CN113133172B - 一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统和方法，该系统包括：沿光路方向依次设置的LED光源、光学组件和图像获取单元；高压电极用于在光学组件的透镜区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道；外部触发脉冲形成电路用于产生两路同步脉冲信号，对LED光源和图像获取单元进行同步触发，使LED光源的发光频率和图像获取单元的拍摄速度同步，本发明的有益效果为：通过利用脉冲驱动LED光源和高速摄影技术，实现了先导放电起始阶段定量纹影图像的时域连续拍摄，解决了传统恒功率LED光源驱动的定量纹影系统无法兼顾时间、空间分辨率而导致无法获取放电通道气体瞬态温度的难题。

Description

一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度测量系统和方法

技术领域

本发明涉及高电压长间隙放电等离子体诊断技术领域，具体而言，涉及一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统和方法。

背景技术

对于从首次流注起始到稳定先导起始前的先导放电起始阶段，气体温度升高后，会引起结合电离、负离子脱附以及激发态分子的淬灭反应等多种复杂电离机制的加入，从而使得通道电子密度出现显著上升，导致先导放电起始。因此开展先导放电起始阶段通道气体温度时域演化规律的测量研究对于深入理解先导放电形成的物理机制具有重要意义。但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，现有等离子体温度诊断方法均不适用于先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量。

发明内容

为解决目前放电等离子体温度诊断方法无法适用于长空气间隙先导放电起始阶段通道气体瞬态温度的时域连续测量的问题，本发明的目的在于提供一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统和方法。

本发明提供了一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统，该系统包括：

沿光路方向依次设置的LED光源、光学组件和图像获取单元；

高压电极，其用于在所述光学组件的透镜区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道；

外部触发脉冲形成电路，其用于产生两路同步脉冲信号，对所述LED光源和所述图像获取单元进行同步触发，使LED光源的发光频率和图像获取单元的拍摄速度同步，以在所述LED光源发出频闪光的同时，所述图像获取单元连续拍摄所述频闪光经初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像。

作为本发明进一步的改进，所述外部触发脉冲形成电路的输出端分别通过光/电转换模块与所述LED光源和所述图像获取单元连接。

作为本发明进一步的改进，所述系统还包括示波器，其用于测量施加于所述高压电极的冲击电压波，所述外部触发脉冲形成电路的输入端与所述示波器连接。

作为本发明进一步的改进，所述光学组件包括沿光路方向依次设置的聚光透镜、匀光片、方形狭缝、准直透镜、汇聚透镜、刀口和滤光片，所述高压电极在所述准直透镜和所述汇聚透镜之间的区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

作为本发明进一步的改进，所述匀光片设于所述方形狭缝上，所述方形狭缝设于所述准直透镜的焦点位置，所述刀口设于所述汇聚透镜的焦点位置。

作为本发明进一步的改进，所述高压电极的端部设有1mm长的尖端。

作为本发明进一步的改进，所述图像获取单元为高速摄像机，所述高速摄像机上设有焦距可调的长焦镜头，所述滤光片设于所述长焦镜头上。

本发明还提供了一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量方法，该方法包括：

对LED光源和图像获取单元进行同步触发，使LED光源的发光频率和图像获取单元的拍摄速度同步，以在所述LED光源发出频闪光的同时，所述图像获取单元连续拍摄所述频闪光经初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像；

对所述多张定量纹影图像中的一张，根据图像灰度反演所述频闪光经所述初始先导放电通道中对应横截面上沿径向的多个采样点对应的偏折角大小，根据偏折角大小确定该横截面上的气体瞬态温度的径向分布；

重复上述过程对所述多张定量纹影图像中的其他定量纹影图像进行分析计算，确定所述初始先导放电通道中的其他横截面的气体瞬态温度的径向分布，得出所述初始先导放电通道中气体瞬态温度的轴向分布；

通过连续分析所述多张定量纹影图像，确定所述初始先导放电通道气体瞬态温度径向分布和轴向分布的时域演化规律。

作为本发明进一步的改进，所述对LED光源和图像获取单元进行同步触发，包括：

对外部触发脉冲形成电路进行触发，使其产生两路相同频率和占空比的方波信号，通过两路所述方波信号对LED光源和图像获取单元进行触发；

比较LED光源的发光频率信号和图像获取单元的实际曝光时钟脉冲信号，确定LED光源的发光频率与图像获取单元的拍摄周期是否同步。

作为本发明进一步的改进，所述初始先导放电通道为：将正极性冲击电压施加于端部优化的高压电极上，产生的单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

