CN108956578B - 一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明中线光源收集器置45度反射镜正上方，拉曼成像系统置线光束左侧，荧光光谱成像系统置线光束右侧，拉曼成像系统和荧光光谱成像系统的中心线重合；片状光源激光器系统置线光束正后方，片光源收集器置线光束正前方，且片光源收集器与片状光源激光器系统中片状光源发生器之间为探测区；拉曼成像系统和荧光光谱成像系统的同一中心线垂直于长方体片状光源激发区的cdeh平面；脉冲延迟发生器置45度反射镜正下方。本发明能获取复杂燃烧场中实时原位定量的二维浓度分布数据，其光学测量结果与数值模拟计算结果能互相验证补充，并为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。

Description

一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统
技术领域
本发明属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统。
背景技术
高效清洁燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)中的各种燃料的燃烧，还是供电供热的煤燃烧系统、基础研究用的各种燃烧器的燃烧等，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬变性、爆炸恶劣性等问题，人们很难直接观测到这些环境中的燃烧状态，更难获取燃烧室内的各种物种的浓度、温度和速度的微观物理信息，有时仅依赖于燃烧理论数值模拟计算，但缺乏实验验证。随着科技的发展，各种激光燃烧诊断技术无疑为诊断燃烧过程提供了可能性。
对于瞬态燃烧场中的燃料的浓度分布探测至关重要，其分布的均匀和不均匀性及定量的控制燃料浓度场分布位置，都会影响接下来的燃烧的优劣程度。平面激光诱导荧光(PLIF)技术已经广泛应用于各种燃烧场(如光学发动机缸内、燃烧炉内等)的二维浓度分布测量中。通常在燃料中掺混适量的丙酮或3-戊酮作为燃料示踪剂，通过燃烧场中示踪剂的荧光分布来表示燃料的分布。但由于荧光的淬灭性质，导致PLIF测量只是得到相对的燃料的分布信息，不能得到定量信息。如果进行PLIF定量标定，一般常用的方法一种是利用燃烧完成后的废气分析，但由于其燃烧的滞后性和排气的不完整性(如发动机中存在残余气体)，使得废气分析的浓度结果要比光学结果偏高很多，并是非实时性的；另一种方法是先在已知示踪剂浓度的一个气体样池中完成定量标定，其结果反推到实际测量环境中，但由于在实际测量中存在密封用的玻璃窗口被燃烧产物污染问题，造成两者信号对应的不确定性，并且也存在非实时性问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的浓度分布光学测量系统。通过激光自发振动拉曼散射测试技术，可以实现复杂燃烧环境下的具有拉曼活性的主要气态物种的浓度(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等摩)和区域温度的空间一维的原位检测，它具有测量的非接触性、多物种检测同步性、时间(纳秒级)和空间(毫秒)分辨能力，并且其光谱信号对淬灭不敏感，其光谱信号强度随压力呈线性增强变化。但由于气体拉曼信号较弱，很难实现二维的定量浓度信息，只能完成激光聚焦点或线上的浓度检测。目前它已经广泛应用于如内燃机缸内或某封闭或大气环境下的燃烧体系内的浓度场测量中。
