CN111855628B - 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法 - Google Patents

内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111855628B
CN111855628B CN202010717039.0A CN202010717039A CN111855628B CN 111855628 B CN111855628 B CN 111855628B CN 202010717039 A CN202010717039 A CN 202010717039A CN 111855628 B CN111855628 B CN 111855628B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
flame
induced fluorescence
dimensional structure
endoscopic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010717039.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111855628A (zh
Inventor
蔡伟伟
王倩
刘何聪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202010717039.0A priority Critical patent/CN111855628B/zh
Publication of CN111855628A publication Critical patent/CN111855628A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111855628B publication Critical patent/CN111855628B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明揭示基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，步骤一：脉冲激光器输出的激光过反射镜改变传播方向，通过望远镜对激光束进行整形扩束；步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，第一束体激光经过比色皿，用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域后激发火焰区域特定组分，产生激光诱导荧光，由第二信号采集系统进行记录；步骤三：第一相机和第二相机拍摄信号进行数据处理分析后得到燃烧场中瞬态火焰三维重建结构。本发明对激光束进行体扩束通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。通过该测试系统实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。

Description

内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种计算成像和燃烧诊断领域，具体涉及一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法。
背景技术：
航空发动机燃烧室内的燃烧工况直接影响了整机运行效率及寿命，因此有必要通过燃烧诊断技术对燃烧场内火焰参数进行测量，为新一代燃烧室的设计提供数据支撑，最终实现提高燃烧效率、降低污染物的排放。近年来，得益于激光与传感器技术的发展，光学诊断技术已被证明是解析空间物理量和监测燃烧过程的有力工具。
其中，激光诱导荧光技术被广泛用于对燃烧场中关键组分或示踪物的探测。然而，实际燃烧场中由于存在非定常性的湍流，需要实时对瞬变、不规则的燃烧场进行探测。
从技术路线上来看，基于激光诱导荧光技术的火焰三维光学成像技术主要通过三种方式实现。
第一种方式采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合对燃烧场的扫描探测实现。由于该种方式的时间分辨率受到扫描速度的限制，空间分辨率受到数量有限的扫描断层的限制，故时空分辨率较低，在探测湍流燃烧场时存在较大误差。
第二种方式是采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合双目成像技术，通过同时获得的一对角度的PLIF信号结合双目算法，可以获得深度方向上的信息。但该方式的空间分辨率受限于相对较厚的片状激光。
第三种方式是采用体积光诱导荧光技术(VLIF)，通过将激光束扩展成一定体积的体激光，利用多台高速相机同时从多个角度探测荧光信号，并结合层析重构算法，便可以获得瞬态流场的三维信息。使用该方式测得的结果具有高时空分辨率。但VLIF技术中也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，涉及到多台高速相机、多台像增强器等。
此外，由于激光诱导荧光技术种所用到的脉冲激光器的输出光束在截面光强空间分布不均匀，且其脉冲与脉冲之间的强度也可能存在变化，使最终的测量结果存在误差。
发明内容：
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提出一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，对激光束进行体扩束并通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。同时，通过设置参考光路，对激光光强在截面上空间分布不均以及激光脉冲与脉冲之间强度存在的变化进行矫正，最终可实现对燃烧场中瞬态火焰三维结构的测量。通过该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题，实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。
