CN114166515A - 一种实现发动机燃烧室slipi-3dlif测量的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现发动机燃烧室SLIPI‑3DLIF测量的装置与方法，所述装置包括激光系统、整形调制系统、多分束传能光纤、传像光纤、相机，激光系统根据燃烧场待测物质确定输出照明光的波长；整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；多分束传能光纤采用1分N的模式，将结构片光分成N束子片光并传输至发动机燃烧室内部；所述传像光纤嵌入发动机燃烧室侧壁，将N束子片光纵向重叠照明区域的荧光图像传输至相机以成像。通过这种手段，可以解决由于发动机燃烧室极端环境限制导致无法实现三维LIF测量的问题。

Description

一种实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法
技术领域
本发明属于激光光谱应用技术领域，涉及一种利用多分束传能光纤分束并传输片状激光、传像光纤传输图像来实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法。
背景技术
在发动机的研制过程中，了解其燃烧场燃烧机理是最基础、最重要的问题。湍流燃烧是一个复杂过程，涉及一系列物理和化学现象，而这些现象与反应一般发生在毫秒的时间尺度上，且具有非对称性的特点。因此对湍流燃烧进行高速、高时空分辨空间可视化是研制发动机的关键所在。3DLIF技术作为一种光学测量技术，因其非侵入性、高时空分辨等优势，可以用来实现湍流火焰的高速三维测量。
3DLIF技术的实现方式分为高速片光扫描式、体光束多视角成像式和结构光照明式。高速片光扫描式是将激光整形成片光并利用扫描振镜实现扫描激发，属于非瞬态测量，无法满足发动机高时间分辨成像的要求；体光束多视角成像式则是采用体光束激发、多相机多视角采集实现三维测量，对高能激光研制技术要求高，且多相机成本巨大系统繁杂不适合发动机燃烧室测量。而基于结构光照明的三维激光诱导荧光技术（Three-dimensionalLaser Induced Fluorescence based on Structured Laser Illumination PlanarImaging，SLIPI-3DLIF）则是集合上述两种方式的优点，既能实现瞬态测量，又有效地控制测量成本，简化整体系统，因此具有发动机三维可视化的发展潜力。SLIPI-3DLIF技术是通过空间调制技术将激光调制成空间余弦分布的片状激光，并将相同调制频率的多束片光在不同平行平面、以不同角度入射到待测场，然后利用相机采集垂直于片光方向的交叠部分的荧光图像，再利用多重曝光频率识别算法（FRAME）对图像进行解调就可以分离出不同平面的PLIF图像，进而采用三维重构算法重建出待测场三维图像，实现立体测量。
相较于光学被动成像系统，LIF系统更加复杂，对环境以及光学系统精度要求较高，而发动机燃烧室属于封闭狭小的高温高压环境，无法为光学测量技术提供大尺寸光学开窗，因此目前针对于发动机燃烧诊断的研究多集中在试验台架上，无法实现真实发动机的LIF测量，尤其是SLIPI-3DLIF测量。如果利用多分束传能光纤将调制好的结构片光分束后引入发动机燃烧室，并利用传像光纤传输图像至相机，就可以实现对发动机燃烧场的照明与采集，进而可以解决无法大尺寸光学开窗的问题，实现发动机燃烧室的SLIPI-3DLIF测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用传能-传像光纤实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法，利用多分束传能光纤分束并传输片状激光、传像光纤传输图像来实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量，由此可以实现发动机燃烧场三维可视化。通过这种手段，可以解决由于发动机燃烧室极端环境限制导致无法实现三维LIF测量的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，包括激光系统、整形调制系统、多分束传能光纤、传像光纤、相机，其中：
所述激光系统根据燃烧场待测物质确定输出照明光的波长；
所述整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；
所述多分束传能光纤采用1分N的模式，将结构片光分成N束子片光并传输至发动机燃烧室内部，用于燃烧场多角度、多平面照明；
所述传像光纤嵌入发动机燃烧室侧壁，将N束子片光纵向重叠照明区域的荧光图像传输至相机以成像。
一种利用上述装置实现发动机燃烧场SLIPI-3DLIF测量的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用片光整形部分将激光系统输出的激光束整形成薄片激光，再经过结构光调制部分获得空间强度余弦分布的结构片光；
步骤二、利用1分N多分束传能光纤将结构片光分成N束子片光，并将N个子束传能光纤头按照片光尺寸和空间分辨率需求嵌入发动机燃烧室侧壁的不同位置处，进而将N束子片光以不同平行平面、不同角度引入发动机燃烧室，实现燃烧场多角度、多平面照明；
步骤三、将传像光纤头嵌入发动机燃烧室侧壁，光纤物镜对准垂直于片光方向的重叠区域，采集荧光图像并传输给相机；
步骤四、利用多重曝光频率识别算法（FRAME）对荧光图像进行解调分离，获得多平面PLIF图像，再利用三维重构算法获得燃烧场特定位置的三维图像。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明无需对发动机进行大尺寸光学开窗即可实现燃烧室空间可视化，解决了目前发动机无法光学主动立体成像的问题；
2、本发明采用分光的方式实现多平面照明，解决了多台激光器成本高、光学系统调制困难的问题；
3、本发明采用单相机实现多平面采集，节约了成本；
4、本发明通过调节传能光纤头入射角度、改变传像光纤位置就可实现不同位置的测量，灵活性高。
附图说明
图1为本发明装置的光学系统结构简易示意图；
图2为本发明装置的Y-Z空间布局图；
图3为本发明装置的X-Z空间布局图；
图4为本发明装置的Y-X空间布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，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。
一种利用传能-传像光纤实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，如图1所示，所述装置包括产生照明光的激光系统、获得结构片光的整形调制系统、实现激光分束并传输的多分束传能光纤、实现图像传输的传像光纤、用于图像采集的相机，其中：
所述激光系统根据燃烧室待测物的种类选用适合的波长；
所述整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；
所述多分束传能光纤采用1分N的模式（N的数值由片光尺寸和三维测量空间分辨率决定），将结构片光分成N束子片光并传输至发动机燃烧室内部，用于燃烧场多角度、多平面照明；
所述传像光纤嵌入发动机燃烧室侧壁，将N束子片光纵向重叠照明区域的荧光图像传输至相机以成像。
本发明中，所述多分束传能光纤和传像光纤头均配备隔热层，避免高温损伤。
本发明中，所述整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，如图1所示。片光整形部分依次包括用于纵向扩束的柱面凹透镜、用于纵向准直的柱面凸透镜A和用于横向压缩的柱面凸透镜B，激光系统输出的圆形激光束经柱面凹透镜纵向扩束、柱面凸透镜A纵向准直、柱面凸透镜B横向压缩后整形为薄激光片便于平面激发；结构光调制部分依次包括朗奇光栅和空间滤波器，朗奇光栅使整形好的片光发生衍射，其刻线数决定了最终结构光的调制频率，需要根据空间分辨率的需求选用合适的刻线数，空间滤波器截取+1和-1级较强衍射光，并使其发生干涉最终产生条纹状片光，其空间强度为余弦分布。
一种利用上述装置实现发动机燃烧场SLIPI-3DLIF测量的方法，包括如下步骤：
步骤一、获得空间强度余弦分布的多分束结构片光。
如图1所示，激光系统产生特定波长激光束，经过整形调制系统获得空间强度余弦分布的结构片光。采用1分N多分束传能光纤将调制好的结构片光均匀分束成N束子片光（N的数值由片光尺寸和三维测量空间分辨率决定，图中以1分5为例），并通过子光纤进行传输。光学系统光轴需严格对齐以减少光学畸变。
步骤二、实现发动机燃烧场多角度、多平面照明。
在步骤一获得多分束结构片光后，将各个子光纤头嵌入发动机燃烧室侧壁上，如图2、3、4所示。其中各个子光纤头的位置根据实际需求而定，但需要保证由光纤头传输出的各个片光相互平行且保持一定间隔，片光间还需呈一定角度，以保证后续图像解调时可将各片光图像分离开。光纤头需要配备隔热层避免高温损伤。
步骤三、实现燃烧场结构光激发多平面荧光图像采集。
在步骤二实现发动机燃烧场多角度、多平面照明后，将传像光纤头一端与相机耦合，另一端嵌入发动机燃烧室侧壁上，如图2、3、4所示。由于多片光Z轴方向重叠区域为成像区域（如图4所注），因此需要选择合适的嵌入位置以便光纤物镜光轴对准该区域，用于图像的传输。光纤头需要配备隔热层避免高温损伤。
步骤四、获得燃烧场一定区域的三维图像。
在步骤三实现燃烧场结构光激发多平面荧光图像采集后，就可获得一幅五个不同角度条纹交叠在一起的图像，每个角度条纹代表一个平面的荧光信息。截取交叠部分，对其进行傅里叶变换，就可实现空域图像向频域的变换，这样每个角度条纹代表的平面图像信息在频域上会分离开，单独提取后再进行傅里叶反变换就可以获得五张PLIF图像，最后再采用插值算法对这五张图像进行三维重构就可以获得燃烧场一定区域的三维图像。