作为本发明进一步的改进，所述外部触发脉冲形成电路的输出端分别通过光/电转换模块与所述LED光源和所述图像获取单元连接。

作为本发明进一步的改进，所述系统还包括示波器，其用于测量施加于所述高压电极的冲击电压波，所述外部触发脉冲形成电路的输入端与所述示波器连接。

作为本发明进一步的改进，所述光学组件包括沿光路方向依次设置的聚光透镜、匀光片、方形狭缝、准直透镜、汇聚透镜、刀口和滤光片，所述高压电极在所述准直透镜和所述汇聚透镜之间的区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

作为本发明进一步的改进，所述匀光片设于所述方形狭缝上，所述方形狭缝设于所述准直透镜的焦点位置，所述刀口设于所述汇聚透镜的焦点位置。

作为本发明进一步的改进，所述高压电极的端部设有1mm长的尖端。

作为本发明进一步的改进，所述图像获取单元为高速摄像机，所述高速摄像机上设有焦距可调的长焦镜头，所述滤光片设于所述长焦镜头上。

本发明的有益效果为：通过利用脉冲驱动LED光源和高速摄影技术，实现了先导放电起始阶段定量纹影图像的时域连续拍摄，解决了传统恒功率LED光源驱动的定量纹影系统无法兼顾时间、空间分辨率而导致无法获取放电通道气体瞬态温度的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统中平行光经过同轴对称先导放电通道的示意图；

图3为本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统中两路触发同步TTL方波信号时序图；

图4为本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统中PMT信号与高速相机曝光时钟信号同步测试示意图。

图中，

1、LED光源；2、聚光透镜；3、匀光片；4、方形狭缝；5、准直透镜；6、汇聚透镜；7、刀口；8、滤光片；9、长焦镜头；10、图像获取单元；11、高压电极；12、示波器；13、外部触发脉冲形成电路；14、第一电光转换模块；15、第二电光转换模块；16、第一光电转换模块；17、第二光电转换模块；18、光电倍增管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

在相关技术中，正极性先导放电物理特性是特高压输变电系统外绝缘设计的理论基础，同时正极性先导放电机理亦是雷电防护研究所关注的基础问题。在长空气间隙放电中，先导放电通道的电场比流注放电通道电场低约1个数量级，在相同通道长度下先导通道压降比流注通道小5-10倍，因此先导放电的形成是导致长空气间隙放电击穿电压呈现饱和特性的原因。由于离子迁移率与电子相比很小，放电通道电导率主要取决于电子数密度，在大气压下的流注放电通道中，其气体温度接近室温300K，自由电子主要产生于碰撞电离，并与附着作用共同平衡作用使通导电子密度维持在10¹⁴-10¹⁵cm^-3。对于稳定先导放电而言，其气体温度处于2000-6000K之间，在对于从首次流注起始到稳定先导起始阶段，气体温度升高后，会引发结合电离、负离子脱附以及激发态分子的淬灭反应等多种复杂电离机制的加入，从而使得通道电子密度出现显著上升，导致先导放电起始；因此开展先导放电起始阶段通道气体温度时域演化规律的测量研究对于深入理解先导放电形成的物理机制具有重要意义。

在实验室正极性长空气间隙放电实验中，当电极施加电压上升率或者电极曲率半径较大时，首次流注放电起始便可直接导致稳定先导放电的形成，在此条件下放电通道中心气体温度随时间变化率可达2000K/μs，要求测量方法具有很高的时间分辨能力；另一方面，当施加电压上升率或电极曲率半径均较小时，电极端部附近的不稳定先导通道会伴随有暗区间隔多、多次熄灭和重燃的现象，持续数十甚至上百微秒，变化十分复杂，要求测量方法同时具有时域连续测量能力。

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，现有等离子体温度诊断方法均不适用于先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量：

