CN113091942A - 一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法，系统包括定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极、转换单元、示波器和数据存储单元；定量纹影光路中第一图像获取单元CA1和莫尔条纹光路中第二图像获取单元CA2工作于主从模式，CA1输出同步曝光时钟信号用于输入CA2保证了两者处于同一拍摄速度，实现了先导通道气体瞬态温度的对比测量，解决了先导放电通道气体温度测量结果难以校验的难题。本发明通过两种流场显示测量光路的正交布置，实现了先导放电通道发展路径的三维重构，保证了先导通道满足气体温度反演所需的同轴对称假设，实现了先导放电通道气体瞬态温度时域连续对比测量，同时测量系统具备自校验能力的显著优势。

Description

一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法

技术领域

本发明属于高电压长间隙放电等离子体诊断技术领域，更具体地，涉及一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法。

背景技术

正极性长空气间隙放电机理是特高压输变电系统绝缘优化设计和雷电防护技术研究的理论基础。实验室中正极性长空气间隙放电主要包括流注放电起始、先导起始、先导连续发展以及最后击穿等主要过程，其中先导放电是导致间隙击穿的主导物理过程。

先导放电是以热电离过程为主导的放电现象，与流注放电通道气体温度接近室温不同，先导通道气体温度一般可达2000K～6000K。通道气体温度升高后，将会导致出现以下现象：(1)先导放电通道中电子附着反应速率下降；(2)通道中一些复杂正离子基团加速分解，并导致电子-离子复合反应速率出现明显下降；(3)放电通道中具有低电离能的NO加速碰撞电离并产生新的自由电子；(4)以N和O主导参与的结合电离反应的速率迅速增大。由上述可知气体温度升高后会导致放电通道中自由电子生成速率升高，并进一步导致放电通道电导率明显增大；同时温度升高后会使通道存在较强的热传导和热对流等能量耗散过程，放电通道径向尺寸持续扩张并导致通道热半径逐渐增大。上述一系列物理变化过程将使先导放电通道电场减小，先导通道头部电位接近放电电极所施加的电压大小，导致间隙击穿电压出现明显的饱和特性。综上所述可知，开展长间隙先导放电通道气体温度时域测量研究，对于深入认识和理解先导放电物理机制和间隙击穿特性具有重要意义。

在实验室正极性长空气间隙放电中，先导放电通道尺寸一般仅有1mm～2mm，通道温度径向梯度可达数千K/mm，对测量方法的空间分辨能力要求极高；同时实验室m级间隙先导放电持续时间一般仅有数十μs，为实现先导通道气体温度的时域测量则要求测量系统具有μs量级时间间隔的连续采样能力，因此介入式的测量手段如探针法无法满足其测量要求。同时先导放电通道形成时间和发展路径均存在很强的分散性，且通道气体温度呈现显著的瞬态特征，现有比较成熟的等离子体温度诊断方法如发射光谱法和激光散射法均是利用ICCD相机进行时间分辨测量，可以实现稳定放电通道气体温度的瞬态测量，但均不适用于先导放电通道气体瞬态温度时域连续测量。

光学流场显示测量技术作为一种非介入式的测量手段，通过检测平行光束经折射率梯度场域产生的偏折角大小或相位变化获取先导通道气体密度大小分布，并结合气体状态方程得到通道气体温度数据；进一步结合高速摄影技术可实现先导通道气体温度的时域测量。目前光学流场显示测量方法主要包括马赫曾德M-Z激光干涉法、背景纹影法、定量纹影法和莫尔条纹等方法。其中M-Z激光干涉测量系统光路对称性对振动较为敏感，其测量精度容易受外界因素影响；同时M-Z激光干涉条纹偏移量与通道折射率呈正相关，因此M-Z激光干涉法对于气体折射率变化小的先导放电通道测量不太适用。而背景纹影法需要对采集到的纹影图像进行查找窗遍历，这将使得实际测量的空间分辨率显著下降，这对1mm～2mm径向尺寸大小的先导放电通道不太适用，分辨率下降将会引起通道温度反演计算中引入不可接受的偏差。

定量纹影法中图像灰度变化和莫尔偏折法中条纹偏移量均是与气体折射率分布的一阶导数，即使在先导放电通道折射率绝对值变化量小，但折射率空间梯度较大更有利于检测，同时光路简单便于对称性调节，因此适用于先导放电通道气体瞬态温度的时域连续测量。但由于先导放电通道气体温度变化规律受放电电流大小和持续时间、电场以及环境条件等多种因素控制，具有不可重复性，因此在单次放电实验中实现先导通道气体温度测量结果的准确性校验对于获取气体温度时域演化规律至关重要。

综上所述，针对先导放电通道气体瞬态温度的时域连续测量，目前放电等离子体温度诊断方法主要存在以下问题：

(1)由于先导放电的形成时间和发展路径具有很强的随机性，且通道气体温度梯度大，具有很强的瞬态变化特征，现有探针法、发射光谱法等方法无法适用于先导通道温度的测量；

(2)由于光学流场显示测量方法利用了先导通道同轴对称假设，并在此基础上采用Abel逆变换进行通道气体折射率、密度的反演计算；因此需要实现先导放电通道发展路径的三维重构，保证测量的先导放电通道具有垂直地面发展的同轴对称结构；