本发明由工控机Ⅰ、拉曼成像系统Ⅱ、片状光源激光器系统Ⅲ、线状光源激光器系统Ⅳ、荧光光谱成像系统Ⅴ、线光源收集器1、片光源收集器2和脉冲延迟发生器3组成，其中脉冲延迟发生器3上设有同步输出端口Ⅰv、同步输出端口Ⅱw、同步输出端口Ⅲx和同步输出端口Ⅳy。线光源收集器1置于线状光源激光器系统Ⅳ中45度反射镜18的正上方，且45度反射镜18的线光束24正对线光源收集器1的入口。拉曼成像系统Ⅱ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的左侧，荧光光谱成像系统Ⅴ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的右侧，拉曼成像系统Ⅱ和荧光光谱成像系统Ⅴ的中心，在同一条中心线14上。片状光源激光器系统Ⅲ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的正后方。片光源收集器2置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的正前方，且片光源收集器2与片状光源激光器系统Ⅲ中片状光源发生器17之间为探测区，探测区中部为由a、b、c、d、e、f、g、a连线形成的长方体片状光源激发区H，其高度为af连线，de连线、bg连线、ch连线与af连线相等，其长度为ab连线，dc连线、fg连线、eh连线与ab连线相等，其宽度为ad连线，bc连线、hg连线、ef连线与ad连线相等。拉曼成像系统Ⅱ和荧光光谱成像系统Ⅴ的同一中心线14垂直于长方体片状光源激发区H的cdeh平面；线状光源激光器系统Ⅳ中的线光束24从下至上穿过长方体片状光源激发区H，并形成圆柱形线状光源激发区i；圆柱形线状光源激发区i与中心线14相交并垂直，圆柱形线状光源激发区i的直径等于长方体片状光源激发区H的宽度ad。脉冲延迟发生器3置于线状光源激光器系统Ⅳ中45度反射镜18的正下方。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅰv经专用电缆与片状光源激光器系统Ⅲ中泵浦灯外触发输入端口Ⅲp连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅱw经专用电缆与拉曼成像系统Ⅱ中外同步触发输入端口Ⅰm连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅲx经专用电缆与荧光光谱成像系统Ⅴ中外同步触发输入端口Ⅱt连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅳy经专用电缆与线状光源激光器系统Ⅳ中泵浦灯外触发输入端口Ⅳr连接。拉曼成像系统Ⅱ的触发输出端口Ⅰn经专用电缆与片状光源激光器系统Ⅲ中Q开关外触发输入端口Ⅰo连接。拉曼成像系统Ⅱ的数据输出端口Ⅰl经专用电缆与工控机Ⅰ中数据输入端口Ⅰj连接。荧光光谱成像系统Ⅴ的触发输出端口Ⅱu经专用电缆与线状光源激光器系统Ⅳ中Q开关外触发输入端口Ⅱq连接。荧光光谱成像系统Ⅴ的数据输出端口Ⅱs经专用电缆与工控机Ⅰ中数据输入端口Ⅱk连接。
所述的工控机Ⅰ由显示器4和主机5组成，显示器4置于主机5上，主机5内设有拉曼ICCD相机采集卡6和荧光ICCD相机采集卡7，拉曼ICCD相机采集卡6设有数据输入端口Ⅰj，荧光ICCD相机采集卡7设有数据输入端口Ⅱk。
所述的拉曼成像系统Ⅱ由拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13组成，其中拉曼ICCD相机8上设有数据输出端口Ⅰl、外同步触发输入端口Ⅰm和触发输出端口Ⅰn。拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13自左至右顺序排列，且拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13的中心在一条中心线14上。
所述的片状光源激光器系统Ⅲ由荧光激光器控制器15、荧光激光器16和片状光源发生器17组成，其中荧光激光器控制器15上设有Q开关外触发输入端口Ⅰo和泵浦灯外触发输入端口Ⅲp；荧光激光器控制器15、荧光激光器16和片状光源发生器17自后至前顺序排列。