发射光谱法/激光散射法：该种方法利用ICCD相机进行时间分辨测量，可以实现放电通道气体温度的瞬态测量，但由于长空气间隙放电具有很强的分散性，无法满足初始先导通道气体温度时域连续测量要求。

马赫曾德M-Z激光干涉法：在该方法中条纹偏移量与气体折射率变化量呈正相关，而先导放电起始阶段通道内气体折射率变化量很小，M-Z干涉法的灵敏度与条纹的宽度正相关，欲增加灵敏度，条纹数量减小将会导致系统空间分辨率降低；同时先导放电起始阶段通道位于电极表面附近，激光会在电极周围产生很强的衍射现象，导致无法清楚分辨初始先导放电通道，综合导致利用M-Z干涉法无法适用于先导起始阶段放电通道气体温度测量。

背景纹影法：该种方法在进行背景纹影图像数据处理时，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，这对尺寸较小的测量目标显得尤其不适用，而先导起始阶段通道尺寸仅有亚mm量级大小，分辨率的下降会在之后的通道温度反演计算中引入不可接受的偏差，因此利用背景纹影法同样无法适用于先导放电起始阶段通道气体温度的定量测量。

定量纹影法：定量纹影法成像灰度变化正比于与气体折射率n分布的一阶导数，即使在先导放电起始阶段通道折射率绝对值变化量小，但折射率导数的变化更有利于检测，与M-Z激光干涉法相比具有更高的测量灵敏度，且定量纹影法采用LED光源，不存在衍射现象，同时利用高速相机适合先导放电起始阶段通道的时域连续观测。

但对于传统恒功率LED光源驱动的定量纹影系统，为保证亚mm初始先导放电通道径向采样点数以提升利用Abel逆变换算法进行通道气体温度反演的准确性，需要利用在成像相机前加一长焦镜头以增大纹影图像的空间分辨率，但是长焦镜头的引入将会使相机进光量大大减少，导致图像亮度显著降低；同时为了提升系统的灵敏度和信噪比，需要增大相机的单帧图像的曝光时间，但曝光时间过长将导致反演的温度结果为曝光时间内的平均值，无法反映出通道气体温度的瞬态变化特征。综上所述，由于传统LED光源的功率不足问题，导致现有定量纹影系统无法兼顾时间和空间分辨率，无法适用于长空气间隙先导放电起始阶段通道气体瞬态温度的时域连续测量。

综上所述，针对先导放电起始阶段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、由于先导放电具有很强的随机性，现有较成熟的发射光谱法、散射法采用ICCD相机进行成像，无法满足通道气体温度时域测量要求；

2、由于先导放电起始阶段通道径向尺寸仅有亚mm量级，且气体折射率变化很小，现有光学流场显示技术中M-Z激光干涉法和背景纹影法均不能准确获取初始先导通道气体温度数据；

3、由于传统恒功率LED的光强限制，导致现有定量纹影系统无法同时兼顾时间和空间分辨率，无法适用于长空气间隙先导放电起始阶段通道气体瞬态温度的时域连续测量。

针对长空气间隙先导放电形成时间和发展路径随机性大，且先导放电起始阶段通道气体温度时间变化率可达千K/μs、通道尺寸仅有亚mm量级导致先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量十分困难的难题，本申请提出一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量的系统和方法。基于定量纹影光路，采用脉冲电流源驱动LED光源和高速摄像机，通过对电极形状设计以及纹影光路优化，实现先导放电起始阶段通道过高对比度定量纹影图像的连续拍摄。通过外部触发脉冲形成电路产生两路相同频率、占空比的脉冲信号pulse1和pulse2，分别对LED光源和高速摄像机进行触发并通过调整pulse1和pulse2之间的相位，可实现＜300ns短曝光时间下的初始先导通道气体温度瞬态测量，同时实际纹影曝光时间可突破高速相机曝光时间性能参数的限制。本发明可实现长空气间隙先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量，解决了利用ICCD相机成像的发射光谱/散射等方法可以瞬态但不能时域连续测量以及传统恒功率LED光源驱动的定量纹影系统无法兼顾时间和空间分辨率的难题。