(3)由于先导通道气体温度变化规律受多种因素影响，具有不可重复性；为获取先导通道气体温度时域演化规律，需要测量系统具有先导通道气体温度测量结果准确性的自校验能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法，旨在解决由于先导放电随机性大、放电不具有重复性而导致通道气体温度测量准确性难以校验的问题。

本发明提供了一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统，包括：定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极、转换单元、示波器、第一数据存储单元和第二数据存储单元；定量纹影测量光路用于获取先导放电通道的定量纹影图像；莫尔条纹测量光路用于获取先导放电通道的莫尔条纹图像，并与定量纹影测量光路正交布置；放电电极设置在定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路的正交光路交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在放电电极端部产生先导放电通道密度梯度场；示波器用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出用于定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路中图像获取的同步触发以实现同步测量的TTL脉冲信号；第一数据存储单元的输入端与定量纹影测量光路的第一输出端连接，用于存储先导放电通道的定量纹影图像；转换单元的输入端与定量纹影测量光路的第二输出端连接，转换单元的输出端与莫尔条纹测量光路的输入端连接，用于实现定量纹影测量光路与莫尔条纹测量光路之间的曝光时钟脉冲信号的光电转换和传输；第二数据存储单元的输入端与莫尔条纹测量光路的输出端连接，用于存储先导放电通道的莫尔条纹图像。

本发明还提供了一种基于上述先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统的观测方法，包括下述步骤：

步骤1：将正极性冲击电压波形施加于放电电极并通过增强所述放电电极端部附近垂直电场大小使其仅产生单一垂直地面的先导放电通道；

步骤2：对冲击电压波形进行显示和存储，通过TTL脉冲信号对定量纹影测量光路中第一图像获取单元CA1进行稳定同步触发，并同时输出CA1同步曝光时钟脉冲信号；CA1与莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2设置工作在主从模式，并将所述时钟脉冲信号作为CA2的输入从而实现CA1和CA2两个图像获取单元拍摄速度间的同步；

步骤3：将定量纹影光路中高功率LED光源发出的绿光经聚光透镜二次汇聚，通过匀光片和狭缝进行光强匀化；并进一步经过圆形的准直透镜形成平行光束；平行光束经先导放电通道密度梯度场发生偏折并经汇聚透镜在刀口处形成与狭缝等大的明亮光斑；

其中经密度梯度场扰动的平行光线在刀口处产生相应的偏移量，在第一图像获取单元CA1上得到相应灰度变化定量纹影图像；

步骤4：将莫尔条纹测量光路中固体激光器产生的绿色激光束经空间滤波器匀化且只通过零频光线，通过准直透镜形成与透镜镜面尺寸等大的平行光束，进而经先导放电通道区域发生偏折，进一步经过光栅组并由汇聚透镜在狭缝处形成多级光斑；狭缝只允许±1级条纹通过并在第二图像获取单元CA2上显示获取莫尔条纹图像，条纹偏移量大小反映对应放电通道位置的折射率梯度大小；

步骤5：通过在定量纹影测量光路中调节长焦镜头焦距保证定量纹影图像的空间分辨率，将第一图像获取单元CA1曝光时间减至1μs以下以保证先导放电通道气体瞬态温度的测量要求，同时使纹影背景灰度处于图像最大灰度一半左右以保证测量系统的最大量程；

将所述第二图像获取单元CA2的曝光时间设置为与所述第一图像获取单元CA1的曝光时间相同，并采用无镜头直接成像的方式获取莫尔条纹图像最大的空间分辨率；

步骤6：结合定量纹影校验曲线和纹影图像灰度分布获取某一放电通道横截面上平行光线所产生的偏折角大小；并结合莫尔条纹图像、空间分辨率以及光栅配置参数获取平行激光束经过放电通道对应位置的偏折角大小；

利用Abel逆变换公式得到放电通道折射率大小径向分布，并利用格拉斯通-戴尔公式和理想气体状态方程分别获取两种测量方法得到先导通道气体瞬态温度径向分布；

步骤7：通过改变初始先导通道轴向分析截面，重复步骤5获得定量纹影图像中先导通道气体瞬态温度二维分布情况，并通过选取不同位置的莫尔条纹进行分析，通过连续分析多个图像获得先导放电通道二维分布的时域演化规律；

步骤8：通过对比单次放电中上述利用定量纹影和莫尔条纹正交双光路观测系统中两种方法的先导通道气体温度分布时域演化测量结果，实现系统测量结果准确性的自校验。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)通过采用非介入式光学流场显示测量技术中的定量纹影法和莫尔偏折法，同时结合高速摄影技术，拓展丰富了长间隙先导放电通道气体瞬态温度的测量手段，解决了利用探针法、发射光谱法等无法实现先导通道气体温度时空分辨测量的难题。

