速度矢量。
本发明的有益效果是：
1、本发明对光路要求更低：与采用标记线网格交叉产生标记点的方式相比，不需对标记激光进行分光，整形更容易实现；不要求标记激光与显示激光片共面重合，增加了技术在强振动环境的适应能力；标记激光从单一方向入射，对于发动机等内流场测量，对光学窗口的尺寸要求更低。
2、本发明产生的标记点为圆点，其尺寸可以通过控制标记激光和显示激光的相交位置进行调节，更有利于对标记位移的精确识别。
附图说明
图1为分子标记二维速度矢量原理示意图；
图2为分子标记二维速度矢量测量装置示意图；
图3为实施例中标记点显示示意图；
附图标记如下：
1-线状标记激光束，2-片状显示激光束，3-流场流动方向，4-流场，5-初始标记点，6-标记点移动位移，7-跟随流场移动后的标记点，8-标记激光器，9-扩束整形镜，10-线激光整形器，11-带通滤光片，12-ICCD相机，13-计算机，14-延迟发生器，15-片激光整形器，16-显示激光系统。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
分子标记二维速度矢量测量原理如图1所示，显示激光束被整形为激光片，称为片状显示激光束2，片状显示激光束2入射到流场4内，并与待测流场平面共面，线状标记激光束1(图中示意了三束，实际应用可根据需要选择激光束数量)垂直于待测流场平面入射到测量区域，与片状显示激光束2形成的交点称为初始标记点5。在线状标记激光束1上产生的标记分子跟随流场流动，初始标记点5也发生位移，通过ICCD分别记录初始标记点5位置和跟随流场移动后的标记点7位置，从而计算得到标记点处的二维速度矢量。
分子标记二维速度矢量测量基本步骤为：
[1]利用光学器件(透镜阵列、扩束镜、反射镜等)将标记激光整形成单个或多个激光束；
[2]利用光学器件(透镜、扩束镜、反射镜等)将显示激光整形为片状光，使其与待测流场面重合，将标记激光垂直入射到显示激光片平面内；
[3]设置ICCD相机曝光时间与标记激光器出光、显示激光系统出光时间同步，拍摄标记点荧光图像，作为标记点基准图像；
[4]开启流场；
[5]调节ICCD相机曝光时间与显示激光出光时间同步，将标记激光器出光与显示激光系统出光之间的延时调节为预设时间t，标记激光器出光在前，显示激光系统出光时间在后，拍摄标记点随流场移动t时刻后的荧光图像；
[6]根据ICCD相机获取的标记点基准图像和跟随流场移动后的图像，处理得到各标记点移动位移
利用
分别计算得到各个标记点处流场的速度矢量。
图2为本发明测量装置示意图，主要包括标记激光器8、显示激光系统16、ICCD相机12和延迟发生器14；所述的标记激光器8的输出激光经扩束整形镜9和线激光整形器10整形为标记线状激光束1，所述显示激光系统16的输出激光经片状激光整形器15整形为片状显示激光束2，所述的标记线状激光束1与片状显示激光束2垂直，片状显示激光束2处于待测流场4内，ICCD相机12正对片状显示激光束2成像，延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器7、显示激光系统16和ICCD相机12。
实施例：
本实施例具体为OH标记二维速度矢量测量技术。标记激光器8是ArF准分子激光器，其输出波长为193nm，脉冲能量约50mJ，脉冲宽度20ns，与流场中的水相互作用产生OH作为流场标记。显示激光系统16为倍频YAG激光器+可调谐染料激光器+倍频器系统，输出激光波长约282nm，能量约5mJ，脉冲宽度8ns。通过波长调谐，使显示激光能够被OH共振吸收并产生波长约310nm的荧光辐射。拍摄OH荧光的门控ICCD相机前增加了带通滤光片，通带中心波长310nm，半高宽10nm，可滤除OH荧光辐射外的干扰光。ICCD相机开门时间设置为50ns，时间延迟调节装置为一台数字脉冲延迟发生器。
具体的步骤如下：
[1]两个垂直放置的柱面透镜组(每个透镜组由5个宽5mm高20mm，焦距300mm的柱面透镜组成)将ArF输出的20mm×8mm的矩形光束整形为一组4×2共8束聚焦光束，焦点处光束直径约0.25mm；
[2]显示激光经光束整形后形成宽度40mm，厚度0.5mm的片状光束，通过波长调谐，使显示激光能够被OH共振吸收并产生波长约310nm的荧光辐射；
[3]通过调整，使得显示激光片平面与待测流场面重合，标记激光束组垂直入射到显示激光片平面内，在其焦点附近与显示激光片相交形成4×2阵列的8个大小约0.25mm的标记点，如图3；
[4]调整ICCD相机镜头，使待测流场区域清晰成像；