如图1所示，本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统，该系统包括：

沿光路方向依次设置的LED光源1、光学组件和图像获取单元10。

本实施例中LED光源1是一种利用脉冲电流源驱动的LED光源，LED光源1在脉冲信号的驱动下产生532±20nm的绿光，所述LED光源1的安全可调工作电压为4.5-18V，所述LED光源1的最大瞬时功率大于147W，最大光通量超过3100lm。脉冲光源的瞬时发光功率较传统光源大大增加从而提升光强，可以解决使用长焦镜头会使相机进光量大大减小的问题，保证定量纹影图像的灰度；绿光提升了图像获取单元10的感光度，可以提高整个测量系统的灵敏度。

高压电极11，其用于在所述光学组件的透镜区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

本实施例是通过在高压电极的端部增设1mm长的尖端对高压电极11进行优化，可以增强电极端部附近垂直电场分量，减小放电起始临界体积，减小放电的分散性，可以实现通道数量和发展路径的调控，满足了放电通道气体密度准确反演所需Abel逆变换同轴对称假设。

外部触发脉冲形成电路13，其用于产生两路同步脉冲信号，对所述LED光源1和所述图像获取单元10进行同步触发，使LED光源1的发光频率和图像获取单元10的拍摄速度同步，以在所述LED光源1发出频闪光的同时，所述图像获取单元10连续拍摄所述频闪光经初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像。LED光源1以高速频闪的方式发光，同时图像获取单元10以相同速度进行拍摄，进一步实现了先导放电起始阶段定量纹影图像的时域连续拍摄，解决了传统恒功率LED光源驱动的定量纹影系统无法兼顾系统时间、空间分辨率而导致无法获取放电通道气体瞬态温度的难题。

在一种可选的实施方式中，所述外部触发脉冲形成电路13的输出端分别通过光/电转换模块与所述LED光源1和所述图像获取单元10连接。

本实施例中外部触发脉冲形成电路13依次通过第一电光转换模块14和第一光电转换模块16与LED光源1连接，外部触发脉冲形成电路13输出的第一路方波信号pulse1可以通过第一电光转换模块14和第一光电转换模块16对LED光源1进行触发；外部触发脉冲形成电路13依次通过第二电光转换模块15和第二光电转换模块17与图像获取单元10连接，外部触发脉冲形成电路13输出的第二路方波信号pulse2可以通过第二电光转换模块15和第二光电转换模块17对图像获取单元10进行触发。如图3所示，通过调整方波信号pulse1和pulse2的相位差，实现了纹影图像实际曝光时间的任意可调，突破了高速摄像机曝光时间性能参数限制，实现了先导放电起始阶段短曝光(＜300ns)条件下定量纹影图像放电通道气体瞬态温度二维分布的获取。

在一种可选的实施方式中，所述系统还包括示波器12，其用于测量施加于所述高压电极11的冲击电压波，所述外部触发脉冲形成电路13的输入端与所述示波器12连接。

示波器12用于对所述正极性冲击电压波进行测量、显示和存储。外部触发脉冲形成电路13的输入端与所述示波器12的TTL脉冲信号输出端连接。外部触发脉冲形成电路13由示波器112的AUX接口输出的TTL信号进行触发，产生两路相同频率、占空比的TTL方波信号pulse1和pulse2，分别对LED光源1和图像获取单元10进行稳定触发。

在一种可选的实施方式中，所述光学组件包括沿光路方向依次设置的聚光透镜2、匀光片3、方形狭缝4、准直透镜5、汇聚透镜6、刀口7和滤光片8，所述高压电极11在所述准直透镜5和所述汇聚透镜6之间的区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

本实施例中准直透镜5和汇聚透镜6的参数相同，高压电极11置于距离汇聚透镜6一倍焦距以内，高压电极11在正极性冲击电压波的冲击下，在所述准直透镜5和所述汇聚透镜6之间的区域内产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道，例如，在开展1.0m间隙正极性长空气间隙放电时，准直透镜5和汇聚透镜6焦距控制在1.5-2.0m范围，准直透镜5和汇聚透镜6的直径为焦距的1/10，可以保证图像获取单元10的进光量和绝缘距离。