(2)通过正交布置定量纹影和莫尔条纹光路，获取先导放电通道正交观测定量纹影和莫尔偏折图像，可实现放电电极附近先导通道发展三维路径重构，保证了分析的单个先导通道垂直地面发展，以满足Abel逆变换所需的同轴对称假设。

(3)通过对比定量纹影和莫尔条纹两种光路正交观测的先导通道气体温度测量结果，可实现系统测量准确性的自校验，解决了不可重复性的先导放电通道气体温度测量准确性校验难题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统的原理框图；

图2为定量纹影、莫尔条纹正交双光路观测系统示意图；

图3为平行光经过先导放电通道截面示意图；

图4为正交双光路测量系统同步触发逻辑示意图。

其中，111为高功率LED光源，112为聚光透镜，113为匀光片和方形狭缝，114为第一准直透镜，3为放电电极，121为第一汇聚透镜，122为刀口，123为第一滤光片，124为长焦镜头，125为第一图像获取单元CA1，211为固体激光器，212为空间滤波器，213为第二准直透镜，221为光栅组，222为第二汇聚透镜，223为第二狭缝，224为第二滤光片，225为第二图像获取单元CA2，6为示波器，4为电光转换模块，5为光电转换模块，7为第一数据存储单元、8为第二数据存储单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于光学流场显示测量技术中的定量纹影法和莫尔偏折法，结合高速摄影技术可实现先导放电通道定量纹影图像和莫尔偏折图像的时域分辨观测。正交双光路布置可实现对先导放电通道发展路径的三维重构，保证所分析的先导放电通道数据满足Abel逆变换所需的同轴对称分布假设，同时通过对比两种方法的先导通道气体温度空间分布和时域演化测量结果，可实现先导通道温度测量准确性的校验，解决了由于先导放电随机性大、放电不具有重复性而导致通道气体温度测量准确性难以校验的问题。

图1示出了本发明实施例提供的先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供的先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统包括：定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极3、示波器6、转换模块和数据存储单元；其中转换模块包括电光转换单元4和光电转换单元5；数据存储单元包括第一数据存储单元7和第二数据存储单元8；定量纹影测量光路用于获取先导放电通道的定量纹影图像；莫尔条纹测量光路用于获取先导放电通道的莫尔条纹图像，并与定量纹影测量光路正交布置；放电电极3设置在定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路的正交光路交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在放电电极端部产生先导放电通道密度梯度场；示波器6用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出用于定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路中图像获取的同步触发以实现同步测量的TTL脉冲信号；第一数据存储单元7的输入端与定量纹影测量光路的第一输出端连接，用于存储先导放电通道的定量纹影图像；转换单元的输入端与定量纹影测量光路的第二输出端连接，转换单元的输出端与莫尔条纹测量光路的输入端连接，用于实现定量纹影测量光路与莫尔条纹测量光路之间的曝光时钟脉冲信号的光电转换和传输；第二数据存储单元8的输入端与莫尔条纹测量光路的输出端连接，用于存储先导放电通道的莫尔条纹图像。

如图1和图2所示，在本发明实施例中，定量纹影测量光路包括第一光路11和第二光路12；第一光路11包括：沿光轴依次设置的高功率LED光源111、聚光透镜112、匀光片、第一狭缝和第一准直透镜114；高功率LED光源111用于持续高亮度输出亮度可调的可见光，聚光透镜112用于实现光线的二次聚光以提高汇聚光斑的光强大小；第一狭缝设置在聚光透镜112和第一准直透镜114的焦点处；匀光片和第一狭缝用于产生光强均匀的光斑；第一准直透镜114用于产生圆形平行光束并垂直通过放电通道截面；第二光路12包括：第一汇聚透镜121、刀口122、第一滤光片123、长焦镜头124和第一图像获取单元125；第一汇聚透镜121用于使平行光束在刀口122处进行汇聚，并产生与第一狭缝孔径等大的方形匀强光斑；刀口122设置于第一汇聚透镜的焦点处；第一滤光片123设置于焦距可变的长焦镜头124前，用于提升光线的单色性；第一图像获取单元125用于采集先导放电通道的定量纹影图像。

作为本发明的一个实施例，第一狭缝可以为方形狭缝，方形狭缝的口径不超过5mm。

作为本发明的一个实施例，第一准直透镜114设置在距放电电极1.5m的位置。

作为本发明的一个实施例，刀口122的最小位移行程不超过20μm，保证绘制定量纹影校验曲线的采样点数，提升校验曲线拟合的准确度。

作为本发明的一个实施例，长焦镜头的焦距范围为300mm～800mm。

在本发明实施例中，莫尔条纹测量光路包括第三光路21和第四光路22；第三光路21包括：固体激光器211、空间滤波器212和第二准直透镜213；固体激光器211产生波长为(532±10)nm的绿光；空间滤波器212用于消除其它频率光线而仅通过零频光线，放置于第二准直透镜213焦点处，并通过第二准直透镜213产生圆形平行光束；第四光路22包括：光栅组221、第二汇聚透镜222、第二狭缝223、第二滤光片224和第二图像获取单元225；光栅组221用于经放电区域扰动光线形成莫尔条纹；第二汇聚透镜222用于使光束汇聚于第二狭缝223处，第二狭缝223设置于第二汇聚透镜222焦点处，用于消除光栅衍射的影响且仅允许±1级的条纹通过；第二滤光片224用于提升第二图像获取单元225所接收光线的单色性，以提升根据气体折射率进行气体密度反演计算的准确性，且图像获取单元采用不加镜头的方式成像以提升测量的空间分辨率。

