CN112576413A

CN112576413A - 一种大尺度空间下plif测量方法

Info

Publication number: CN112576413A
Application number: CN202011297908.5A
Authority: CN
Inventors: 杨思锋; 朱子环; 段娜; 牛丽; 李斌; 张海栋; 李广武; 谭周明; 耿卫国; 苏铁; 石奇玉
Original assignee: Beijing Institute of Aerospace Testing Technology
Current assignee: Beijing Institute of Aerospace Testing Technology
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-03-30

Abstract

本发明提出一种大尺度空间下PLIF测量方法，该系统包括以下模块：1荧光激发光源、2荧光探测系统、3同步控制系统、4系统软件、5辅助配件。针对大尺度空间应用的系统设备布局以及光路传输问题、系统在开放环境应用的安全防护问题，提出定制倍频装置代替传统系统自带倍频机构的方案、提高光源倍频转换效率；同时自研配备灵活的光路传输机构移动平台用来放置系统主体设备。总之，通过合理的布局设计以及硬件定制配置，使得本项目配备的PLIF系统能够通过简易的布局变更，以适用大尺度场景的应用，打破了传统PLIF系统实验室应用的局限。通过本发明极大提高了大尺度空间下PLIF系统的探测准确性。

Description

一种大尺度空间下PLIF测量方法

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机试验排气流场参数测量领域，特别涉及一种PLIF测量中解决大尺度空间问题的装置及方法。

背景技术

PLIF是一种用于燃烧诊断的非接触诊断技术，非接触光学诊断在层流、湍流、反应流、高温流、低温流、稀薄流、超音速流以及高超音速流都可以应用。PLIF技术对液体火箭发动机羽流参数的诊断非常重要，其测量结果可以为发动机燃烧理论模型、数值模拟研究提供必要的量化依据。

PLIF技术通过采用激光源对羽流流场进行诊断，得到典型组分浓度分布，比如OH等，根据这种典型组分浓度分布的最大值可以得到流场中平均化学反应边界，从而得到不同的化学反应区，另外根据组分的温度和浓度分布，得到瞬时组分数密度分布等重要试验参数，为流场诊断、燃烧效率分析、羽流污染防治也都提供了必要的数据支持。

然而在实际液体火箭发动机羽流试验进行PLIF测量应用中，存在着大尺度远距离传输-激光能量衰减、开阔环境的PLIF设备的安全防护问题：(1)为了实现羽流试验发动机燃烧羽焰保形的试验目的，一般羽流试验的真空舱直径较大(＞6.5m)，势必造成激光传输的衰减以及片光尺度对能量密度的影响，而羽流场的燃烧产物NO、OH、CH浓度因真空条件而稀释，对高激光强度需求大，激光传输的衰减势必造成获取信号弱，无法正常测量的后果；(2)羽流试验过程中，PLIF设备将处在发动机试验台内真空舱近距离的开放环境中，需要可靠的安全防护装置才能确保系统能够长期安全稳定工作。因此，本专利拟从光源、传输、布局、应用几个方面提出解决应用问题的一种新方法。通过合理的布局设计以及硬件定制配置，使得本项目配备的PLIF系统能够通过简易的布局变更，以适用大尺度场景的应用，打破了传统PLIF系统实验室应用的局限。

发明内容

本发明提出一种大尺度空间下PLIF测量方法，在传统燃烧场PLIF测量系统构建的基础上，针对液体火箭发动机羽流试验真空舱环境尺寸大、布局广的问题，提供了一种解决激光传输衰减和安全防护问题的解决手段。