Claims (5)

1.一种实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，其特征在于所述装置包括激光系统、整形调制系统、多分束传能光纤、传像光纤、相机，其中：
所述激光系统根据燃烧场待测物质确定输出照明光的波长；
所述整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；
所述多分束传能光纤采用1分N的模式，将结构片光分成N束子片光并传输至发动机燃烧室内部，用于燃烧场多角度、多平面照明；
所述传像光纤嵌入发动机燃烧室侧壁，将N束子片光纵向重叠照明区域的荧光图像传输至相机以成像。
2.根据权利要求1所述的实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，其特征在于所述多分束传能光纤和传像光纤头均配备隔热层。
3.根据权利要求1所述的实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，其特征在于所述片光整形部分依次包括柱面凹透镜、柱面凸透镜A和柱面凸透镜B，激光系统输出的圆形激光束经柱面凹透镜纵向扩束、柱面凸透镜A纵向准直、柱面凸透镜B横向压缩后整形为薄激光片。
4.根据权利要求1所述的实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，其特征在于所述结构光调制部分依次包括朗奇光栅和空间滤波器，朗奇光栅使整形好的片光发生衍射，空间滤波器截取+1和-1级衍射光，并使其发生干涉最终产生条纹状片光，其空间强度为余弦分布。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述装置实现发动机燃烧场SLIPI-3DLIF测量的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、利用片光整形部分将激光系统输出的激光束整形成薄片激光，再经过结构光调制部分获得空间强度余弦分布的结构片光；
步骤二、利用1分N多分束传能光纤将结构片光分成N束子片光，并将N个子束传能光纤头按照片光尺寸和空间分辨率需求嵌入发动机燃烧室侧壁的不同位置处，进而将N束子片光以不同平行平面、不同角度引入发动机燃烧室，实现燃烧场多角度、多平面照明；
步骤三、将传像光纤头嵌入发动机燃烧室侧壁，光纤物镜对准垂直于片光方向的重叠区域，采集荧光图像并传输给相机；
步骤四、利用多重曝光频率识别算法对荧光图像进行解调分离，获得多平面PLIF图像，再利用三维重构算法获得燃烧场特定位置的三维图像。
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