作为本发明的一个实施例，光栅组221包括：参考光栅和检测光栅，所述参考光栅与所述检测光栅之间具有一定夹角设置，所述参考光栅与所述检测光栅之间距离3倍Talbot距离；检测光栅放置距汇聚透镜两倍焦距位置。

在本发明实施例中，放电电极3置于定量纹影和莫尔条纹正交光路的交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在电极头部产生先导放电通道密度梯度场，其中冲击电压幅值大于对应实验条件下的先导放电起始电压。

作为本发明的一个实施例，示波器6可以采用数字示波器，数字示波器用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出TTL脉冲信号用于定量所述定量纹影和莫尔条纹光路中图像获取单元的同步触发，以实现整个系统的测量同步。

在本发明实施例中，转换模块用于定量纹影光路中第一图像获取单元CA1和所述莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2之间曝光脉冲时钟信号的转换和稳定传输，保证两台高速摄像机工作在同一拍摄帧率。转换模块包括电光转换单元4和光电转换单元5，电光转换单元4和光电转换单元5之间采用光纤连接，可以有效屏蔽冲击放电所产生的电磁干扰保证数据稳定传输。

在本发明实施例中，定量纹影测量光路中高功率LED光源产生532±20nm的绿光，光源持续高亮度输出且亮度可调，最大光功率≥1.4W，保证测量系统的灵敏度和信噪比，以提升放电通道气体温度反演的准确性；聚光透镜利用两个镜头组作为出口透镜实现光线的二次聚光；匀光片和方形狭缝用于产生光强均匀的光斑，其中方形狭缝口径不超过5mm以保证光斑范围内的光强均匀性，且放置聚光透镜和准直透镜焦点处以产生平行光束。

如图3所示，定量纹影光路中的准直透镜用于产生圆形平行光束并垂直通过放电通道截面；汇聚透镜使平行光束在刀口处进行汇聚，产生和狭缝孔径等大的方形匀强光斑；其中准直透镜和汇聚透镜焦距为1.5m，圆形透镜镜面直径为15cm，且放电电极放置距汇聚透镜1.45m处以满足高压绝缘距离，同时使电极处于透镜1倍焦距以内呈正立、放大的虚像以提升系统空间分辨率。

定量纹影测量光路中刀口放置汇聚透镜的焦点处，刀口最小位移行程不超过20μm，保证绘制定量纹影校验曲线的采样点数，提升校验曲线拟合的准确度；滤光片用于提升光线的单色性，并置于所述焦距可变的长焦镜头前，长焦镜头焦距为300mm～800mm，保证定量纹影系统的空间分辨率，使先导放电通道径向采用点数大于20，提升气体温度反演的准确性。

莫尔条纹光路与定量纹影光路呈正交布置以获取先导放电通道正交观测图像，实现电极附近先导放电通道发展路径的三维重构，其中莫尔条纹测量光路中固体激光器产生波长为532±10nm的绿光；空间滤波器用于消除其它频率光线而仅通过零频光线，放置于准直透镜焦点处；准直透镜用于产生圆形平行光束；光栅是由两片具有一定夹角的Rochi光栅组成，分别称为参考光栅和检测光栅，用于经放电区域扰动光线形成莫尔条纹，其中光栅采用20刻线以兼顾莫尔条纹偏移灵敏度和条纹数量；其中汇聚透镜用于使光束汇聚于狭缝处，其中莫尔条纹光路中准直透镜和汇聚透镜的焦距大小为1m，镜面直径10cm；狭缝用于消除光栅衍射的影响，只允许±1级的条纹通过，且放置汇聚透镜焦点处；滤光片用于提升高速摄像机所接收光线的单色性；检测光栅放置距汇聚透镜两倍焦距位置使莫尔条纹在成像单元处呈现等大的实像以保证莫尔条纹测量系统的空间分辨率。

本发明实施例还提供了一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用冲击电压发生器产生正极性冲击电压波形施加于放电电极，通过增强电极端部附近垂直电场大小使只产生单一垂直地面的先导放电通道；

步骤2：利用电容分压器和数字示波器对冲击电压波形进行显示和存储，通过示波器AUX接口输出的TTL脉冲信号对定量纹影测量光路中第一图像获取单元CA1进行稳定同步触发，同时输出CA1同步曝光时钟脉冲信号(ETC)通过电光和光电转换模块传输并作为莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2的输入，其中CA2与CA1工作于主从同步模式(Syncmode)，从而可实现CA1和CA2两个图像获取单元拍摄速度间的同步，保证利用两种光学流场显示测量方法实现先导通道气体温度的对比测量，为系统测量结果自校验奠定了基础；