在一种可选的实施方式中，所述匀光片3设于所述方形狭缝4上，所述方形狭缝4设于所述准直透镜5的焦点位置。优选的，方形狭缝4的孔径不超过5mm，可以使光线在刀口7出形成的方形光斑的直径小于5mm，确保整个系统的灵敏度和交点处光斑的亮度。本申请对方形狭缝4的孔径尺寸不做具体限定，只要可以实现整个系统的准确测量即可。

在一种可选的实施方式中，所述刀口7设于所述汇聚透镜6的焦点位置。优选的，刀口7的最小位移行程不超过20μm，并且刀口7的切割量为光斑直径的一半，可以保证定量纹影校验曲线的线性度，提高整个系统的测量准确性。

在一种可选的实施方式中，所述图像获取单元10为高速摄像机，所述高速摄像机上设有焦距可调的长焦镜头9，所述滤光片8设于所述长焦镜头9上。优选的，滤光片8的滤光波长为532±10nm，可以只允许绿光进入图像获取单元10中，可以解决先导放电自发光干扰所引起的气体折射率反演不准确的问题。长焦镜头9选用焦距为300-800mm的变焦镜头，高速摄像机用于对定量纹影图像进行时域连续拍摄，其最高拍摄速度可达100w帧/秒。通过调节长焦镜头9的焦距和高速摄像机的定量纹影成像的实际曝光时间，在满足整个系统的空间分辨率条件下减小纹影成像曝光时间(＜300ns)，同时使纹影图像背景灰度处于图像最大灰度的一半以保证系统的量程。

其中，整个系统的空间分辨率主要影响先导放电通道径向上的采样点数，一般径向采样点数大于20，可以保证利用Abel逆变换反演通道密度的准确性，由此可以确定整个系统的空间分辨率需小于50μm/pixel；调整纹影图像背景灰度为图像最大灰度的一半，主要是通过调整刀口7的切割量来实现，一般刀口7的切割量为光斑一半的位置。

本实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统的测量原理是基于定量纹影测量原理，对先导放电起始阶段通道气体瞬态温度进行连续测量。其中，LED光源1作为定量纹影测量中的光源提供频闪光；光线经过聚光透镜2进行聚光，优选的，聚光透镜2设有双镜头组，可以对LED光源1发出的频闪光进行二次聚光；设有匀光片3的方形狭缝4可以使经过聚光的光线产生亮度均匀的方形光斑，匀光片3解决了光斑亮度不均匀的问题，提升了定量纹影校验曲线的线性度，进一步提高了放电通道气体温度反演的准确性；准直透镜5用于产生平行光束；汇聚透镜6用于使平行光束在刀口7处进行汇聚，产生和方形狭缝4孔径等大的方形光斑；滤光片8用于对进入图像获取单元10的光线进行选择；长焦镜头9用于增大纹影图像的空间分辨率；图像获取单元10用于定量纹影图像的时域连续拍摄；高压电极11用于在准直透镜5和汇聚透镜6之间的区域内产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道，使经过准直透镜5和汇聚透镜6之间的平行光线发生偏折，偏折的光线将在刀口7处产生相应的偏移量，最终使图像获取单元10记录得到灰度明暗变化的定量纹影图像。示波器12用于对触发高压电极11的正极性冲击电压波进行测量、显示和存储；外部触发脉冲形成电路13用于根据示波器12输出的TTL脉冲信号对LED光源和图像获取单元10进行触发和同步。通过分析得到的定量纹影图像得出先导放电起始阶段通道气体瞬态温度的时域演化规律。

本发明实施例所述的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量方法，该方法包括：

对LED光源1和图像获取单元10进行同步触发，使LED光源1的发光频率和图像获取单元10的拍摄速度同步，以在所述LED光源1发出频闪光的同时，所述图像获取单元10连续拍摄所述频闪光经初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像。

LED光源1发出的高亮度绿光经过聚光透镜2进行二次汇聚，通过带有匀光片3的方形狭缝4，由于方形狭缝4的尺寸远小于准直透镜5的焦距，方形狭缝4可近似为点光源，再经准直透镜5形成圆形平行光束；平行光束经过先导放电通道折射率梯度场会产生向外的偏折，进一步经过汇聚透镜6光线会在刀口7处进行汇聚形成与方形狭缝4孔径等大的明亮光斑；其中发生偏折的光线将在刀口7处产生相应的偏移量，在图像获取单元10上可以得到灰度明暗变化的定量纹影图像。