[5]设置延迟发生器的延时时间，使ICCD相机曝光时间与标记激光器出光、显示激光系统出光时间同步，拍摄标记点荧光图像，作为标记点基准图像；
[6]开启流场；
[7]调节延迟发生器参数，保持ICCD相机曝光时间与显示激光出光时间同步，将标记激光器出光与显示激光系统出光之间的延时调节为预设时间t＝2μs，标记激光器出光在前，显示激光系统出光时间在后，拍摄标记点随流场移动t时刻后的荧光图像；
[8]根据ICCD相机获取的标记点基准图像和跟随流场移动后的图像，处理得到各标记点移动位移
利用
分别计算得到各个标记点处流场的速度矢量。
Claims (9)
1.一种分子标记二维速度矢量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将显示激光束整形为片状后入射至待测流场内，并使得片状的显示激光束与待测流场平面共面；
步骤二：将标记激光束整形为线状后入射至待测流场平面的测量区域，线状的标记激光束与片状的显示激光束垂直相交，交点记为初始标记点；
步骤三：控制ICCD相机曝光时间与标记激光束出光、显示激光束出光时间同步，拍摄初始标记点的荧光图像，作为各标记点基准图像；
步骤四：开启流场，调节ICCD相机曝光时间与显示激光束出光时间同步，并控制标记激光束出光与显示激光束出光之间的延时时间t，标记激光束出光在前，显示激光束出光时间在后，拍摄各标记点跟随流场移动t时刻后的荧光图像；
步骤五：根据ICCD相机获取的基准图像和跟随流场移动t时刻后的荧光图像，处理得到各标记点移动位移
利用
分别计算得到各个标记点处流场的速度矢量。
2.一种实现权利要求1所述方法的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：包括激光标记单元、激光显示单元、成像单元及时间延迟调节装置；
所述激光标记单元包括标记激光器及位于标记激光器出射光路中的第一整形器件；所述标记激光器用于将流场中的特定分子解离为标记分子；所述第一整形器件用于将标记激光器的输出激光整形为多条线状光束；
所述激光显示单元包括显示激光系统及位于显示激光系统出射光路中的第二整形器件；所述显示激光系统用于将标记分子进行荧光显示；所述第二整形器件用于将显示激光系统的输出激光整形为片状光束；
所述片状光束处于待测流场内，并与待测流场平面共面，多条线状光束与片状光束所在的平面垂直相交；
所述成像单元包括ICCD相机，ICCD相机正对片状光束成像；
时间延迟调节装置的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光系统和ICCD相机。
3.根据权利要求2所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：还包括位于ICCD相机窗口前方的滤光片，所述滤光片对荧光辐射的波长透射，对其他波长吸收或反射。
4.根据权利要求3所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述标记激光器为能够将水解离为羟基的激光器；所述显示激光系统为输出激光能被羟基共振吸收并辐射荧光的激光器。
5.根据权利要求4所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述标记激光器为输出波长等于193nm的ArF准分子激光器。
6.根据权利要求5所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述显示激光系统的输出波长为282nm。
7.根据权利要求6所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述显示激光系统为倍频YAG激光器、可调谐染料激光器和倍频器组成的激光器系统；所述时间延迟调节装置为数字脉冲延迟发生器。
8.根据权利要求3-7任一所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述滤光片的通带中心波长为310nm，半高宽为10nm。
9.根据权利要求8所述的分子标记二维速度矢量测量装置，其特征在于：所述第一整形器件包括沿光路依次设置的扩束镜与线激光整形器；所述第二整形器件为片状激光整形器。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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