步骤3：定量纹影光路中高功率LED光源发出的绿光经聚光透镜二次汇聚并通过匀光片和狭缝进行光强匀化；并进一步经过圆形的准直透镜形成平行光束；平行光束经先导放电通道密度梯度场发生偏折并经汇聚透镜在刀口处形成与狭缝等大的明亮光斑；其中经密度梯度场扰动的平行光线将在刀口处产生相应的偏移量，在第一图像获取单元CA1上可得到相应灰度变化定量纹影图像；

步骤4：莫尔条纹测量光路中固体激光器产生的绿色激光束经空间滤波器匀化且只通过零频光线，进一步通过准直透镜形成与透镜镜面尺寸等大的平行光束，进而经先导放电通道区域发生偏折，进一步经过光栅组并由汇聚透镜在狭缝处形成多级光斑；为消除光栅的衍射影响，狭缝只允许±1级条纹通过并最终可在第二图像获取单元CA2上显示获取莫尔条纹图像，条纹偏移量大小反映对应放电通道位置的折射率梯度大小；

步骤5：在满足系统拍摄速度要求下，通过在定量纹影测量光路中调节长焦镜头焦距保证定量纹影图像的空间分辨率(＜50μm/pixel)，将第一图像获取单元CA1曝光时间减至1μs以下以保证先导放电通道气体瞬态温度的测量要求，同时使纹影背景灰度处于图像最大灰度一半左右以保证测量系统的最大量程；对于莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2曝光时间与CA1设置相同，并采用无镜头直接成像的方式获取莫尔条纹图像最大的空间分辨率；

步骤6：结合定量纹影校验曲线和纹影图像灰度分布，可以获取某一放电通道横截面上平行光线所产生的偏折角大小；结合莫尔条纹图像、空间分辨率以及光栅配置参数同样可获取平行激光束经过放电通道对应点的偏折角大小；进一步利用Abel逆变换公式得到放电通道折射率大小径向分布，最后利用格拉斯通-戴尔(G-D)公式和理想气体状态方程分别可以获取两种测量方法得到先导通道气体瞬态温度径向分布；

步骤7：通过改变初始先导通道轴向分析截面，重复步骤6可获取定量纹影图像中先导通道气体瞬态温度二维分布情况，同时可通过选取不同位置的莫尔条纹进行分析；通过连续分析多张图像，可获得先导放电通道二维分布的时域演化规律；

步骤8：通过对比单次放电中上述利用定量纹影和莫尔条纹正交双光路观测系统中两种方法的先导通道气体温度分布时域演化测量结果，可实现系统测量结果的自校验。

本发明通过对比定量纹影和莫尔条纹两种光路正交观测的先导通道气体温度测量结果，可实现系统测量准确性的自校验，解决了不可重复性的先导放电通道气体温度测量准确性校验难题。

本发明针对正极性长空气间隙先导放电通道的形成时间和发展路径随机性大，通道径向尺寸小仅有1mm～2mm，温度空间梯度分布达数千K/mm的通道气体温度测量难题，提出了一种长间隙先导放电通道气体瞬态温度正交双光路观测系统和方法；为了更进一步的说明，现参照附图1、图2、图3和图4并结合具体实例详述如下：

本发明实施例提供的先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统包括：高功率LED光源111，聚光透镜112，匀光片和第一狭缝113，第一准直透镜114，放电电极3，第一汇聚透镜121，刀口122，第一滤光片123，长焦镜头124，第一图像获取单元125，固体激光器211，空间滤波器212，第二准直透镜213，光栅组221，第二汇聚透镜222，第二狭缝223，第二滤光片224，第二图像获取单元225，示波器6，电光转换模块4，光电转换模块5，第一数据存储单元7和第二数据存储单元8；

匀光片和方形狭缝113置于聚光透镜组12的焦点处以提升狭缝范围内的光照度和光均匀度；所述高压放电电极3置于距离第一汇聚透镜121一倍焦距以内，使电极在第一图像获取单元CA1处呈倒立放大的虚像；所述第一滤光片123参数为532±10nm，可以有效排除先导放电自发光对定量纹影图像灰度对称性的干扰，同时提升进入高速相机光线的单色性；长焦镜头124在保证合理背景灰度下增大焦距以提升系统空间分辨率；示波器6用于冲击电压波形的存储和显示并产生系统同步触发信号；通过在电极端部设计增加1mm大小尖端，增强电极端部附近区域垂直电场大小，减小放电电极端部流注放电临界体积，可实现控制先导放电通道的路径和数量。

固体激光器211参数为532±10nm绿光，空间滤波器212用于消除其它频率光线而仅通过零频光线；所述放电电极3置于所述第二汇聚透镜222两倍焦距位置处以使电极在第二图像获取单元CA2处呈等大、倒立的实像；所述光栅组221中两片光栅刻线呈细小夹角并相距3倍Talbot距离以保证清晰的成像，同时整个光栅组靠近放电电极，光栅均采用角度可调夹具进行固定。所述图像获取单元CA2采用无镜头直接成像方式获取莫尔条纹偏折图像，同时图像获取单元前采用532±5nm滤光片用于消除放电自发光并提升进入高速相机的绿色光束单色性。

