CN114061783A - 基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法 - Google Patents

基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，包括：马赫曾德干涉仪；马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；激光扩束镜，用于将激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；半透半反镜，用于将激光柱分为参考路激光和测量路激光；第二反射镜设置于测量路激光的光学路径上，以使测量路激光经过第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入干涉成像装置；干涉成像装置，用于汇聚参考路激光和测量路激光形成干涉条纹。本发明缓解了现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。

Description

基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法。
背景技术
马赫曾德（Mach-Zehnder）干涉仪是一种基于干涉原理的光学测量方法，已经普遍应用于气体、等离子体、火焰、气液界面等流场观测。这种方法作为一种非接触测量方法，能够通过采集激光光束通过待测区域后光的相位变化解算出待测流体的折射率变化，进而计算出其密度、温度等物性参数。
干涉条纹的处理方法一般有基于强度和基于相位的两种方法。基于强度的处理方法主要有条纹细化及条纹分割技术，这两种处理方法会降低图像中已采集信息的空间分辨率，但这两种方法能够通过从采集图像周围不受待测区域影响的常温常压状态开始，实现同轴温度场流体构形的阿贝尔变换，实现稳态温度场测量。除了基于强度，针对干涉条纹还可以使用基于相位的处理方法，比如条纹傅里叶分析，移相干涉技术等，这些方法是基于对干涉图样的空间频谱进行处理，一般用于解调条纹图像整体中携带的相位信息，供后续处理。
当前Mach-Zehnder干涉仪多用于测量温度，使用条纹细化技术对某特定位置的稳态温度进行测量，但该方法仅可进行稳态测量。也有学者采用单束细激光干涉技术进行火焰传递函数的定量测量，但无法使用该方法进行火焰场的测量。由于火焰区域本身折射率就存在较大变化，使用大光束进行测量时，激光束穿过火焰的不同位置后的出射角度不同，这就对于火焰热释放率场的测量造成了较大困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，以缓解现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置，包括：马赫曾德干涉仪；所述马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；所述激光扩束镜的中心轴与所述激光器发射激光方向平行设置，用于将所述激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；所述半透半反镜设置于所述激光柱的光学路径上，用于将所述激光柱分为参考路激光和测量路激光；所述第一反射镜设置于所述参考路激光的光学路径上，以使所述参考路激光被所述第一反射镜反射进入所述干涉成像装置；所述第二反射镜设置于所述测量路激光的光学路径上，以使所述测量路激光经过所述第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入所述干涉成像装置；所述干涉成像装置设置于所述马赫曾德干涉仪的光学路径末端成像位置，用于汇聚所述参考路激光和所述测量路激光形成干涉条纹。
进一步地，所述激光扩束镜为由两个凸透镜构成的具有预设扩束倍数的开普勒式扩束系统。
进一步地，所述测量装置还包括：图像传感器和图像处理装置；所述图像传感器，用于获取所述干涉条纹；所述图像处理装置，用于对所述干涉条纹进行分析，得到所述待测火焰区域的热释放率脉动结果。
进一步地，所述测量装置还包括成像透镜，设置于所述干涉成像装置与所述图像传感器之间。
进一步地，所述图像传感器包括高速相机。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，应用于第一方面所述的测量装置；包括：获取所述待测火焰区域在所述马赫曾德干涉仪中形成的多帧干涉条纹；基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差；基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值；基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量。
进一步地，基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差，包括：确定每帧干涉条纹在沿x方向的单方向干涉条纹图；对所述单方向干涉条纹图进行傅里叶展开，并进行以一级条纹为中心的频谱滤波操作，得到每帧干涉条纹的相位信息；将相邻两帧干涉条纹的相位信息做差，得到所述相位差。
进一步地，基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值，包括：通过如下算式计算所述密度脉动值：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 108679DEST_PATH_IMAGE002