对所述多张定量纹影图像中的一张，根据图像灰度反演所述频闪光经所述初始先导放电通道中对应横截面上沿径向的多个采样点对应的偏折角大小，根据偏折角大小确定该横截面上的气体瞬态温度的径向分布。

根据获取的定量纹影图像的灰度，结合定量纹影校验曲线，得出所述初始先导放电通道中对应该张定量纹影图像的横截面上沿径向的多个采样点对应的偏折角大小，再根据Abel逆变换算法、格拉斯通-戴尔(G-D)公式和理想气体状态方程，得出该横截面上气体瞬态温度的径向分布。

其中，定量纹影校验曲线是在正式开展放电实验之前，通过改变刀口7的切割量，得到的不同切割量与高速纹影图像灰度之间的关系，依此可以建立光线偏折角与图像灰度之间的关系(即校验曲线)。在得到先导放电通道灰度变化的纹影图像之后，通过定量纹影图像的灰度即可反推出平行光线经过先导放电通道时所产生的偏折角，进而确定先导放电通道气体的温度分布。

重复上述过程对所述多张定量纹影图像中的其他定量纹影图像进行分析计算，确定所述初始先导放电通道中的其他横截面的气体瞬态温度的径向分布，得出所述初始先导放电通道中气体瞬态温度的轴向分布。

通过连续分析所述多张定量纹影图像，确定所述初始先导放电通道气体瞬态温度径向分布和轴向分布的时域演化规律。

在一种可选的实施方式中，所述对LED光源1和图像获取单元10进行同步触发，包括：

对外部触发脉冲形成电路13进行触发，使其产生两路相同频率和占空比的方波信号，通过两路所述方波信号对LED光源1和图像获取单元10进行触发；

比较LED光源1的发光频率信号和图像获取单元的实际曝光时钟脉冲信号，确定LED光源1的发光频率与图像获取单元10的拍摄周期是否同步。

施加于高压电极11上的正极性冲击电压波形由示波器12进行显示、存储，并利用示波器AUX接口输出的TTL脉冲信号对外部触发脉冲形成电路13进行触发使其产生两路TTL方波信号，如图3所示，两路信号pulse1和pulse2通过电光转换模块和光电转换模块经光纤传输分别对LED光源1和高速摄像机进行触发和同步，可以实现各设备间的电气隔离，保证了实验的安全，同时高速摄像机工作于同步模式(Sync mode)，即高速相机拍摄速度与方波信号同步，因此可实现LED光源1发光频率和高速相机拍摄速度间的同步，同时通过改变两路信号之间的相位差，可使定量纹影图像实际曝光时间突破相机曝光性能参数的限制。

如图4所示，在高速摄像机一侧增加PMT418(光电倍增管18)探头对LED光源1发出的频闪光进行探测，并将光信号转化成电信号传输至示波器12进行显示，同时通过BNC电缆线将高速摄像机的ETC信号(高速摄像机实际曝光时钟脉冲信号)在数字示波器进行显示，通过对较PMT和ETC信号的周期和相位可以推断出实际高速摄像机的曝光时间和拍摄帧率，可以确定LED光源1的发光频率与高速摄像机拍摄周期是否同步，同时保证高速摄像机在LED光源1发光时的有效曝光，保证整个方法的正常进行。光电倍增管18的相应时间不超过5ns，可以尽量消除与LED光信号之间的时延，保证测量结果的准确性。

在一种可选的实施方式中，所述初始先导放电通道为：

将正极性冲击电压施加于端部优化的高压电极11上，产生的单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

利用冲击电压发生器产生正极性雷电或者操作冲击电压波形，并通过高压引线施加于高压电极11，当电极端部电场满足流注放电起始场强，首次流注放电起始，随着电压幅值的持续上升，流注放电直接或经历数个暗区时间才导致稳定先导放电起始；通过在高压电极1的端部加设1mm长的尖端对高压电极11进行优化，以控制流注放电临界体积大小，使只产生单根初始先导通道垂直于地面发展。由于流注放电电流的注入，放电通道内气体温度升高，通道气体密度相较环境气体密度显著降低，通道气体折射率出现梯度分布，平行光线经过放电通道会出现向外的偏折现象，如图2所示，定量纹影法正是通过对偏折角α的测量来实现放电通道气体温度的反演。