定量纹影光路中第一图像获取单元CA1输出曝光时钟脉冲ETC信号由电光转换模块4转换成光信号经光纤稳定传输至光电转换模块5，并作为莫尔条纹光路中所述第二图像获取单元CA2的输入。两图像获取单元工作在主从模式并设置相同大小的曝光时间，从而可实现两图像获取单元拍摄速度的同步，保证利用两种光学流场显示测量方法实现先导通道气体温度的对比测量，通过对比正交观测先导通道图像可实现电极附近先导通道发展路径的三维重构，保证满足通道同轴对称假设；进一步可实现系统测量准确性的自校验，从而解决了不可重复性的先导放电通道气体温度测量准确性校验难题。

本发明实施例提供的先导放电通道气体瞬态温度正交观测方法包括以下步骤：

步骤1，采用冲击电压发生器产生正极性冲击电压经铜制高压引线施加于放电电极；通过在电极端部设计亚mm量级大小尖端，增强电极端部附近垂直电场大小，同时减小放电临界体积以减小初始先导通道产生的空间分布范围，使放电以较大概率只产生单一垂直地面的先导放电通道。

步骤2，利用电容分压器和数字示波器实现正极性冲击电压波形进行采集和显示存储，当冲击电压波形超过设置的参考电平时示波器进一步产生TTL触发脉冲信号，并由BNC电缆线传输至第一图像获取单元CA1作为其时间同步基准信号。CA2和CA1工作于主从同步模式(Sync mode)，其中CA1输出的曝光时钟脉冲信号(ETC)通过电光和光电转换模块传输并作为莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2的输入，从而可实现CA1和CA2两图像获取单元拍摄速度间的同步，并设置两图像获取单元为相同的曝光时间，为实现利用两种光学流场显示测量方法进行先导通道气体温度的对比测量的系统测量结果自校验奠定了基础。

步骤3，定量纹影光路中高功率LED光源发出的绿光经聚光透镜二次汇聚并通过匀光片和狭缝进行光强匀化，为保证系统的灵敏度以及点光源近似，方形狭缝直径设置为4～5mm；狭缝光源进一步经过圆形的准直透镜形成平行光束；平行光束经先导放电通道密度梯度场发生偏折并经汇聚透镜在刀口处形成与狭缝等大的明亮光斑；其中经密度梯度场扰动的光线将在刀口处产生相应的偏移量，在第一图像获取单元CA1上可得到相应灰度变化定量纹影图像；为保证定量纹影校验曲线的线性度，其中刀口最小位移行程不超过20μm。

步骤4，莫尔条纹测量光路中固体激光器产生的绿色激光束经空间滤波器匀化并消除零频光线之外的其它频率光线，进一步通过准直透镜形成与透镜镜面尺寸等大的平行光束，进而经放电电极下方先导放电通道区域发生偏折，进一步经过光栅组并由汇聚透镜在狭缝处形成多级光斑；为消除光栅的衍射影响，狭缝只允许±1级条纹通过并最终可在第二图像获取单元CA2上显示获取莫尔条纹图像，条纹偏移量大小反映对应放电通道位置的折射率梯度大小，其中放电电极置于汇聚透镜两倍焦距位置以在CA2处呈等大、倒立的实像，同时两片相距3倍Talbot距离的光栅尽量靠近电极；通过协同配合条纹间距和灵敏度进行光栅刻线数的选取；

步骤5，在满足系统图像拍摄速度要求前提下，通过在定量纹影测量光路中调节长焦镜头焦距保证定量纹影图像的空间分辨率(＜50μm/pixel)，将第一图像获取单元CA1和CA2曝光时间设置相同减至1μs以下以保证先导放电通道气体瞬态温度的测量要求，同时使纹影背景灰度处于图像最大灰度一半左右以保证测量系统的最大量程；对于莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2曝光时间与CA1设置相同，并采用无镜头直接成像的方式获取莫尔条纹图像最大的空间分辨率；

步骤6，对比正交双光路获取的先导放电通道观测结果，选取单一垂直的先导通道作为分析对象；结合定量纹影校验曲线和纹影图像灰度分布，可以获取某一放电通道横截面上平行光线所产生的偏折角大小；结合莫尔条纹图像、空间分辨率以及光栅配置参数同样可获取平行激光束经过放电通道对应点的偏折角大小；进一步利用Abel逆变换公式得到放电通道折射率大小径向分布，最后利用格拉斯通-戴尔(G-D)公式和理想气体状态方程分别可以获取两种测量方法得到先导通道气体瞬态温度径向分布；

步骤7，通过改变初始先导通道轴向分析截面，重复步骤6可获取定量纹影图像中先导通道气体瞬态温度二维分布情况，同时可通过选取不同位置的莫尔条纹进行分析；通过连续分析多张图像，可获得先导放电通道二维分布的时域演化规律；