为所述相位差，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为所述密度脉动值，t表示时间参数，G为所述待测火焰区域内的混合气体的Gladstone-Dale系数，λ0为所述激光器发出的激光的波长，L1为所述测量路激光的光学路径，z为路径积分变量。
进一步地，基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量，包括：通过如下算式计算所述热释放率的脉动量：
Figure 39726DEST_PATH_IMAGE004
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为所述热释放率的脉动量，c为声速，p’为压力扰动，γ为比热比。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第二方面所述的方法的步骤。
本发明提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置及方法，采用激光干涉下密度扰动与相位差之间的关系，将测量激光先进行扩束再分光避免因扩束在参考路或测量路中造成的误差，使用通过大尺寸的半透半反镜和反射镜构建的大视场Mach-Zehnder干涉仪实现对大火焰测量区域的捕捉，缓解了现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种干涉条纹的频域变换示意图；
图4为本发明实施例提供的一种火焰热释放率脉动分布示意图。
主要元件符号说明：1-激光器；2-激光扩束镜；3-半透半反镜；4-第一反射镜；5-待测火焰区域；6-干涉成像装置；7-成像透镜；8-图像传感器；9-图像处理装置；10-第二反射镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
实施例一：
图1是根据本发明实施例提供的一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置的示意图，该装置包括：马赫曾德干涉仪。具体的，如图1所示，马赫曾德干涉仪包括：激光器1，激光扩束镜2，半透半反镜3，第一反射镜4，第二反射镜10和干涉成像装置6。
可选地，激光器1选用单色高相干性小发散角大功率激光器，其作用是产生Mach-Zehnder所需的单色光源，保证相干性以确保干涉条纹的质量，小发散角保证激光的汇聚以提高测量的信噪比。
具体的，如图1所示，激光扩束镜2的中心轴与激光器1发射激光方向平行设置，用于将激光器1发出的单束激光束扩束为激光柱。
可选地，激光扩束镜2为由两个凸透镜构成的具有预设扩束倍数的开普勒式扩束系统，保证扩束系统具有低波前差低像差的特点，在前镜的焦点处可放置一针孔滤波器，滤去激光器产生光束边缘杂光。
如图1所示，半透半反镜3设置于激光柱的光学路径上，用于将激光柱分为参考路激光和测量路激光。
半透半反镜和反射镜用于构成Mach-Zehnder干涉光路，半透半反镜确保针对所用波长激光透射率与反射率相近，反射镜确保对所使用波长的激光其反射率尽可能高。
如图1所示，第一反射镜4设置于参考路激光的光学路径上，以使参考路激光被第一反射镜4反射进入干涉成像装置6。
第二反射镜10设置于测量路激光的光学路径上，以使测量路激光经过第二反射镜10的反射之后穿过待测火焰区域5，并进入干涉成像装置6。
优选地，在本发明实施例中，干涉成像装置6为精细的毛玻璃，激光干涉条纹在毛玻璃上成像以供图像传感器采集，通过光路优化使干涉成像装置6与待测火焰区域5尽可能接近，防止因待测样品对光的折射而造成的空间分辨率不足的问题。
干涉成像装置6设置于马赫曾德干涉仪的光学路径末端成像位置，用于汇聚参考路激光和测量路激光形成干涉条纹。
本发明提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置，采用激光干涉下密度扰动与相位差之间的关系，将测量激光先进行扩束再分光避免因扩束在参考路或测量路中造成的误差，使用通过大尺寸的半透半反镜和反射镜构建的大视场Mach-Zehnder干涉仪实现对大火焰测量区域的捕捉，缓解了现有技术中存在的对于火焰热释放率场测量困难的技术问题。
具体的，如图1所示，本发明实施例提供的测量装置还包括：图像传感器8和图像处理装置9。
其中，图像传感器8，用于获取干涉条纹；
图像处理装置9，用于对干涉条纹进行分析，得到待测火焰区域5的热释放率脉动结果。
可选地，如图1所示，本发明实施例提供的测量装置还包括成像透镜7，设置于干涉成像装置6与图像传感器8之间。
在本发明实施例提供的一个可选实施方式中，图像传感器8包括高速相机。其中，高速相机的镜头可以作为成像透镜7。
在本发明实施例中，成像透镜和图像传感器采用可以手动对焦的带定焦镜头的高速相机，激光束经衰减片衰减后直接成像在高速相机的传感器上，高速相机采用外界快门触发，相机帧数在万赫兹以上，可以实现百微秒级时间尺度上的测量。
图像处理装置采用具有图像处理能力的PC端，具体功能包括干涉图样读取、图像预处理、图像傅里叶分析、图像滤波及热释放率脉动计算。
采用本发明实施例提供的测量装置进行高频热释放率脉动场测量时的实际测量步骤如下：
步骤S1，开启激光器，待激光器运行稳定后开始调节Mach-Zehnder干涉光路；