在一种可选的实施方式中，所述外部触发脉冲形成电路13的输出端分别通过光/电转换模块与所述LED光源1和所述图像获取单元10连接。

本实施例中外部触发脉冲形成电路13依次通过第一电光转换模块14和第一光电转换模块16与LED光源1连接，外部触发脉冲形成电路13输出的第一路方波信号pulse1可以通过第一电光转换模块14和第一光电转换模块16对LED光源1进行触发；外部触发脉冲形成电路13依次通过第二电光转换模块15和第二光电转换模块17与图像获取单元10连接，外部触发脉冲形成电路13输出的第二路方波信号pulse2可以通过第二电光转换模块15和第二光电转换模块17对图像获取单元10进行触发。如图3所示，通过调整方波信号pulse1和pulse2的相位差，实现了纹影图像实际曝光时间的任意可调，突破了高速摄像机曝光时间性能参数限制，实现了先导放电起始阶段短曝光(＜300ns)条件下定量纹影图像放电通道气体瞬态温度二维分布的获取。

在一种可选的实施方式中，所述系统还包括示波器12，其用于测量施加于所述高压电极11的冲击电压波，所述外部触发脉冲形成电路13的输入端与所述示波器12连接。

示波器12用于对所述正极性冲击电压波进行测量、显示和存储。外部触发脉冲形成电路13的输入端与所述示波器12的TTL脉冲信号输出端连接。外部触发脉冲形成电路13由示波器112的AUX接口输出的TTL信号进行触发，产生两路相同频率、占空比的TTL方波信号pulse1和pulse2，分别对LED光源1和图像获取单元10进行稳定触发。

在一种可选的实施方式中，所述光学组件包括沿光路方向依次设置的聚光透镜2、匀光片3、方形狭缝4、准直透镜5、汇聚透镜6、刀口7和滤光片8，所述高压电极11在所述准直透镜5和所述汇聚透镜6之间的区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

本实施例中准直透镜5和汇聚透镜6的参数相同，高压电极11置于距离汇聚透镜6一倍焦距以内，高压电极11在正极性冲击电压波的冲击下，在所述准直透镜5和所述汇聚透镜6之间的区域内产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道，例如，在开展1.0m间隙正极性长空气间隙放电时，准直透镜5和汇聚透镜6焦距控制在1.5-2.0m范围，准直透镜5和汇聚透镜6的直径为焦距的1/10，可以保证图像获取单元10的进光量和绝缘距离。

在一种可选的实施方式中，所述匀光片3设于所述方形狭缝4上，所述方形狭缝4设于所述准直透镜5的焦点位置。优选的，方形狭缝4的孔径不超过5mm，可以使光线在刀口7出形成的方形光斑的直径小于5mm，确保整个系统的灵敏度和交点处光斑的亮度。本申请对方形狭缝4的孔径尺寸不做具体限定，只要可以实现整个系统的准确测量即可。

在一种可选的实施方式中，所述刀口7设于所述汇聚透镜6的焦点位置。优选的，刀口7的最小位移行程不超过20μm，并且刀口7的切割量为光斑直径的一半，可以保证定量纹影校验曲线的线性度，提高整个系统的测量准确性。

在一种可选的实施方式中，所述图像获取单元10为高速摄像机，所述高速摄像机上设有焦距可调的长焦镜头9，所述滤光片8设于所述长焦镜头9上。优选的，滤光片8的滤光波长为532±10nm，可以只允许绿光进入图像获取单元10中，可以解决先导放电自发光干扰所引起的气体折射率反演不准确的问题。长焦镜头9选用焦距为300-800mm的变焦镜头，高速摄像机用于对定量纹影图像进行时域连续拍摄，其最高拍摄速度可达100w帧/秒。通过调节长焦镜头9的焦距和高速摄像机的定量纹影成像的实际曝光时间，在满足整个系统的空间分辨率条件下减小纹影成像曝光时间(＜300ns)，同时使纹影图像背景灰度处于图像最大灰度的一半以保证系统的量程。