步骤8，通过对比单次放电中上述利用定量纹影和莫尔条纹正交双光路观测系统中两种方法的先导通道气体温度分布时域演化测量结果，可实现系统测量结果的自校验。

其中，高压放电电极端部曲率半径根据实验需要进行调整，施加的冲击电压幅值需大于对应实验条件下先导放电起始电压。

在本发明实施例中，高功率LED光源要求单色性，且中心波长为532nm，半波宽≤20nm，并可满足高亮度持续输出并亮度可调的要求，最大光功率≥1.4W；光源整体为刚性结构防止发生振动并加装散热器以保证光源长时间安全、稳定工作。

在定量纹影光路中，为了保证第一图像获取单元CA1的进光量和绝缘距离，在开展1.0m间隙正极性长空气间隙放电时，第一准直透镜114和第一汇聚透镜121焦距f为1.5m，透镜直径d为焦距的1/10；在莫尔条纹光路中，为便于光路对称性调节和节约实验场地占用空间，第二准直透镜213和第二汇聚透镜222焦距建议选取1.0m，且准直透镜距高压放电电极1.5m以上保证测量系统的高压绝缘距离。

在定量纹影光路中，为提升系统空间分辨率以保证气体温度反演的准确性，在实验时长焦镜头焦距应大于600mm，使得定量纹影图像中单个像素点所对应的实际空间距离不大于50μm；在莫尔条纹光路中，光栅组中两光栅夹角α的选取依据实际条纹间距和灵敏度进行调整，一般不超过10^-2rad。

为保证第一图像获取单元CA1和CA2处于同步拍摄状态，光电转换模块5和电光转换模块4的时延不超过20ns，同时信号传输光纤长度不超过10m，保证信号传输时延控制在50ns，保证两图像获取单元曝光时钟脉冲相位差＜100ns。

本发明所提出的先导放电通道气体瞬态温度正交观测的方法的关键点之一是利用定量纹影和莫尔条纹两种光学流场显示测量方法的光路形成正交布置，可进行先导发展通道路径的三维重构，实现了先导放电通道气体瞬态温度的对比测量，解决了由于先导放电不可重复性而导致先导通道温度测量准确性无法校验的难题。正交布置双光路测量系统中两图像获取单元工作在主从模式，并通过曝光时钟脉冲信号使两图像获取单元工作在同一帧率状态，保证了测量系统的同步。因此，利用曝光时钟脉冲信号使两图像获取单元进行同步拍摄，并基于正交布置的各种光学流场显示技术，如M-Z激光干涉法、彩色纹影法、阴影法，均能实现本发明的部分功能，因此均认为是本申请的替代方案。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统，其特征在于，包括：定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极(3)、转换单元、示波器(6)、第一数据存储单元(7)和第二数据存储单元(8)；

所述定量纹影测量光路用于获取先导放电通道的定量纹影图像；

所述莫尔条纹测量光路用于获取先导放电通道的莫尔条纹图像，并与所述定量纹影测量光路正交布置；

所述放电电极(3)设置在所述定量纹影测量光路和所述莫尔条纹测量光路的正交光路交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在所述放电电极(3)端部产生先导放电通道密度梯度场；

所述示波器(6)用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出用于所述定量纹影测量光路和所述莫尔条纹测量光路中图像获取的同步触发以实现同步测量的TTL脉冲信号；

所述第一数据存储单元(7)的输入端与所述定量纹影测量光路的第一输出端连接，用于存储先导放电通道的定量纹影图像；

所述转换单元的输入端与所述定量纹影测量光路的第二输出端连接，所述转换单元的输出端与所述莫尔条纹测量光路的输入端连接，用于实现所述定量纹影测量光路与所述莫尔条纹测量光路之间的曝光时钟脉冲信号的光电转换和传输；

所述第二数据存储单元(8)的输入端与所述莫尔条纹测量光路的输出端连接，用于存储先导放电通道的莫尔条纹图像。

2.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述定量纹影测量光路包括第一光路(11)和第二光路(12)；

所述第一光路(11)包括：沿光轴依次设置的高功率LED光源(111)、聚光透镜(112)、匀光片、第一狭缝和第一准直透镜(114)；所述高功率LED光源(111)用于持续高亮度输出亮度可调的绿光，所述聚光透镜(112)用于实现光线的二次聚光以提高汇聚光斑的光强大小；所述第一狭缝设置在所述聚光透镜(112)和所述第一准直透镜(114)的焦点处；所述匀光片和所述第一狭缝用于产生光强均匀的光斑；所述第一准直透镜(114)用于产生圆形平行光束并垂直通过放电通道截面；

所述第二光路(12)包括：第一汇聚透镜(121)、刀口(122)、第一滤光片(123)、长焦镜头(124)和第一图像获取单元(125)；所述第一汇聚透镜(121)用于使平行光束在所述刀口(122)处进行汇聚，并产生与所述第一狭缝孔径等大的方形匀强光斑；所述刀口(122)设置于所述第一汇聚透镜的焦点处；所述第一滤光片(123)设置于所述焦距可变的长焦镜头(124)前，用于提升光线的单色性；所述第一图像获取单元(125)用于采集先导放电通道的定量纹影图像。