步骤S2，调节扩束镜，使激光扩束为所需直径的准直激光束；
步骤S3，调节半透半反镜及反射镜，使光路构成一方形的Mach-Zehnder干涉光路，其中参考路放置一布拉格单元用于相位补偿，测量路放置待测火焰区域，两束激光汇合后生成干涉条纹在毛玻璃上；
步骤S4，使用高速相机对干涉图样进行采集；
步骤S5，采用图像处理装置对所采集的干涉条纹图样进行处理。
具体的，图2为根据本发明实施例提供的一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法的流程图，该方法应用于本发明实施例提供的测量装置。如图2所示，上述步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S502，获取待测火焰区域在马赫曾德干涉仪中形成的多帧干涉条纹；
步骤S504，基于傅里叶分析的方法，计算多帧干涉条纹的相位差。
步骤S506，基于相位差，计算沿视线积分的密度脉动值。
步骤S508，基于密度脉动值，计算待测火焰区域的热释放率的脉动量。
本发明实施例提供的一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，使用傅里叶分析技术计算相位差进而处理得到沿视线积分的密度脉动及热释放率脉动，实现火焰的热释放率脉动测量；同时由于使用条纹分析技术采集条纹图样中相关的相位信息，避免割裂的仅以坐标单独分析每个空间位置的测量结果，提高了测量精度。
具体的，步骤S504包括如下步骤：
步骤S5041，确定每帧干涉条纹在沿x方向的单方向干涉条纹图；
步骤S5042，对单方向干涉条纹图进行傅里叶展开，并进行以一级条纹为中心的频谱滤波操作，得到每帧干涉条纹的相位信息；
步骤S5043，将相邻两帧干涉条纹的相位信息做差，得到相位差。
在本发明实施例中，干涉条纹在沿x方向的单方向干涉条纹图一般可表示为：
g(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[2πf 0 x+φ(x,y)]
其中g(x,y)表示坐标(x,y)处的光强，a(x,y)表示零级条纹的幅值，即背景光强，b(x,y)表示一级条纹的总幅值，f 0表示一级条纹的频率，φ(x,y)表示坐标(x,y)处的相位。为测量的目标信息，上式也可写作：
g(x,y)=a(x,y)+c(x,y)exp(2πif 0 x)+c*(x,y)exp(-2πif 0 x)
其中，c(x,y)表示一级条纹的幅值，*表示复数共轭，故c*(x,y)为负一级条纹的幅值，忽略其他更高级的条纹。通过对一级条纹为中心进行频谱滤波可得条纹图样中承载的相位信息，从而有：
Figure 731739DEST_PATH_IMAGE006
通过上述处理即可得到采集的干涉图样上每点的相位结果，每两帧图像之间做差即可得相位差。
然后可以由相位差计算沿视线积分的密度的脉动值。流体的折射率与其密度有关，这一关系可由Gladstone-Dale关系描述：n-1=Gρ。其中，G为混合气体的Gladstone-Dale系数，ρ是混合气体的密度。即流动中的密度扰动会导致折射率的脉动，进而导致光程的改变而产生变化的干涉条纹。
可选地，通过如下算式计算密度脉动值：
Figure 406434DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 929819DEST_PATH_IMAGE008
为相位差，
Figure 795882DEST_PATH_IMAGE009
为密度脉动值，t表示时间参数，G为待测火焰区域内的混合气体的Gladstone-Dale系数，λ0为激光器发出的激光的波长，L1为测量路激光的光学路径，z为路径积分变量。
可选地，在本发明实施例中，通过如下算式计算热释放率的脉动量：
Figure 37507DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 250314DEST_PATH_IMAGE011
为热释放率的脉动量，c为声速，p’为压力扰动，γ为比热比。上面的等式右边第一项在频率低于截止频率的绝大多数情况下可忽略不计，因此可以通过密度的脉动量得到热释放率的脉动。
本发明的优点在于：与现有的激光干涉方法相比，本发明提供了一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，采用激光干涉下密度扰动与相位差之间的关系，将测量激光先进行扩束再分光避免因扩束在参考路或测量路中造成的误差，使用通过大尺寸的半透半反镜和反射镜构建的大视场Mach-Zehnder干涉仪实现对大火焰测量区域的捕捉，采集后的干涉图样传输给PC端的图像处理装置，使用傅里叶分析技术计算相位差进而处理得到沿视线积分的密度脉动及热释放率脉动，实现火焰的热释放率脉动测量。
本发明可以对不同当量比的火焰热释放率脉动进行测量，并可以根据需求设计配置更大尺寸的光学系统实现大视场高时空分辨率测量，确保待测火焰与成像面尽可能接近以提高空间分辨率。使用条纹分析技术采集条纹图样中相关的相位信息，避免割裂的仅以坐标单独分析每个空间位置的测量结果，提高了测量精度。大功率高相干性的激光器确保了干涉条纹的质量及亮度，提供了高时空分辨率的基础。
本发明使用先扩束再分光的光路设计，提升了激光干涉方法测量的视场，可以同时检测较大范围的火焰区域。通过Mach-Zehnder干涉光路，测量激光只通过火焰一次，避免了一般的激光干涉测振仪两次通过激光误差累积的效应。