为此，本发明解决技术问题的技术方案如下：一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；
步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；
步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。
在一个实施例中，所述脉冲激光器为超高重复频率脉冲激光器，其脉冲重复频率为10-100kHz。
在一个实施例中，所述望远镜由焦距f＝-100mm的平凹柱面镜和焦距f＝500mm的平凸柱面镜所组成，所述望远镜为伽利略望远镜，可将原始激光束尺寸在高度和宽度方向上扩大5倍。
在一个实施例中，所述分光片为楔状分光片。
在一个实施例中，所述比色皿中还盛放有乙醇稀释的煤油溶液，其中煤油可被266nm激光激发而产生激光诱导荧光信号。
在一个实施例中，第一信号采集系统包括第一滤光片、第一紫外镜头、第一相机和所述数据采集及处理装置。
在一个实施例中，火焰区域的特定组分为示踪物丙酮，即对丙酮的激光诱导荧光信号进行探测。
在一个实施例中，第二信号采集系统包括第二滤光片、第二紫外镜头、一分多内窥镜、像增强器、像增强控制器、所述第二相机和所述数据采集及处理装置。
在一个实施例中，一分多内窥镜包括有多个入射端和一个出射端，每个入射端都配备一个镜头，其入射端对准待测火焰并近似均匀布置在一定半径的圆周上，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出。
在一个实施例中，第二紫外镜头朝向所述内窥镜的出射端；第二滤光片加装在所述像增强器前安装的第二紫外镜头前；像增强器安装在所述第二紫外镜头与所述第二相机之间；所述数据采集及处理装置和所述第二相机相连，可以接收和处理所测得的图像。
在一个实施例中，第一滤光片为305nm长通滤光片，可有效抑制激发波长266nm的干扰。
在一个实施例中，步骤三中通过设置可编程时序单元控制所述激光器和所述第一相机、所述第二相机之间的相对延时,使两台相机同步开始记录荧光信号。
在一个实施例中，步骤三中像增强器在所述第二相机的触发下开始工作。
在一个实施例中，还包括可编程时序单元，可编程时序单元由数据采集及处理装置控制，并可以同时控制所述脉冲激光器、第一、第二相机的触发与同步操作。
在一个实施例中，步骤三中所述的数据分析处理过程包括火焰三维重建与对每一个激光脉冲光强空间分布不均及脉冲与脉冲之间强度变动的矫正，还包括但不限于以下步骤：
步骤a：无待测火焰时，将标定板置于燃烧器上方中心位置，用信号采集系统采集标定板图片，进行系统标定，获得火焰区域的信号采集系统与火焰区域的位置关系。
步骤b：无待测火焰时，将一张紫外检测卡覆盖于步骤a中所述标定板上，并使激光器工作，记录激光截面在其上的位置，确定激光截面与棋盘格上格子交点的相对位置关系。
步骤c：使燃烧器工作，整个成像系统开始工作，测量火焰中丙酮示踪物的激光诱导荧光信号和比色皿中煤油溶液的激光诱导荧光信号。
步骤d：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合标定所得的多个测量角度的空间位置，建立起丙酮荧光信号场的反演模型。
步骤e：结合上述步骤c中所采集的荧光信号，采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的瞬态三维丙酮荧光信号分布。
步骤f：根据步骤e中重建出的瞬态丙酮三维荧光信号分布，结合步骤b中方法得到的激光截面与火焰区域的相对位置关系以及步骤a中所测得的激光截面中强度的空间分布，将重建的信号分布沿着激光传播方向对其分层矫正，最终可获得矫正激光强度空间不均及脉冲强度变化的瞬态丙酮三维荧光信号分布，即瞬态火焰三维结构。
在一个实施例中，步骤a中所述的系统标定包括但不限于如下步骤：
步骤S1：使用一张标定板置于未点火时燃烧器中心附近，通过一分多内窥镜同时从多个角度采集标定板上棋盘格的图像。
步骤S2：提取同时摄得的不同角度采集的棋盘格图像中格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系下的坐标。
步骤S3：通过棋盘格中的格子交点在步骤S2中所述的两个坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，确定信号采集系统与被探测区域之间的位置关系。
在一个实施例中，步骤b中所述的紫外检测卡可被紫外波段的激光激发产生可见光。
在一个实施例中，步骤f中所述的分层矫正的层数由步骤d中所述荧光信号场的三维反演模型中重建区域的离散化程度决定。
本发明的主要有益效果是：
本发明对激光束进行体扩束并通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。
同时，通过设置参考光路，对激光光强在截面上空间分布不均以及激光脉冲与脉冲之间强度存在的变化进行矫正，最终可实现对燃烧场中瞬态火焰三维结构的测量。
通过该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题，实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。
附图说明：
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了本发明一实施例中本发明的整体结构示意图，