所述的线状光源激光器系统Ⅳ由45度反射镜18、聚焦镜19、脉冲展宽器20、偏振片21、拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23组成，其中拉曼激光器控制器23上设有Q开关外触发输入端口Ⅱq和泵浦灯外触发输入端口Ⅳr。拉曼激光器控制器23、拉曼激光器22、偏振片21、脉冲展宽器20和聚焦镜19自右至左顺序排列，聚焦镜19、脉冲展宽器20、偏振片21、拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23的中心在一条水平线上，45度反射镜18置于聚焦镜19左方，且45度反射镜18与聚焦镜19成45度角，由聚焦镜19从右向左水平方向出射的光束按45度的入射角入射到45度反射镜18，又按45度反射角从下到上形成竖直的线光束24。
所述的荧光光谱成像系统Ⅴ由片光成像收集器25和荧光ICCD相机26组成，其中荧光ICCD相机26设有数据输出端口Ⅱs、外同步触发输入端口Ⅱt和触发输出端口Ⅱu；片光成像收集器25和荧光ICCD相机26自右至左排列，且荧光ICCD相机26和片光成像收集器25的中心在一条中心线14上。
本发明组合非定量的二维PLIF技术和定量的一维激光拉曼技术两种成熟方法的优点，获取复杂燃烧场中实时原位定量的二维浓度分布数据，其光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。
附图说明
图1为光学检测系统的结构示意图
图2为工控机Ⅰ的结构示意图
图3为拉曼成像系统Ⅱ的结构示意图
图4为片状光源激光器系统Ⅲ结构示意图
图5为线状光源激光器系统Ⅳ的结构示意图
图6为荧光光谱成像系统Ⅴ的结构示意图
图7为时序图
其中：Ⅰ.工控机 Ⅱ.拉曼成像系统 Ⅲ.片状光源激光器系统 Ⅳ.线状光源激光器系统 Ⅴ.荧光光谱成像系统 1.线光源收集器 2.片光源收集器 3.脉冲延迟发生器 4.显示器 5.主机 6.拉曼ICCD相机采集卡 7.荧光ICCD相机采集卡 8.拉曼ICCD相机 9.转接器10.拉曼光谱仪 11.入口狭缝 12.滤光片 13.线光源成像收集器 14.中心线 15.荧光激光器控制器 16.荧光激光器 17.片状光源发生器 18.45度反射镜 19.聚焦镜 20.脉冲展宽器 21.偏振片 22.拉曼激光器 23.拉曼激光器控制器 24.线光束 25.片光成像收集器26.荧光ICCD相机 H.长方体片状光源激发区 i.圆柱形线状光源激发区 j.数据输入端口Ⅰk.数据输入端口Ⅱ l.数据输出端口Ⅰ m.外同步触发输入端口Ⅰ n.触发输出端口Ⅰ o.Q开关外触发输入端口Ⅰ p.泵浦灯外触发输入端口Ⅲ q.Q开关外触发输入端口Ⅱ r.泵浦灯外触发输入端口Ⅳ s.数据输出端口Ⅱ t.外同步触发输入端口Ⅱ u.触发输出端口Ⅱ v.同步输出端口Ⅰ w.同步输出端口Ⅱ x.同步输出端口Ⅲ y.同步输出端口Ⅳ
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1所示，本发明由工控机Ⅰ、拉曼成像系统Ⅱ、片状光源激光器系统Ⅲ、线状光源激光器系统Ⅳ、荧光光谱成像系统Ⅴ、线光源收集器1、片光源收集器2和脉冲延迟发生器3组成，其中脉冲延迟发生器3上设有同步输出端口Ⅰv、同步输出端口Ⅱw、同步输出端口Ⅲx和同步输出端口Ⅳy。线光源收集器1置于线状光源激光器系统Ⅳ中45度反射镜18的正上方，且45度反射镜18的线光束24正对线光源收集器1的入口。拉曼成像系统Ⅱ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的左侧，荧光光谱成像系统Ⅴ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的右侧，拉曼成像系统Ⅱ和荧光光谱成像系统Ⅴ的中心，在同一条中心线14上；片状光源激光器系统Ⅲ置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的正后方。片光源收集器2置于线状光源激光器系统Ⅳ中线光束24的正前方，且片光源收集器2与片状光源激光器系统Ⅲ中片状光源发生器17之间为探测区，探测区中部为由a、b、c、d、e、f、g、a连线形成的长方体片状光源激发区H，其高度为af连线，de连线、bg连线、ch连线与af连线相等，其长度为ab连线，dc连线、fg连线、eh连线与ab连线相等，其宽度为ad连线，bc连线、hg连线、ef连线与ad连线相等。