其中，整个系统的空间分辨率主要影响先导放电通道径向上的采样点数，一般径向采样点数大于20，可以保证利用Abel逆变换反演通道密度的准确性，由此可以确定整个系统的空间分辨率需小于50μm/pixel；调整纹影图像背景灰度为图像最大灰度的一半，主要是通过调整刀口7的切割量来实现，一般刀口7的切割量为光斑一半的位置。

本申请所提出的一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量的方法的关键点之一为利用外部触发形成电路13作为脉冲LED光源1和高速摄像机的触发和同步信号，可实现放电通道气体瞬态温度的定量测量。由于高速摄像机正常工作时会输出曝光时钟脉冲ETC信号，可用作LED光源的触发信号，通过调整ETC传输时延，同样可以使LED光源的发光和高速相机曝光周期间产生相位差，突破高速摄像机曝光时间性能参数的限制，达到定量纹影图像实际曝光时间任意可调的目的。因此，采用外部触发电路或者高速摄像机同步曝光时钟脉冲信号进行触发LED光源1，并基于各种光学流场显示技术，如彩色纹影法、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。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (8)

1.一种先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量系统，其特征在于，所述系统包括：

沿光路方向依次设置的LED光源、光学组件和图像获取单元；

高压电极，其用于在所述光学组件的透镜区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道，所述高压电极的端部设有1mm长的尖端；

所述光学组件包括沿光路方向依次设置的聚光透镜、匀光片、方形狭缝、准直透镜、汇聚透镜、刀口和滤光片，所述高压电极在所述准直透镜和所述汇聚透镜之间的区域产生单根垂直于地面发展的初始先导放电通道；

外部触发脉冲形成电路，其用于产生两路同步脉冲信号，对所述LED光源和所述图像获取单元进行同步触发，使所述LED光源的发光频率和所述图像获取单元的拍摄速度同步，以在所述LED光源发出频闪光的同时，所述图像获取单元连续拍摄所述频闪光经所述初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部触发脉冲形成电路的输出端分别通过光/电转换模块与所述LED光源和所述图像获取单元连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括示波器，其用于测量施加于所述高压电极的冲击电压波，所述外部触发脉冲形成电路的输入端与所述示波器连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述匀光片设于所述方形狭缝上，所述方形狭缝设于所述准直透镜的焦点位置，所述刀口设于所述汇聚透镜的焦点位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像获取单元为高速摄像机，所述高速摄像机上设有焦距可调的长焦镜头，所述滤光片设于所述长焦镜头上。

6.一种利用如权利要求1-5中任一项所述的系统进行长空气间隙先导放电起始阶段通道气体瞬态温度时域连续测量方法，其特征在于，所述方法包括：

对LED光源和图像获取单元进行同步触发，使LED光源的发光频率和图像获取单元的拍摄速度同步，以在所述LED光源发出频闪光的同时，所述图像获取单元连续拍摄所述频闪光经初始先导放电通道发生偏折后形成的多张定量纹影图像；

对所述多张定量纹影图像中的一张，根据图像灰度反演所述频闪光经所述初始先导放电通道中对应横截面上沿径向的多个采样点对应的偏折角大小，根据偏折角大小确定该横截面上的气体瞬态温度的径向分布；

重复上述过程对所述多张定量纹影图像中的其他定量纹影图像进行分析计算，确定所述初始先导放电通道中的其他横截面的气体瞬态温度的径向分布，得出所述初始先导放电通道中气体瞬态温度的轴向分布；

通过连续分析所述多张定量纹影图像，确定所述初始先导放电通道气体瞬态温度径向分布和轴向分布的时域演化规律。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对LED光源和图像获取单元进行同步触发，包括：

对外部触发脉冲形成电路进行触发，使其产生两路相同频率和占空比的方波信号，通过两路所述方波信号对所述LED光源和所述图像获取单元进行触发；

比较所述LED光源的发光频率信号和所述图像获取单元的实际曝光时钟脉冲信号，确定所述LED光源的发光频率与所述图像获取单元的拍摄周期是否同步。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述初始先导放电通道为：

将正极性冲击电压施加于端部优化的高压电极上，产生的单根垂直于地面发展的初始先导放电通道。

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