图2揭示了本发明一实施例中，本发明的三维反演模型中世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系之间的相对位置关系示意图。
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，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。应当指出的是，附图中描述的关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
参考图1并结合图2，一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，包括如下步骤：步骤一：将脉冲激光器1输出的激光经过反射镜2改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；
步骤二：整形扩束后的体激光经分光片5分为两束，其中第一束体激光19经过比色皿6，并用第一信号采集系统记录比色皿6中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光20通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；
步骤三：由第一相机8和第二相机9拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。
优选地，所述脉冲激光器1为超高重复频率脉冲激光器，其脉冲重复频率为10-100kHz。
优选地，望远镜由焦距f＝-100mm的平凹柱面镜3和焦距f＝500mm的平凸柱面镜4所组成，望远镜可以为伽利略望远镜，可以将原始激光束尺寸在高度和宽度方向上扩大5倍。
优选地，分光片5可以为楔状分光片。
优选地，比色皿6中还可以盛放有乙醇稀释的煤油溶液，其中煤油可被266nm激光激发而产生激光诱导荧光信号。
优选地，第一信号采集系统包括第一滤光片7、第一紫外镜头8、第一相机9和数据采集及处理装置10。
优选地，火焰区域的特定组分为示踪物丙酮，即对丙酮的激光诱导荧光信号进行探测。
优选地，第二信号采集系统包括第二滤光片71、第二紫外镜头81、一分多内窥镜13、像增强器14、像增强控制器15、第二相机91和数据采集及处理装置10。
优选地，一分多内窥镜13包括有多个入射端16和一个出射端17，每个入射端16都配备一个镜头18，其入射端16对准待测火焰并近似均匀布置在一定半径的圆周上，可以将多个入射端16采集的多路图像汇聚到一个出射端17上输出。
优选地，第二紫外镜头81朝向一分多内窥镜13的出射端17；第二滤光片71加装在像增强器14前安装的第二紫外镜头81前；像增强器15安装在第二紫外镜头81与第二相机91之间；数据采集及处理装置10和第二相机91相连，可以接收和处理所测得的图像。
优选地，第一滤光片7为305nm的长通滤光片，可有效抑制激发波长266nm的干扰。
优选地，步骤三中通过设置可编程时序单元11控制高频激光器1和第一相机9、第二相机91之间的相对延时,使两台相机同步开始记录荧光信号。
优选地，步骤三中像增强器14在第二相机91的触发下开始工作。
优选地，还包括可编程时序单元11，可编程时序单元11由数据采集及处理装置控制，并可以同时控制所述脉冲激光器1、第一、第二相机的触发与同步操作。
优选地，步骤三中所述的数据分析处理过程包括火焰三维重建与对每一个激光脉冲光强空间分布不均及脉冲与脉冲之间强度变动的矫正，还包括但不限于以下步骤：
步骤a：无待测火焰时，将标定板置于燃烧器上方中心位置，用信号采集系统采集标定板图片，进行系统标定，获得火焰区域的信号采集系统与火焰区域的位置关系。
步骤b：无待测火焰时，将一张紫外检测卡覆盖于步骤a中所述标定板上，并使激光器工作，记录激光截面在其上的位置，确定激光截面与棋盘格上格子交点的相对位置关系。
步骤c：使燃烧器工作，整个成像系统开始工作，测量火焰中丙酮示踪物的激光诱导荧光信号和比色皿中煤油溶液的激光诱导荧光信号。
步骤d：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合标定所得的多个测量角度的空间位置，建立起丙酮荧光信号场的反演模型。
步骤e：结合上述步骤c中所采集的荧光信号，采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的瞬态三维丙酮荧光信号分布。
步骤f：根据步骤e中重建出的瞬态丙酮三维荧光信号分布，结合步骤b中方法得到的激光截面与火焰区域的相对位置关系以及步骤a中所测得的激光截面中强度的空间分布，将重建的信号分布沿着激光传播方向对其分层矫正，最终可获得矫正激光强度空间不均及脉冲强度变化的瞬态丙酮三维荧光信号分布，即瞬态火焰三维结构。
优选地，步骤a中所述的系统标定包括但不限于如下步骤：
步骤S1：使用一张标定板置于未点火时燃烧器中心附近，通过一分多内窥镜同时从多个角度采集标定板上棋盘格的图像。
步骤S2：提取同时摄得的不同角度采集的棋盘格图像中格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系下的坐标。
步骤S3：通过棋盘格中的格子交点在步骤S2中所述的两个坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，确定信号采集系统与被探测区域之间的位置关系。
优选地，步骤b中所述的紫外检测卡可被紫外波段的激光激发产生可见光。
优选地，步骤f中所述的分层矫正的层数由步骤d中所述荧光信号场的三维反演模型中重建区域的离散化程度决定。
参考图2，图2所示为世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系之间的相对位置关系示意图。相机上某个像素的光强在数学上可以表示为：