拉曼成像系统Ⅱ和荧光光谱成像系统Ⅴ的同一中心线14垂直于长方体片状光源激发区H的cdeh平面；线状光源激光器系统Ⅳ中的线光束24从下至上穿过长方体片状光源激发区H，并形成圆柱形线状光源激发区i；圆柱形线状光源激发区i与中心线14相交并垂直，圆柱形线状光源激发区i的直径等于长方体片状光源激发区H的宽度ad。脉冲延迟发生器3置于线状光源激光器系统Ⅳ中45度反射镜18的正下方。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅰv经专用电缆与片状光源激光器系统Ⅲ中泵浦灯外触发输入端口
Ⅲp连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅱw经专用电缆与拉曼成像系统Ⅱ中外同步触发输入端口Ⅰm连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅲx经专用电缆与荧光光谱成像系统Ⅴ中外同步触发输入端口Ⅱt连接。脉冲延迟发生器3的同步输出端口Ⅳy经专用电缆与线状光源激光器系统Ⅳ中泵浦灯外触发输入端口Ⅳr连接。拉曼成像系统Ⅱ的触发输出端口Ⅰn经专用电缆与片状光源激光器系统Ⅲ中Q开关外触发输入端口Ⅰo连接。拉曼成像系统Ⅱ的数据输出端口Ⅰl经专用电缆与工控机Ⅰ中数据输入端口Ⅰj连接。荧光光谱成像系统Ⅴ的触发输出端口Ⅱu经专用电缆与线状光源激光器系统Ⅳ中Q开关外触发输入端口Ⅱq连接。荧光光谱成像系统Ⅴ的数据输出端口Ⅱs经专用电缆与工控机Ⅰ中数据输入端口Ⅱk连接。
如图2所示，所述的工控机Ⅰ由显示器4和主机5组成，显示器4置于主机5上，主机5内设有拉曼ICCD相机采集卡6和荧光ICCD相机采集卡7，拉曼ICCD相机采集卡6设有数据输入端口Ⅰj，荧光ICCD相机采集卡7设有数据输入端口Ⅱk。
如图3所示，所述的拉曼成像系统Ⅱ由拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13组成，其中拉曼ICCD相机8上设有数据输出端口Ⅰl、外同步触发输入端口Ⅰm和触发输出端口Ⅰn。拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13自左至右顺序排列，且拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪10、入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13的中心在一条中心线14上。
如图4所示，所述的片状光源激光器系统Ⅲ由荧光激光器控制器15、荧光激光器16和片状光源发生器17组成，其中荧光激光器控制器15上设有Q开关外触发输入端口Ⅰo和泵浦灯外触发输入端口Ⅲp；荧光激光器控制器15、荧光激光器16和片状光源发生器17自后至前顺序排列。
如图5所示，所述的线状光源激光器系统Ⅳ由45度反射镜18、聚焦镜19、脉冲展宽器20、偏振片21、拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23组成，其中拉曼激光器控制器23上设有Q开关外触发输入端口Ⅱq和泵浦灯外触发输入端口Ⅳr。拉曼激光器控制器23、拉曼激光器22、偏振片21、脉冲展宽器20和聚焦镜19自右至左顺序排列，聚焦镜19、脉冲展宽器20、偏振片21、拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23的中心在一条水平线上，45度反射镜18置于聚焦镜19左方，且45度反射镜18与聚焦镜19成45度角，由聚焦镜19从右向左水平方向出射的光束按45度的入射角入射到45度反射镜18，又按45度反射角从下到上形成竖直的线光束24。
如图6所示，所述的荧光光谱成像系统Ⅴ由片光成像收集器25和荧光ICCD相机26组成，其中荧光ICCD相机26设有数据输出端口Ⅱs、外同步触发输入端口Ⅱt和触发输出端口Ⅱu；片光成像收集器25和荧光ICCD相机26自右至左排列，且荧光ICCD相机26和片光成像收集器25的中心在一条中心线14上。