本发明的系统组成及布局如图1、2所示：

1、荧光激发光源：根据不同的组分测试需求，产生不同波长的激光，实现荧光的激发。

2、荧光探测系统：具备超短曝光快门，实现纳秒时间尺度的信号探测。

3、同步控制系统：控制系统与外设以及系统内部硬件的工作时序，确保探测系统能够捕捉到测试应用所需要的荧光信号。

4、系统软件：主要用于控制系统硬件的协同工作，实现荧光探测数据的可视化。同时，根据特定的需求，实现诸如荧光图像的简单处理，测试数据分析等其它定制功能。

5、辅助配件：用于为系统可靠运行提供保障，主要包括用于系统设备安置的光学平台或者移动平台、系统调试过程中使用的能量计及波长计、系统测试标定用的平面火焰炉以及特殊环境应用的系统防护装置等等。

针对大尺度应用的系统设备空间布局以及设备置及光路传输问题、系统在开放环境应用的安全防护问题，具体采取的改进措施如下：

1、针对羽流试验真空舱设备大尺度布局问题进行的优化设计：

PLIF系统部件相对较多，必须在精密配合下才能完成既定任务，因此PLIF系统一般在小尺度的空间内集中布局并靠近测试目标实现应用，这样更方便系统设备间协同工作。而液体火箭发动机羽流试验的应用目标空间尺度较大，且设备无法集中布局，给独立硬件的操控及设备间的联合调试造成不便。此外，分散的空间布局必然引起原有的光路布局有所调整，光路的改变对设备的技术指标提出了更高的要求，而系统大部分设备均为标准化的产品，个别条件下无法直接满足特定环境的应用需求，需要合理的搭配配置，并增加或者定制额外的设备，通过调整光路结构来满足测试需求。比如：大空间的应用必然要求增加光源的传输距离，从而对光源的光束质量、能量提出了更高的要求；荧光激发所需要的波长一般都位于紫外波段，紫外传输还既要考虑大气吸收引起的衰减，也要考虑光学器件的传输效率，这也是系统设计时必须要考虑的因素。

因此，本发明根据系统的配置构成，结合现场应用的需求，将系统空间布置拆分为如下几个部分，方便操控与应用：

(1)在设备安全可靠运行的前提要求下，采用高能量的泵浦激光器光源，以确保系统最终输出光能量最大，便于大尺度条件下的应用；

(2)保留染料激光器532nm、355nm泵浦+倍频的原有方案，增加532nm泵浦+三倍频的模式，目的是解决染料激光器高能量双波长同时泵浦以及使用便利性无法同时满足的缺陷；

(3)采用定制的倍频装置代替传统系统自带的倍频机构，提高了光源的倍频转换效率，同时也解决了紫外光大气环境下远距离传输衰减的不足：传统的光源直接输出倍频紫外激光，在大气中传输衰减严重，即使采用真空传输，也避免不了镜片反射的衰减；本系统采用了可见光传输的方案，避免了紫外传输的一系列问题；

(4)采用自行研制的光路转换机构实现激发光倍频转换，在提高转换效率的同时，解决原厂设备无法远距离应用的问题；

2、针对安全防护问题进行的优化设计：

针对PLIF系统属于精密光学仪器，工作环境的温、湿度、灰尘都会对其工作性能产生影响，在液体火箭发动机羽流试验台这样的开放性环境应用，需要可靠的安全防护装置，以确保系统能够长期安全稳定工作。

系统主体设备集成到移动平台上如图3所示，配备灵活的光路传输机构，使得平台具备不同的输出光出口，即方便于系统在不同测试平台、不同测试需求的场景应用，又解决了传统PLIF系统搬迁不便，调试困难的不足，使得技术人员可以有更多精力用于系统应用，而不是花绝大部分精力用于系统安装调试。

本发明的有益效果：

1、本发明针对液体火箭发动机羽流试验真空舱设备大尺度布局问题进行的优化设计，将传统的倍频激发光直接传输调整为基频光传输，有效避免激光传输的衰减以及高能紫外传输器件选型困难的问题。