p(xp，yp)＝∫∫∫f(xw，yw，zw)·PSF(xw，yw，zw，xp，yp)dV,   (1)
其中p(xp，yp)是相机上某个像素中心点(xp，yp)所探测到的光强；f(xw，yw，zw)是空间中某一点(xw，yw，zw)的光强；PSF为点扩散函数(即具有单位辐射强度的点光源在相机芯片上成像的强度分布)。(xp，yp)和(xw，yw，zw)分别是图像坐标系和世界坐标系中的点。若将重建区域沿三个坐标轴方向离散划分为Nx、Ny、Nz个体素，则公式(1)可以离散化为：
其中，N代表总体素数；Δx，Δy，Δz分别为沿着三个坐标轴x，y，z方向体素的大小。
从公式(2)可以看出，相机上每一个像素实际上提供了一个线性方程组，方程中的变量为重建区域内所有体素的发光光强。由于每一个像素都能得到类似公式(2)的一个方程，所以该相机上的所有像素提供了一系列线性方程组。当不同角度同时拍摄火焰时则可获得多组线性方程组，把这些方程组放到一起则可以获得一个总的线性方程组，其向量表示形式为：
其中，为向量，表示相机上所有像素所获得荧光信号的集合；矩阵A中每一列表示某个体素在相机上的点扩散函数；则为空间中所有体素的光强。
由公式(3)可知，求解则需知道空间中各个体素在成像平面上的点扩散函数，因此需要通过上述标定的方法测得所有体素和各个相机之间的相对位置，即通过标定获得内部参数和外部参数，并根据小孔成像模型及蒙特卡洛光线追踪的方法获得各个体素的点扩散函数。之后便可求解公式(3)获得待测三维空间中各个点的辐射强度分布值。
步骤d：采用代数重建法对步骤c中的反演问题进行求解，该算法可以在较少的投影下可重建出较好的荧光信号场，同时能够有效抑制伪影问题。每次迭代中都会将误差用于更新重建场，从而逐步逼近方程的解，该迭代方式的数学表达式为：
其中代表迭代过程中的求得的方程解，上标k代表第k次迭代，上标i代表第i个等式参与到更新当中。Ai代表系数矩阵A的第i行，pi代表投影的第i个元素。代表向量2-范数的平方，即向量所有元素的平方和。矩阵上标T代表矩阵的转置。λART是松弛因子，控制着迭代的收敛速度与收敛性。
步骤e：结合上述步骤c中所采集的荧光信号，采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的瞬态三维丙酮荧光信号分布。
步骤f：根据步骤e中重建出的瞬态丙酮三维荧光信号分布，结合步骤b中方法得到的激光截面与火焰区域的相对位置关系以及步骤a中所测得的激光截面中强度的空间分布，将重建的信号分布沿着激光传播方向对其分层矫正，分层矫正的层数由步骤d中所述荧光信号场的三维反演模型中重建区域的离散化程度决定。最终，可获得矫正激光强度空间不均及脉冲强度变化的瞬态丙酮三维荧光信号分布，即瞬态火焰三维结构。
进一步地，步骤a中的系统标定包括但不限于如下步骤：
步骤S1：使用一张标定板置于未点火时待测火焰区域中心附近，通过一分多内窥镜同时从多个角度采集标定板上棋盘格的图像。
步骤S2：提取同时摄得的不同角度的棋盘格图像中格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系的坐标。
步骤S3：通过棋盘格中的格子交点在步骤S2中所述的两个坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，确定信号采集系统与被探测区域之间的位置关系。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通
过望远镜对激光束进行整形扩束；
步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光
经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；其中，比色皿中的溶液为乙醇稀释的煤油溶液，火焰区域的特定组分为示踪物丙酮；
步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构；
步骤三中所述的数据分析处理过程包括火焰三维重建与对每一个激光脉冲光强空间分布不均及脉冲与脉冲之间强度变动的矫正，还包括但不限于以下步骤：
步骤a：无待测火焰时，将标定板置于燃烧器上方中心位置，用信号采集系统采集标定板图片，进行系统标定，获得火焰区域的信号采集系统与火焰区域的位置关系；
步骤b：无待测火焰时，将一张紫外检测卡覆盖于步骤a中所述标定板上，并使激光器工作，记录激光截面在其上的位置，确定激光截面与棋盘格上格子交点的相对位置关系；
步骤c：使燃烧器工作，整个成像系统开始工作，测量火焰中丙酮示踪物的激光诱导荧光信号和比色皿中煤油溶液的激光诱导荧光信号；
步骤d：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合标定所得的多个测量角度的空间位置，建立起丙酮荧光信号场的反演模型；
步骤e：结合上述步骤c中所采集的荧光信号，采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的瞬态三维丙酮荧光信号分布；
步骤f：根据步骤e中重建出的瞬态丙酮三维荧光信号分布，结合步骤b中方法得到的激光截面与火焰区域的相对位置关系以及步骤a中所测得的激光截面中强度的空间分布，将重建的信号分布沿着激光传播方向对其分层矫正，最终获得矫正激光强度空间不均及脉冲强度变化的瞬态丙酮三维荧光信号分布，即瞬态火焰三维结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述脉冲激光器为超高重复频率脉冲激光器，其脉冲重复频率为10-100 kHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述望远镜由焦距f=-100 mm的平凹柱面镜和焦距f=500 mm的平凸柱面镜所组成，所述望远镜为伽利略望远镜，将原始激光束尺寸在高度和宽度方向上扩大5倍。