3.如权利要求2所述的观测系统，其特征在于，所述第一狭缝为方形狭缝，方形狭缝的口径不超过5mm。

4.如权利要求2-3任一项所述的观测系统，其特征在于，所述第一准直透镜(114)设置在距所述放电电极1.5m的位置。

5.如权利要求2-4任一项所述的观测系统，其特征在于，所述刀口(122)的最小位移行程不超过20μm。

6.如权利要求2-5任一项所述的观测系统，其特征在于，所述长焦镜头的焦距范围为300mm～800mm。

7.如权利要求1-6任一项所述的观测系统，其特征在于，所述莫尔条纹测量光路包括第三光路(21)和第四光路(22)；

所述第三光路(21)包括：固体激光器(211)、空间滤波器(212)和第二准直透镜(213)；所述固体激光器(211)产生波长为(532±10)nm的绿光；所述空间滤波器(212)用于消除其它频率光线而仅通过零频光线，放置于第二准直透镜(213)焦点处，并通过第二准直透镜(213)产生圆形平行光束；

所述第四光路(22)包括：光栅组(221)、第二汇聚透镜(222)、第二狭缝(223)、第二滤光片(224)和第二图像获取单元(225)；

所述光栅组(221)用于经放电区域扰动光线形成莫尔条纹；

所述第二汇聚透镜(222)用于使光束汇聚于所述第二狭缝(223)处，所述第二狭缝(223)设置于所述第二汇聚透镜(222)焦点处，用于消除光栅衍射的影响且仅允许±1级的条纹通过；

所述第二滤光片(224)用于提升所述第二图像获取单元(225)所接收光线的单色性，以提升根据气体折射率进行气体密度反演计算的准确性，且图像获取单元采用不加镜头的方式成像以提升测量的空间分辨率。

8.如权利要求7所述的观测系统，其特征在于，所述光栅组(221)包括：参考光栅和检测光栅，所述参考光栅与所述检测光栅之间具有一定夹角设置，所述参考光栅与所述检测光栅之间距离3倍Talbot距离；检测光栅放置距汇聚透镜两倍焦距位置。

9.如权利要求1-8任一项所述的观测系统，其特征在于，正极性冲击电压幅值大于对应实验条件下的先导放电起始电压。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统的观测方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将正极性冲击电压波形施加于放电电极并通过增强所述放电电极端部附近垂直电场大小使其仅产生单一垂直地面的先导放电通道；

步骤2：对所述冲击电压波形进行显示和存储，通过TTL脉冲信号对定量纹影测量光路中第一图像获取单元CA1进行稳定同步触发，并同时输出CA1同步曝光时钟脉冲信号；CA1和莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2设置工作在主从模式，并将所述时钟脉冲信号作为CA2的输入从而实现CA1和CA2两个图像获取单元拍摄速度间的同步；

步骤3：将定量纹影光路中高功率LED光源发出的绿光经聚光透镜二次汇聚，通过匀光片和狭缝进行光强匀化；并进一步经过圆形的准直透镜形成平行光束；平行光束经先导放电通道密度梯度场发生偏折并经汇聚透镜在刀口处形成与狭缝等大的明亮光斑；

其中经密度梯度场扰动的平行光线在刀口处产生相应的偏移量，在第一图像获取单元CA1上得到相应灰度变化的定量纹影图像；

步骤4：将莫尔条纹测量光路中固体激光器产生的绿色激光束经空间滤波器匀化且只通过零频光线，通过准直透镜形成与透镜镜面尺寸等大的平行光束，进而经先导放电通道区域发生偏折，进一步通过光栅组并由汇聚透镜在狭缝处形成多级光斑；狭缝只允许±1级条纹通过并在第二图像获取单元CA2上显示获取莫尔条纹图像，条纹偏移量大小反映对应放电通道位置的折射率梯度大小；

步骤5：通过在定量纹影测量光路中调节长焦镜头焦距保证定量纹影图像的空间分辨率，将第一图像获取单元CA1曝光时间减至1μs以下以保证先导放电通道气体瞬态温度的测量要求，同时使纹影背景灰度处于图像最大灰度一半左右以保证测量系统的最大量程；

将所述第二图像获取单元CA2的曝光时间设置为与所述第一图像获取单元CA1的曝光时间相同，并采用无镜头直接成像的方式获取莫尔条纹图像最大的空间分辨率；

步骤6：结合定量纹影校验曲线和纹影图像灰度分布获取某一放电通道横截面上平行光线所产生的偏折角大小；并结合莫尔条纹图像、空间分辨率以及光栅配置参数获取平行激光束经过放电通道对应位置的偏折角大小；

利用Abel逆变换公式得到放电通道折射率大小径向分布，并利用格拉斯通-戴尔公式和理想气体状态方程分别获取两种测量方法得到先导通道气体瞬态温度径向分布；

步骤7：通过改变初始先导通道轴向分析截面，重复步骤5获得定量纹影图像中先导通道气体瞬态温度二维分布情况，并通过选取不同位置的莫尔条纹进行分析，通过连续分析多个图像获得先导放电通道二维分布的时域演化规律；

步骤8：通过对比单次放电中上述利用定量纹影和莫尔条纹正交双光路观测系统中两种方法的先导通道气体温度分布时域演化测量结果，实现系统测量结果准确性的自校验。

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