2、本发明针对液体火箭发动机羽流试验台这样的开放性环境应用的安全防护问题，研制移动平台，实现了光源安全防护，并为不同场合的应用提供了便利。

附图说明

图1为本发明一种大尺度空间下PLIF测量方法的系统构成图；

图2为本发明一种大尺度空间下PLIF测量方法与真空舱的相对位置与布局示意图；

附图标记如下：1-荧光激发光源程控系统、2-倍频机构、3-偏光机构、4-探测系统。

图3本发明一种大尺度空间下PLIF测量方法的移动平台布局示意图；

具体实施方式

本发明是一种大尺度空间下PLIF测量方法，为了更加准确对本发明的技术方案及技术效果进行介绍，下面对本发明进行进一步的说明。

本发明中的方法所需的测量装置，基本架构包括：1荧光激发光源、2荧光探测系统、3同步控制系统、4系统软件、5辅助配件。

1、荧光激发光源：根据不同的组分测试需求，产生不同波长的激光，实现荧光的激发。其中：

(1)YAG激光器：输出532nm波长的激光，用于泵浦染料激光器，为染料激光器输出提供能量；

(2)YAG-染料匹配光路：用于物理上实现YAG与染料激光器的光路匹配；

(3)染料激光器：该激光器具备窄线宽以及可调谐特性：窄线宽是为了提高吸收效率，从而增加荧光产量；可调谐为了适应不同组分，实现多波长输出；

(4)传输光路：将染料激光器输出的激光长距离高效传输至倍频单元位置；

(5)倍频机构：实现染料激光的倍频，用于不同组分的荧光激发。

(6)片光系统：实现激发光源的整形，输出片光用于PLIF测试。

2、荧光探测系统：具备超短曝光快门，实现纳秒时间尺度的信号探测。其中：

(1)荧光筛选：用于将荧光从待测环境中高效提取出来，同时过滤掉其它背景辐射信息，主要通过多种滤光片组合实现。

(2)荧光成像：大口径紫外镜头，用于将荧光分布的二维成像。

(3)荧光探测：用于纳秒时间尺度的荧光探测，由具有像增强功能的相机实现。

Claims

1.一种大尺度空间下PLIF测量方法，其特征在于，包括如下几个模块：：1荧光激发光源、2荧光探测系统、3同步控制系统、4系统软件、5辅助配件；

所述荧光激发光源主要根据不同的组分测试需求，产生不同波长的激光，实现荧光的激发；

所述荧光探测系统具备超短曝光快门，实现纳秒时间尺度的信号探测；

所述同步控制系统主要用来控制系统与外设以及系统内部硬件的工作时序，确保探测系统能够捕捉到测试应用所需要的荧光信号；

所述系统软件主要用于控制系统硬件的协同工作，实现荧光探测数据的可视化。同时，根据特定的需求，实现诸如荧光图像的简单处理，测试数据分析等其它定制功能；

所述辅助配件用于为系统可靠运行提供保障，主要包括用于系统设备安置的光学平台或者移动平台、系统调试过程中使用的能量计及波长计、系统测试标定用的平面火焰炉以及特殊环境应用的系统防护装置等等。

2.根据权利要求1所述的荧光激发光源，其特征在于：针对液体火箭发动机羽流试验大尺度的应用环境，更改光路传输模式，采用定制的倍频装置代替传统系统自带的倍频机构，提高了光源的倍频转换效率，同时也解决了紫外光大气环境下远距离传输衰减的不足：传统的光源直接输出倍频紫外激光，在大气中传输衰减严重，即使采用真空传输，也避免不了镜片反射的衰减；本系统采用了可见光传输的方案，避免了紫外传输的一系列问题。

3.根据权利要求1所述的荧光激发光源和同步控制系统，其特征在于：系统主体设备集成到移动平台上，配备灵活的光路传输机构，使得平台具备不同的输出光出口，即方便于系统在不同测试平台、不同测试需求的场景应用，又解决了传统PLIF系统搬迁不便，调试困难的不足，使得技术人员可以有更多精力用于系统应用，而不是花绝大部分精力用于系统安装调试。