本发明的具体连接过程和要求如下：
本发明中将工控机Ⅰ、拉曼成像系统Ⅱ、片状光源激光器系统Ⅲ、荧光光谱成像系统Ⅴ和片光收集器2放置于同一水平面的光学平台上。将线状光源激光器系统Ⅳ和脉冲延迟发生器3放置于另一水平面的光学平台上，在该光学平台上用磁力座支架放置线光源收集器1于线光束24的上侧。在光学平台的中央布置燃烧场环境。线光源成像收集器13、滤光片12、拉曼光谱仪10和拉曼ICCD相机8依次放置在燃烧场环境左侧；拉曼光谱仪10的入口狭缝11的高度方向与线光束24平行。片光成像收集器25和荧光ICCD相机26依次放置在燃烧环境的右侧。片状光源发生器17、荧光激光器16和荧光激光器控制器15依次放置在燃烧场环境后侧。片光源收集器2放置在燃烧环境的前侧。
用专用电缆分别连接：脉冲延迟发生器3的同步输出通道端口Ⅰv与片状光源激光器系统Ⅲ中荧光激光器控制器15的泵浦灯外触发输入端口Ⅲp连接。脉冲延迟发生器3的同步输出通道端口Ⅱw与拉曼成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机8的外同步触发输入端口Ⅰm连接。脉冲延迟发生器3的同步输出通道端口Ⅲx与荧光光谱成像系统Ⅴ中荧光ICCD相机25的外同步触发输入端口Ⅱt连接。脉冲延迟发生器3的同步输出通道端口Ⅳy与线状光源激光器系统Ⅳ中拉曼激光器控制器23的外同步触发输入端口Ⅳr连接。拉曼成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机8中的触发输出端口Ⅰn与片状光源激光器系统Ⅲ中荧光激光器控制器15的Q开关外触发输入端口Ⅰo连接。荧光光谱成像系统Ⅴ中荧光ICCD相机25的触发输出端口Ⅱu与线状光源激光器系统Ⅳ中拉曼激光器控制器23的Q开关外触发输入端口Ⅱq连接。拉曼成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机8中的数据输出端口Ⅰl与工控机Ⅰ中主机5内拉曼ICCD相机采集卡6的数据输入口Ⅰj连接。荧光光谱成像系统Ⅴ中荧光ICCD相机25中的数据输出端口Ⅱs与工控机Ⅰ中主机5内荧光ICCD相机采集卡7的数据输入口Ⅱk连接。片状光源激光器系统Ⅲ中的荧光激光器控制器15和荧光激光器16之间用专用电缆连接。线状光源激光器系统Ⅳ中的拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23用专用电缆连接。
拉曼成像系统Ⅱ中的拉曼ICCD相机8与拉曼光谱仪10用转接器9连通。
初步调整各光学器件中心高度：使得拉曼ICCD相机8、转接器9、拉曼光谱仪的入口狭缝11、滤光片12和线光源成像收集器13的轴向中心在同一水平面内，其中心线为14；片光成像收集器25和荧光ICCD相机26的轴向中心在同一水平面内，其中心线为14。荧光激光器16激光出口、片状光源发生器17和片光源收集器2的轴向中心在同一水平面内，其中心线与中心线14互相垂直相交。45度反射镜18、聚焦镜19、脉冲展宽器20、偏振片21和拉曼激光器22激光出口的轴向中心在同一水平面内。45度反射镜18与其放置的光学平台呈45度角放置，其反射面朝上方，形成竖直上方的线光束24，线光束24与中心线14互相垂直相交。线光源收集器1轴向中心线与线光束24重合。
所有设备通电并预热，设置各仪器旋钮位置，输入仪器各测量参数，进入工控机Ⅰ上的主控程序。
精确调整各光学器件中心多维度位置：燃烧环境场接通大气状态。片状光源激光器系统Ⅲ出射调试用的低能量的532nm(纳米)可见光片状激光，在燃烧场环境内现成长方体片状光源激发区H；线状光源激光器系统Ⅳ出射调试用的低能量的532nm可见光线光束24，在长方体片状光源激发区H内形成圆柱形线状光源激发区i。将滤光片12移开，允许圆柱形线状光源激发区i上的532nm可见光的散射光进入到拉曼光谱仪10的入口狭缝11中。将通过荧光ICCD相机26和拉曼ICCD相机8的实时成像功能模式，同时由荧光ICCD相机采集卡6和拉曼ICCD相机采集卡7同步测量长方体片状光源激发区H上的片状激光信号和圆柱形线状光源激发区i上的线状激光信号。微调所有设备和镜架的高度、左右和前后位置、倾角和俯仰，保证显示器4上显示的分别由这两台相机所接收到的圆柱形线状光源激发区i的两个实像重合并在显示器1的屏幕上竖直或水平。最后再放回滤光片12到原来的位置，阻止圆柱形线状光源激发区i上的532nm可见光的散射光进入到拉曼光谱仪10的入口狭缝11中，以防止影响测量实际的拉曼信号。
测量实际燃烧场环境下的激光诱导荧光光谱和激光自发振动拉曼散射光谱：燃烧场环境以异辛烷作为燃料，其内掺混丙酮，作为荧光示踪剂，用于表征在空气中的燃料分布状况。片状光源激光器系统Ⅲ出射实验用的高能量的355nm可见光片状激光，在燃烧场环境内现成长方体片状光源激发区H；线状光源激光器系统Ⅳ出射实验用的高能量的532nm可见光线光束24，在长方体片状光源激发区H内形成圆柱形线状光源激发区i。将荧光ICCD相机26和拉曼ICCD相机8设置到测量功能模式下，按照图7所示的同步时序图，由工控机Ⅰ内的主程序同步测量长方体片状光源激发区H上的荧光光谱信号和圆柱形线状光源激发区i上的拉曼光谱信号，逐渐旋转偏振片21位置，直到激光自发振动拉曼散射燃料光谱信号强度达到最大值，固定偏振片21位置。再次同步测量这两种光谱信号。
拉曼光谱实时原位标定荧光光谱：利用工控机Ⅰ上的主控程序，将圆柱形线状光源激发区i上的拉曼光谱信号按拉曼ICCD相机8的CCD自下至上纵向方向分成等间距的n个通道区域，n的大小取决于每个通道区域的燃料拉曼光谱信号的强度。用这每个通道区域上的燃料的拉曼光谱信号强度计算出燃料浓度值。由荧光ICCD相机26在相应的每个通道区域上的荧光光谱信号强度与对应通道区域上的燃料浓度值计算出相对响应因子。根据这个相对响应因子可以得到整个长方体片状光源激发区H内的每个具有相同大小的通道区域上的定量的燃料浓度值。
实施例：
如图1所示，台湾研华610H型工控机Ⅰ内的Intel主板上分别插入拉曼ICCD相机采集卡6和荧光ICCD相机采集卡7。在拉曼成像系统Ⅱ中，选用自制的线光源成像收集器13，滤光片12为Semrock公司的NF01-532U-25型Notch滤光片，去阻止532nm波长散射激光进入拉曼光谱仪10的入口狭缝11中，拉曼光谱仪10为美国BRUKER公司的Surespectrum 500is/sm成像光栅光谱仪，选择600g/mm(刻线/毫米)光栅，入口狭缝11宽度设置为350μm(微米)，高度为12mm，其出口配有英国Andor公司的DH720-18F-03增强型CCD的拉曼ICCD相机8。在片光光源激光器系统Ⅲ中，荧光激光器控制器15和荧光激光器16选用立陶宛EKSPLA UAB公司的NT342C型波长连续可调OPO纳秒脉冲激光器，出射355nm激光，实验能量160mJ,频率为10Hz；片状光源发生器17为德国LaVision公司的UV片光源成像器件，在燃烧场环境中形成的长方体片状光源激发区H的高度为af(＝de＝bg＝ch)为66mm，其长度为ab(＝dc＝fg＝eh)为80mm，其宽度为ad(＝bc＝hg＝ef)为0.5mm，线光源收集器1收集这个片状光源。线状光源激光器系统Ⅳ中拉曼激光器22和拉曼激光器控制器23为白俄罗斯LOTIS TII公司的LS2137型激光器系统，其出射532nm激光，脉宽半高宽(FWHM)约为7ns，频率为10Hz，实验激发能量E为380mJ；偏振片21为线偏振1/2波片，直径为25mm，在采集实验室环境空气的激光拉曼光谱时，通过旋转该波片位置，达到拉曼光谱信号的最大值；自制的脉冲展宽器20将7ns的激光FWHM展宽到35纳秒；由焦长为1000mm、直径为25mm的平凸石英透镜聚焦镜19聚集，经过一个532nm增强镀膜的45度反射镜18，形成线光束24，在燃烧场环境中形成直径为0.5mm的圆柱形线状光源激发区i；线光源成像收集器13收集线光束24。圆柱形线状光源激发区i是长方体片状光源激发区H的一部分。燃烧场环境是一台自制的光学单缸汽油发动机缸内燃烧前的异辛烷和空气混合环境。荧光光谱成像系统Ⅴ中，选用自制的片光成像收集器25，荧光ICCD相机26为德国LaVision公司的IRO+Imager proX ICCD相机。脉冲延迟发生器3为美国STANFORD公司的DG645脉冲延迟发生器。
如图7所示，其中：A为同步输出端口Ⅰv信号；同步输出端口Ⅱw信号；同步输出端口Ⅲx信号；同步输出端口Ⅳy信号。B为触发输出端口Ⅰn信号和触发输出端口Ⅱu信号。C为拉曼激光器22和荧光激光器16输出的原始时域波形(脉宽半高宽为7ns)。D为从脉冲展宽器输出的线光束24的时域波形(脉宽半高宽为35ns)。E为数据输出端口Ⅰl的拉曼信号。F为数据输出端口Ⅱs的荧光信号。G为拉曼ICCD相机8和荧光ICCD相机26的内触发信号。A1为脉冲间隔，取0.1s。B1为线光束24最佳延迟时间，取140μs。G1为拉曼ICCD相机8和荧光利ICCD相机26的门延迟时间，取140.14μs。G2为拉曼ICCD相机8和瑞利ICCD相机26的门宽，取40ns。A、B、C、D、E、F和G曲线的频率均为10Hz。

Claims (6)

1.一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：由工控机(Ⅰ)、拉曼成像系统(Ⅱ)、片状光源激光器系统(Ⅲ)、线状光源激光器系统(Ⅳ)、荧光光谱成像系统(Ⅴ)、线光源收集器(1)、片光源收集器(2)和脉冲延迟发生器(3)组成，其中工控机(Ⅰ)、拉曼成像系统(Ⅱ)、片状光源激光器系统(Ⅲ)、荧光光谱成像系统(Ⅴ)和片光源收集器(2)放置于同一水平面的光学平台上；线状光源激光器系统(Ⅳ)和脉冲延迟发生器(3)放置于另一水平面的光学平台上，在该光学平台上用磁力座支架放置线光源收集器(1)于线光束(24)的上侧；在光学平台的中央布置燃烧场环境；线光源成像收集器(13)、滤光片(12)、拉曼光谱仪(10)和拉曼ICCD相机(8)依次放置在燃烧场环境左侧；拉曼光谱仪(10)的入口狭缝(11)的高度方向与线光束(24)平行；片光成像收集器(25)和荧光ICCD相机(26)依次放置在燃烧环境的右侧；片状光源发生器(17)、荧光激光器(16)和荧光激光器控制器(15)依次放置在燃烧场环境后侧；片光源收集器(2)放置在燃烧环境的前侧；脉冲延迟发生器(3)上设有同步输出端口Ⅰ(v)、同步输出端口Ⅱ(w)、同步输出端口Ⅲ(x)和同步输出端口Ⅳ(y)；线光源收集器(1)置于线状光源激光器系统(Ⅳ)中45度反射镜(18)的正上方，且45度反射镜(18)的线光束(24)正对线光源收集器(1)的入口； 拉曼成像系统(Ⅱ)置于线状光源激光器系统(Ⅳ)中线光束(24)的左侧，荧光光谱成像系统(Ⅴ)置于线状光源激光器系统(Ⅳ)中线光束(24)的右侧，拉曼成像系统(Ⅱ)和荧光光谱成像系统(Ⅴ)的中心，在同一条中心线(14)上；片状光源激光器系统(Ⅲ)置于线状光源激光器系统(Ⅳ) 中线光束(24)的正后方，片光源收集器(2) 置于线状光源激光器系统(Ⅳ)中线光束(24)的正前方，且片光源收集器(2)与片状光源激光器系统(Ⅲ)中片状光源发生器(17)之间为探测区，探测区中部为由a、b、c、d、e、f、g、a连线形成的长方体片状光源激发区(H)，其高度为af连线， de连线、bg连线、ch连线与af连线相等，其长度为ab连线，dc连线、fg连线、eh连线与ab连线相等，其宽度为ad连线， bc连线、hg连线、ef连线与ad连线相等；拉曼成像系统(Ⅱ)和荧光光谱成像系统(Ⅴ)的同一中心线(14)垂直于长方体片状光源激发区(H)的cdeh平面；线状光源激光器系统(Ⅳ)中的线光束(24)从下至上穿过长方体片状光源激发区(H)，并形成圆柱形线状光源激发区(i)；圆柱形线状光源激发区(i)与中心线(14)相交并垂直，圆柱形线状光源激发区(i)的直径等于长方体片状光源激发区(H)的宽度ad；脉冲延迟发生器(3)置于线状光源激光器系统(Ⅳ)中45度反射镜(18)的正下方，脉冲延迟发生器(3)的同步输出端口Ⅰ(v)经专用电缆与片状光源激光器系统(Ⅲ)中泵浦灯外触发输入端口Ⅲ(p)连接；脉冲延迟发生器(3)的同步输出端口Ⅱ(w)经专用电缆与拉曼成像系统(Ⅱ)中外同步触发输入端口Ⅰ(m)连接；脉冲延迟发生器(3)的同步输出端口Ⅲ(x)经专用电缆与荧光光谱成像系统(Ⅴ)中外同步触发输入端口Ⅱ(t)连接；脉冲延迟发生器(3)的同步输出端口Ⅳ(y)经专用电缆与线状光源激光器系统(Ⅳ)中泵浦灯外触发输入端口Ⅳ(r)连接；拉曼成像系统(Ⅱ)的触发输出端口Ⅰ(n)经专用电缆与片状光源激光器系统(Ⅲ)中Q开关外触发输入端口Ⅰ(o)连接； 拉曼成像系统(Ⅱ)的数据输出端口Ⅰ(l) 经专用电缆与工控机(Ⅰ)中数据输入端口Ⅰ(j)连接；荧光光谱成像系统(Ⅴ)的触发输出端口Ⅱ(u)经专用电缆与线状光源激光器系统(Ⅳ)中Q开关外触发输入端口Ⅱ(q) 连接；荧光光谱成像系统(Ⅴ)的数据输出端口Ⅱ(s)经专用电缆与工控机(Ⅰ)中数据输入端口Ⅱ(k)连接。
2.按权利要求1所述的拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：所述的工控机(Ⅰ)由显示器(4)和主机(5)组成，显示器(4)置于主机(5)上，主机(5)内设有拉曼ICCD相机采集卡(6)和荧光ICCD相机采集卡(7)，拉曼ICCD相机采集卡(6)设有数据输入端口Ⅰ(j)，荧光ICCD相机采集卡(7)设有数据输入端口Ⅱ(k)。
3.按权利要求1所述的拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：所述的拉曼成像系统(Ⅱ)由拉曼ICCD相机(8)、转接器(9)、拉曼光谱仪(10)、入口狭缝(11)、滤光片(12)和线光源成像收集器(13)组成，其中拉曼ICCD相机(8)上设有数据输出端口Ⅰ(l)、外同步触发输入端口Ⅰ(m)和触发输出端口Ⅰ(n)；拉曼ICCD相机(8)、转接器(9)、拉曼光谱仪(10)、入口狭缝(11)、滤光片(12)和线光源成像收集器(13)自左至右顺序排列，且拉曼ICCD相机(8)、转接器(9)、拉曼光谱仪(10)、入口狭缝(11)、滤光片(12)和线光源成像收集器(13)的中心在一条中心线(14)上。
4.按权利要求1所述的拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：所述的片状光源激光器系统(Ⅲ)由荧光激光器控制器(15)、荧光激光器(16)和片状光源发生器(17)组成，其中荧光激光器控制器(15)上设有Q开关外触发输入端口Ⅰ(o)和泵浦灯外触发输入端口Ⅲ(p)；荧光激光器控制器(15)、荧光激光器(16)和片状光源发生器(17)自后至前顺序排列。
5.按权利要求1所述的拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：所述的线状光源激光器系统(Ⅳ)由45度反射镜(18)、聚焦镜(19)、脉冲展宽器(20)、偏振片(21)、拉曼激光器(22)和拉曼激光器控制器(23)组成，其中拉曼激光器控制器(23)上设有Q开关外触发输入端口Ⅱ(q) 和泵浦灯外触发输入端口Ⅳ(r)； 拉曼激光器控制器(23)、拉曼激光器(22)、偏振片(21)、脉冲展宽器(20)和聚焦镜(19)自右至左顺序排列，聚焦镜(19)、脉冲展宽器(20)、偏振片(21)、拉曼激光器(22)和拉曼激光器控制器(23)的中心在一条水平线上，45度反射镜(18)置于聚焦镜(19)左方，且45度反射镜(18)与聚焦镜(19)成45度角，由聚焦镜(19)从右向左水平方向出射的光束按45度的入射角入射到45度反射镜(18)，又按45度反射角从下到上形成竖直的线光束(24)。
6.按权利要求1所述的拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统，其特征在于：所述的荧光光谱成像系统(Ⅴ)由片光成像收集器(25)和荧光ICCD相机(26)组成，其中荧光ICCD相机(26)设有数据输出端口Ⅱ(s)、外同步触发输入端口Ⅱ(t)和触发输出端口Ⅱ(u)；片光成像收集器(25)和荧光ICCD相机(26)自右至左排列， 且荧光ICCD相机(26)和 片光成像收集器(25)的中心在一条中心线(14)上。
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