下面举例说明本发明实施例提供的测量装置和测量方法的技术效果。具体的，激光器选用He-Ne激光器，干涉成像装置使用毛玻璃，成像透镜选用尼康105mm定焦镜头，图像传感器选用Flare系列2M360-CL高速相机。
图像处理步骤主要依据上面描述的图像处理步骤进行处理分析：
对高速相机采集的图像做傅里叶变换，结果如图3所示，其中，图3为本发明实施例提供的一种干涉条纹的频域变换示意图，选择图3中上方的白色一级条纹区移至频域中央，滤去其他频率幅值，再进行傅里叶变换得到采集图样的相位结果，再对高速相机采集的两帧图像进行做差处理从而得到相位差。
然后基于相位差与热释放率脉动的关系公式进一步处理得到火焰的热释放率脉动场如图4所示，其中，图4为本发明实施例提供的一种火焰热释放率脉动分布示意图。从图4可以看出明显捕捉到火焰的热释放率脉动信息。本发明的最终测量结果能够实现直径大于60mm的火焰热释放率脉动场万赫兹频率以上的测量。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明实施例提供的方法的步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量装置，其特征在于，包括：马赫曾德干涉仪；所述马赫曾德干涉仪包括：激光器，激光扩束镜，半透半反镜，第一反射镜，第二反射镜和干涉成像装置；
所述激光扩束镜的中心轴与所述激光器发射激光方向平行设置，用于将所述激光器发出的单束激光束扩束为激光柱；
所述半透半反镜设置于所述激光柱的光学路径上，用于将所述激光柱分为参考路激光和测量路激光；
所述第一反射镜设置于所述参考路激光的光学路径上，以使所述参考路激光被所述第一反射镜反射进入所述干涉成像装置；
所述第二反射镜设置于所述测量路激光的光学路径上，以使所述测量路激光经过所述第二反射镜的反射之后穿过待测火焰区域，并进入所述干涉成像装置；
所述干涉成像装置设置于所述马赫曾德干涉仪的光学路径末端成像位置，用于汇聚所述参考路激光和所述测量路激光形成干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光扩束镜为由两个凸透镜构成的具有预设扩束倍数的开普勒式扩束系统。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：图像传感器和图像处理装置；
所述图像传感器，用于获取所述干涉条纹；
所述图像处理装置，用于对所述干涉条纹进行分析，得到所述待测火焰区域的热释放率脉动结果。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括成像透镜，设置于所述干涉成像装置与所述图像传感器之间。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述图像传感器包括高速相机。
6.一种基于马赫曾德干涉的高频热释放率脉动场测量方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的测量装置；包括：
获取所述待测火焰区域在所述马赫曾德干涉仪中形成的多帧干涉条纹；
基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差；
基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值；
基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于傅里叶分析的方法，计算所述多帧干涉条纹的相位差，包括：
确定每帧干涉条纹在沿x方向的单方向干涉条纹图；
对所述单方向干涉条纹图进行傅里叶展开，并进行以一级条纹为中心的频谱滤波操作，得到每帧干涉条纹的相位信息；
将相邻两帧干涉条纹的相位信息做差，得到所述相位差。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述相位差，计算沿视线积分的密度脉动值，包括：
通过如下算式计算所述密度脉动值：
Figure 925462DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 198311DEST_PATH_IMAGE002
为所述相位差，
Figure 927233DEST_PATH_IMAGE003
为所述密度脉动值，t表示时间参数，G为所述待测火焰区域内的混合气体的Gladstone-Dale系数，λ0为所述激光器发出的激光的波长，L1为所述测量路激光的光学路径，z为路径积分变量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述密度脉动值，计算所述待测火焰区域的热释放率的脉动量，包括：
通过如下算式计算所述热释放率的脉动量：
Figure 442266DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 940243DEST_PATH_IMAGE005
为所述热释放率的脉动量，c为声速，p’为压力扰动，γ为比热比。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求6至9任一项所述的方法的步骤。
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