4.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述分光片为楔状分光片。
5.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述比色皿中还盛放有乙醇稀释的煤油溶液，其中煤油被266 nm激光激发而产生激光诱导荧光信号。
6.根据权利要求1中所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第一信号采集系统包括第一滤光片、第一紫外镜头、所述第一相机和所述数据采集及处理装置。
7.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述火焰区域的特定组分为示踪物丙酮，即对示踪物丙酮的激光诱导荧光信号进行探测。
8.根据权利要求6所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第二信号采集系统包括第二滤光片、第二紫外镜头、一分多内窥镜、像增强器、像增强控制器、所述第二相机和所述数据采集及处理装置。
9.根据权利要求8所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述一分多内窥镜包括有多个入射端和一个出射端，每个入射端都配备一个镜头，其入射端对准待测火焰并近似均匀布置在一定半径的圆周上，将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出。
10.根据权利要求8所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第二紫外镜头朝向所述内窥镜的出射端；所述第二滤光片加装在所述像增强器前安装的第二紫外镜头前；所述像增强器安装在所述第二紫外镜头与所述第二相机之间；所述数据采集及处理装置和所述第二相机相连，接收和处理所测得的图像。
11.根据权利要求6所述的基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：所述第一滤光片为305 nm长通滤光片。
12.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：步骤三中通过设置可编程时序单元控制所述脉冲激光器和所述第一相机、所述第二相机之间的相对延时,使两台相机同步开始记录荧光信号。
13.根据权利要求1或8或9中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：步骤三中所述像增强器在所述第二相机的触发下开始工作。
14.根据权利要求1或9中任一所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于: 还包括可编程时序单元，可编程时序单元由数据采集及处理装置控制，并同时控制所述脉冲激光器、所述第一、第二相机的触发与同步操作。
15.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：步骤a中所述的系统标定包括但不限于如下步骤：
步骤S1：使用一张标定板置于未点火时燃烧器中心附近，通过一分多内窥镜同时从多个角度采集标定板上棋盘格的图像；
步骤S2：提取同时摄得的不同角度采集的棋盘格图像中格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系下的坐标；
步骤S3：通过棋盘格中的格子交点在步骤S2中相机坐标系和世界坐标系的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，确定信号采集系统与被探测区域之间的位置关系。
16.根据权利要求1所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：步骤b中所述的紫外检测卡被紫外波段的激光激发产生可见光。
17.根据权利要求1中所述的一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于：步骤f中所述的分层矫正的层数由步骤d中所述荧光信号场的三维反演模型中重建区域的离散化程度决定。
CN202010717039.0A 2020-07-23 2020-07-23 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法 Active CN111855628B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010717039.0A CN111855628B (zh) 2020-07-23 2020-07-23 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010717039.0A CN111855628B (zh) 2020-07-23 2020-07-23 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111855628A CN111855628A (zh) 2020-10-30
CN111855628B true CN111855628B (zh) 2023-05-16

Family

ID=72950345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010717039.0A Active CN111855628B (zh) 2020-07-23 2020-07-23 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111855628B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112577624A (zh) * 2020-12-03 2021-03-30 清华大学 激光诱发荧光测温装置及其使用方法
CN113008367A (zh) * 2021-02-18 2021-06-22 上海交通大学 一种激光光强三维分布测量系统及测量方法
CN113724194B (zh) * 2021-06-22 2024-01-30 山东交通学院 一种发动机内窥式火焰测量系统及图像处理方法
CN114608701A (zh) * 2022-04-21 2022-06-10 西北核技术研究所 一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法
CN114965856B (zh) * 2022-05-23 2024-03-26 西安近代化学研究所 一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置及观察系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9869664B2 (en) * 2013-12-18 2018-01-16 Saudi Arabian Oil Company Method for non-intrusive measurement of low water content in oil
CN111257497A (zh) * 2020-02-17 2020-06-09 上海交通大学 一种火焰温度场测量装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111855628A (zh) 2020-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111855628B (zh) 内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法
CN111257497A (zh) 一种火焰温度场测量装置及方法
Floyd et al. Computed tomography of chemiluminescence (CTC): high resolution and instantaneous 3-D measurements of a matrix burner
Peterson et al. Early flame propagation in a spark-ignition engine measured with quasi 4D-diagnostics
RU2421696C2 (ru) Фазовая камера для измерения искажения волнового фронта и расстояния
CN102323445B (zh) 一种测量重频激光器腔内循环气体流动速度的方法
CN108226120B (zh) 一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法
US20070146719A1 (en) Scanning apparatus for optically scanning surfaces
CN108601505B (zh) 成像设备、成像方法和成像系统
CN112082672B (zh) 基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法
Wu et al. Kilohertz VLIF (volumetric laser induced fluorescence) measurements in a seeded free gas-phase jet in the transitionally turbulent flow regime
Lillo et al. Plenoptic single-shot 3D imaging of in-cylinder fuel spray geometry
US6734965B2 (en) Optical patternation method
CN105572060A (zh) 气体泄漏的检测装置及方法
CN113008367A (zh) 一种激光光强三维分布测量系统及测量方法
JP6265365B2 (ja) 計測システム
Hall et al. Tomographic time resolved laser induced incandescence
CN116045304A (zh) 一种湍流火焰动态三维结构测量装置及方法
CN105842197A (zh) 发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法
CN103884711B (zh) 一种氧/碘超音速混合热流场的测试方法
CN104949940A (zh) 一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置和方法
CN117664385A (zh) 基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法
Burns et al. Planar Investigation of a COBRA Reentry Flowfield Using Pulse-Burst, Cross-Correlation DGV
CN113310857B (zh) 湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量系统及其方法
WO2022196779A1 (ja) ３次元計測装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant