CN115184268A - 流场实时探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流场实时探测系统及方法，系统中，喷射导口分别连接超声振动器和探测腔室以将气溶胶输送到探测腔室；光学整形元件接收连续激光束以整形为片状平面激光且投射于探测腔室中以生成光学信号；半透半反分光玻璃朝向探测腔室且根据波长将光学信号分别透射和反射以形成透射通道和反射通道，第一拍摄相机设于透射通道以基于来自第一定焦光学镜头的第一信号生成第一图像，第二拍摄相机设于反射通道以接收来自第二定焦光学镜头的第二信号以生成第二图像；图像处理模块连接第一拍摄相机和第二拍摄相机，基于第一图像和第二图像三维重建得到流场三维浓度分布。

Description

流场实时探测系统及方法

技术领域

本发明属于流场探测成像技术领域，特别是一种流场实时探测系统及方法。

背景技术

平面激光诱导荧光(PLIF,Planar Laser Induced Fluorescence)技术是在激光诱导荧光的基础上，通过将点光源扩展成线光源实现探测范围的二维化，激发某一平面上待测目标产生荧光并探测的光谱技术，是一种非接触式的光学诊断技术，被广泛应用于流场可视化和定量测量。PLIF基本系统主要由激光器、光学整形元件和相机组成。激光器发出的激光射入光学整形元件，被拓展为平面激光，并射入目标场；与平面激光接触的待测组分被激发出荧光；相机接收荧光信号并成像；根据荧光信号在激光平面上的强度分布图像，获取待测物的二维分布信息。

三维平面诱导荧光(3D-PLIF)是在PLIF的基础上，通过一定的技术手段，在短时间内获取目标多个剖面或角度上的荧光图像，从而还原待测目标的三维平面激光诱导荧光分布，进而得到待测目标的浓度、温度等物理特性的空间分布情况。也可利用多幅二维荧光图像进行三维重建，还原待测目标的空间形态。现有的3D-PLIF系统只有一个荧光通道，只能实现对单一物质的单一荧光信号的探测，无法实现对包含多种物质的混合物的探测。此外单一荧光信号的强度通常较弱，可探测的流场浓度阈值较高，而同情况下米散射信号的强度远高于荧光信号，即使是浓度很小的气溶胶依旧有较强的米散射信号，可探测的流场浓度阈值较低。现有的3D-PLIF成像系统的数据采集、数据显示以及数据处理这三部分在时间上间隔较大，不具备在数据采集的同时直观的监测气溶胶荧光信号变化的功能。现有的3D-PLIF系统主要分为扫描式和无扫描顺序激发式。已有的扫描式技术是利用电机驱动激光器水平移动，实现对探测目标的扫描，其相机的移动和激光光源的移动是独立的，这种非一体的结构很容易导致相机的镜头与物面(激光平面)之间距离(即物距)的大小不稳定不固定，物距的不稳定会导致成像范围的不统一、有效信息分辨率的不确定、成像清晰度的不稳定以及扫描范围受相机景深限制等问题；已有的无扫描顺序激发技术，利用分光发射系统将激光按时序投射在探测目标不同截面上，按顺序激发出平面荧光图像，荧光图像通过分光接收系统由多个图像增强型相机记录。由于分光发射系统的出光镜阵列的安装位置固定，因此其投射出的各激光平面的位置相对固定、激光平面的数量较少，各平面之间的距离较大，无法满足高距离分辨率、大探测范围、多拍摄截面的要求；此外由于分光发射系统利用不同长度的光纤产生光程梯度实现分光，所以其投射各激光平面的时间间隔固定，难以实现不同时间分辨率的探测要求；无扫描顺序激发技术是利用多个光学元件相互配合实现分光发射和接收，对同功能光学元件的一致性和系统的安装精度有极高的要求，考虑到现实中光学元件之间难以避免的个体差异和安装误差，要保持无扫描顺序激发技术的各激发激光平面的一致性难度较大；此外由于该技术需要多次分光，用到的光学元件较多，光学系统复杂，每次分光都会对信号有所损耗，因此该技术对信号源强度的要求较高，而荧光信号本身是种微弱的信号，所以该技术对微弱荧光的探测能力有限，灵敏度较低。无扫描顺序激发技术需要多个相机时序拍摄，相机之间的个体差异同样会影响系统的探测效果，不利于后续的三维重建；

光线在均匀介质中按直线方向传播，但实际介质并非绝对均匀，光束通过不均匀介质时，除了透射和吸收，还有散射。物理学中的散射是在电磁波传播路径中的微粒连续地从入射波中吸取能量，并把吸收的能量再放射到以微粒为中心的全部立体角中的过程。这个微粒是散射(再放射)能量的一个点源，要产生散射，微粒的折射率必须与周围介质有所不同，因此，对于入射波而言，该微粒是光学不连续或者非均匀性的。每个微粒周围散射辐射能的强度(散射强度)在空间具有三维特征分布类型。如果微粒是各向同性的，则其产生的散射光强度分布围绕波的入射方向对称，并极大地依赖于粒子尺度与入射波长的比值。激光与流体中的气溶胶粒子产生相互作用，当粒子的尺度大约在0.001-100μm间，与激光波长可相比拟，此时产生的散射为米散射。米散射会使光束传播方向发生改变，但米散射光与入射光频率一致，因此米散射是一种弹性散射。通过接收流体的米散射信号，并进行数据分析可以得到流场浓度分布情况。

空气污染物是空气中对人类和生态系统产生不利影响的物质，可以是固体颗粒、液滴或气体；这些物质在空气中悬浮，形成了气溶胶，由于空气的流动性，气溶胶的分布是随时间变化的，因此研究气溶胶流场在空气中的浓度分布、变化规律，实现气溶胶流场的溯源和追踪对于发现污染物的泄露、减少空气污染和改善人类健康至关重要。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种流场实时探测系统及方法，解决了3D-PLIF成像系统对实验环境要求极高、数据维度单一以及数据处理和显示滞后于实验的问题。相较于现有的3D-PLIF成像系统，本发明增加了米散射通道，提高了系统的探测能力和数据维度，对被测流场信息的挖掘更全面；增加了图像处理模块，实现了流场的二维实时处理显示以及三维扫描重建的功能，降低了系统对使用环境的要求，提升了使用的便捷性。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种流场实时探测系统包括：

位移台，其设有水平布置的一对滑轨；

气溶胶发生模块，其生成预定流速和预定流量的气溶胶喷雾，所述气溶胶发生模块包括，

腔室架，其可移动地横跨于所述一对滑轨上方；

探测腔室，其支承于所述腔室架上；

至少一个气溶胶发生器，其包括，

存储仓，其存储待测物质；

超声振动器，其连接所述存储仓以将待测物质雾化形成气溶胶；

喷射导口，其分别连接所述超声振动器和所述探测腔室以将气溶胶输送到所述探测腔室；

激光发射模块，其经由移动模块滑动连接所述一对滑轨，所述激光发射模块包括，

激光器，其支承于所述移动模块上且生成连续激光束；

光学整形元件，其接收所述连续激光束以整形为片状平面激光且投射于所述探测腔室中以生成光学信号；

图像采集模块，其经由移动模块滑动连接所述一对滑轨，所述图像采集模块包括，

半透半反分光玻璃，其朝向所述探测腔室且根据波长将光学信号分别透射和反射以形成透射通道和反射通道；

第一滤光片，其垂直地布置于所述透射通道；

第一定焦光学镜头，其设于所述透射通道以接收且成像来自第一滤光片的第一信号；

第一拍摄相机，其设于所述透射通道以基于来自第一定焦光学镜头的第一信号生成第一图像；

第二滤光片，其垂直地布置于所述反射通道；

第二定焦光学镜头，其设于所述反射通道以接收且成像来自第二滤光片的第二信号；

第二拍摄相机，其设于所述反射通道以接收来自第二定焦光学镜头的第二信号以生成第二图像；

图像处理模块，其连接所述第一拍摄相机和所述第二拍摄相机，基于所述第一图像和第二图像分别三维重建得到第一流场三维浓度分布和第二流场三维浓度分布。

所述的流场实时探测系统中，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为米散射信号。

所述的流场实时探测系统中，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为不同于第一信号的荧光信号。

所述的流场实时探测系统中，所述第一信号为二维荧光信号。

所述的流场实时探测系统中，所述透射通道垂直于所述反射通道。

所述的流场实时探测系统中，所述滑轨沿所述位移台的垂直方向可移动。

所述的流场实时探测系统中，所述探测腔室为石英玻璃板组成的长方体腔室。

所述的流场实时探测系统中，所述片状平面激光为三角片状平面激光。

所述的流场实时探测系统的探测方法包括以下步骤，

气溶胶发生模块产生被荧光标记的气溶胶流场；

激光发射模块输出平面激光；

移动模块控制激光发射模块和图像采集模块对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像和米散射图像，同时图像处理模块对所述二维荧光图像和米散射图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域的两个流场三维浓度分布。

所述的方法中，

气溶胶发生模块产生至少两个被荧光标记的气溶胶流场，扫描过程中，图像采集模块采集平面激光照射流场所得到的至少两组多幅二维荧光图像，同时图像处理模块对所述二维荧光图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域的至少两组流场三维分布。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用的一体化扫描模式用机械结构将激光器和相机固定在同一个运动导轨上，并用电机控制其对探测目标进行某一方向上的扫描，可以通过控制电机的转速和相机的拍摄帧数，实现对探测距离分辨率、时间分辨率、探测范围以及拍摄截面数量在较大范围内的调节，满足高距离分辨率、高时间分辨率、大探测范围、多拍摄截面的要求。本发明用同一激光平面以扫描的方式照射探测目标，保证了各激发位置上激发光的一致性，用同一相机以扫描的方式接收各激发位置上的荧光信号，保证了各位置成像条件的一致性。本发明减少了光学元件的使用，减少了对信号的损耗，提高了对微弱信号的探测能力，灵敏度较高，并且结构简单易于安装，降低了对使用环境的要求，本发明设置了两个通道，可以实现对目标物质荧光信号和米散射信号同时同步的探测。提高了系统的探测能力和数据维度，对被测流场信息的挖掘更全面，也为系统的适用范围提供了全新的可能。此外本发明可通过选择不同的波段、同时使用不同的激发物质等可实现的方法，将米散射信号通道改装为荧光通道，即双荧光通道探测系统，以实现对同一区域内，不同目标的荧光信号-荧光信号的同步联合探测。本发明在采集流程中增加了实时图像处理模块，实现了流场的二维实时处理显示。利用实时的图像处理，消除数据中的背景噪声、暗电流等干扰信息，增强气溶胶荧光信号等有效信息，提高有效信号和背景的对比度和颜色差别，使得在采集气溶胶荧光信号的同时，操作人员能在监视屏上实时的、清晰的观察到当前气溶胶流场的变化，方便操作人员预估实验效果、发现问题调整实验方案，降低了系统对使用环境的要求，提升了使用的便捷性。同时本发明的图像处理模块支持将采集到的数据进行三维重建。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的气溶胶发生模块的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的激光发射模块的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的图像采集模块的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的图像处理方法流程示意图；

图6是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的连接示意图；

图7是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的米-荧光探测方法的流程示意图；

图8是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的荧光-荧光探测连接示意图；

图9是根据本发明一个实施例的流场实时探测系统的荧光-荧光探测方法的流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图9更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图9所示，一种流场实时探测系统中，位移台1，其设有水平布置的一对滑轨2；

气溶胶发生模块3，其生成预定流速和预定流量的气溶胶喷雾，所述气溶胶发生模块3包括，

腔室架4，其可移动地横跨于所述一对滑轨2上方，

探测腔室5，其支承于所述腔室架4上，

至少一个气溶胶发生器6，其包括，

存储仓7，其存储待测物质，

超声振动器8，其连接所述存储仓7以将待测物质雾化形成气溶胶，

喷射导口9，其分别连接所述超声振动器8和所述探测腔室5以将气溶胶输送到所述探测腔室5；

激光发射模块10，其经由移动模块22滑动连接所述一对滑轨2，所述激光发射模块10包括，

激光器11，其支承于所述移动模块22上且生成连续激光束，

光学整形元件，其接收所述连续激光束以整形为片状平面激光且投射于所述探测腔室5中以生成光学信号；

图像采集模块13，其经由移动模块22滑动连接所述一对滑轨2，所述图像采集模块13包括，

半透半反分光玻璃14，其朝向所述探测腔室5且根据波长将光学信号分别透射和反射以形成透射通道和反射通道，

第一滤光片15，其垂直地布置于所述透射通道，

第一定焦光学镜头16，其设于所述透射通道以接收且成像来自第一滤光片15的第一信号，

第一拍摄相机17，其设于所述透射通道以基于来自第一定焦光学镜头16的第一信号生成第一图像，

第二滤光片18，其垂直地布置于所述反射通道，

第二定焦光学镜头19，其设于所述反射通道以接收且成像来自第二滤光片18的第二信号，

第二拍摄相机20，其设于所述反射通道以接收来自第二定焦光学镜头19的第二信号以生成第二图像；

图像处理模块21，其连接所述第一拍摄相机17和所述第二拍摄相机20，基于所述第一图像和第二图像分别三维重建得到第一流场三维浓度分布和第二流场三维浓度分布。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为米散射信号。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为不同于第一信号的荧光信号。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述第一信号为二维荧光信号。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述透射通道垂直于所述反射通道。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述滑轨2沿所述位移台1的垂直方向可移动。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述探测腔室5为石英玻璃板组成的长方体腔室。

所述的流场实时探测系统的优选实施例中，所述片状平面激光为三角片状平面激光。

在一个实施例中，移动模块22上设有支承激光发射模块10的激光器安装架和图像采集模块13的图像采集安装架。

在一个实施例中，系统包括气溶胶发生模块3、激光发射模块10、图像采集模块13、移动模块22、图像处理模块21五个部分；气溶胶发生模块3产生被荧光标记的流场，激光发射模块10输出平面激光，移动模块22控制激光发射模块10和图像采集模块13对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块13采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像和米散射图像，同时图像处理模块21根据实验环境及参数设定对所述二维荧光图像和米散射图像进行优化处理并显示，实现对扫描截面上流场浓度分布的实时监测。利用多幅图像进行三维重建，可得到探测区域流场三维浓度分布。所述的流场实时探测系统采用多相机对气溶胶流场进行探测，多个波长通道同步获取多维度光学信息、使用多相机探测的特殊探测方法、一体化的扫描结构、系统整体设计、背景获取、背景扣除、滤波去噪、信号增强相结合的数据处理的方式以及实时处理和显示。进一步，通过增加相机的数量、选择不同的滤光片实现三通道、四通道等多通道的探测。更进一步，取消半透半反玻璃分光，相机并排摆放平行拍摄，通过牺牲物面重合度的方式实现多通道探测。将相机的移动控制和激光面的移动控制分离，分别控制两者的移动。

在一个实施例中，本发明系统包括气溶胶发生模块3、激光发射模块10、图像采集模块13、移动模块22、图像处理模块21五个部分；气溶胶发生模块3为可产生荧光气溶胶流场的喷发系统，能按照需求产生不同流速、不同流量的气溶胶喷雾。气溶胶发生模块3包括若干个功能相同的气溶胶发生器6、探测腔室5、腔室架4。

每个气溶胶发生器6由目标物质存储仓7、超声振动器8、喷射导口9组成。目标物质存储仓7用于存储待测物质，使其作为气溶胶分散质的来源。超声振动器8用于将待测物质雾化，使其与空气充分混合，形成浓度较高的气溶胶。喷射导口9用于控制气溶胶的输出位置，将待测气溶胶输送到探测腔室5中。每个气溶胶发生器6中装载着不同的物质，不同目标物质的物理化学性质不同，被激发的荧光也有所不同。

探测腔室5的功能是提供探测区域，容纳待测气溶胶。探测腔室5的主体是石英玻璃板组成的长方体腔室，相比于普通的玻璃，石英玻璃板的荧光效率更低，在受到激光照射时被激发产生的荧光噪声更小。

腔室架4用于放置和固定实验腔室和气溶胶发生器6，通过移动腔室架4，可以调整腔室与移动模块22的相对位置。

在一个实施例中，激光发射模块10用于产生并发射片状平面激光，并控制激光的输出能量。激光发射模块10由激光器11、控制电源12、光学整形元件组成。

激光器11的功能为产生一定输出功率的连续激光束，激光的波长为450nm。也可以根据使用场景的不同，选取输出激光为其他波长的激光器11。

控制电源12的功能为控制调整激光器11的工作电流，从而控制激光器11的输出功率。

光学整形元件的功能为将激光束整形为厚度为2mm的三角片状平面光，三角片状平面光的顶角为45°-90°。

在一个实施例中，图像采集模块13用于接收待测物质所产生的二维平面荧光信号，并将其传输至计算机存储。图像采集模块13由一块半透半反分光玻璃14、第一滤光片15、第二滤光片18、第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19、第一拍摄相机17、第二拍摄相机20组成。

半透半反分光玻璃14放置在气溶胶发生模块3之后，第一滤光片15、第二滤光片18和第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19之前。半透半反分光玻璃14的功能是将光学信号按照波长范围的不同，分别进行透射或反射，从而形成透射通道和反射通道两个互相垂直的光学通道，实现对光学信号按照波长范围的粗略分流。方便第一拍摄相机17、第二拍摄相机20在不同位置接收不同波段的光学信号。

第一滤光片15、第二滤光片18放置在半透半反分光玻璃14之后，通常安装在第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19上。第一滤光片15、第二滤光片18的功能是透射目标光学信号，反射和吸收背景噪声等其他波长范围的光，提高有用信息的占比，减少无用的噪声。在透射或反射通道中，第一滤光片15、第二滤光片18能够精确的选择出光学信号中的米散射信号或荧光信号，使相应的光学通道转换为米散射通道或荧光通道，然后由第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19分别导入第一拍摄相机17、第二拍摄相机20。其中米散射通道的滤光片的透射范围为米散信号波段，荧光通道的滤光片的透射范围为荧光信号波段。此外根据使用需求的不同，还可以通过更换不同波段的滤光片，实现对不同波段光学信号的探测，例如将米散射通道改造为与原有荧光通道接收波段不同的第二个荧光通道，实现双荧光信号探测。

第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19的功能是利用光学的手段将目标气溶胶流场受到激光照射后产生的荧光信号或米散射信号等光学信号成像在拍摄相机的成像芯片(CMOS或CCD)上。

第一拍摄相机17、第二拍摄相机20通常为互补金属氧化物半导体CMOS高速相机或电荷耦合元CCD高速相机，第一拍摄相机17、第二拍摄相机20分别用于接收第一定焦光学镜头16、第二定焦光学镜头19传递的光学信号，并将其转换为电学信号后传输至计算机和图像处理模块21进行处理和显示。第一拍摄相机17、第二拍摄相机20接收不同波长通道的信号，分别对应透射通道和反射通道，从而实现双通道拍摄。

在一个实施例中，移动模块22用于控制第一拍摄相机17、第二拍摄相机20和激光器11的移动，实现对气溶胶流场的扫描，移动模块22由位移台1、滑轨2、第一拍摄相机17、第二拍摄相机20安装架、激光器安装架、控制电机组成。

在一个实施例中，位移台1用于安装固定滑轨2、移动模块22等机械结构，是系统的主体支撑结构。滑轨2是移动模块22移动的轨道。

在一个实施例中，移动模块22承载并连接激光发生模块和图像采集模块13，使其可以在电机的驱动下沿着滑轨2轴向移动，实现扫描。移动模块22由若干金属横杆和金属板连接而成，其底部由金属扣固定在滑轨2上，在控制电机的驱动下可以沿滑轨2轴向移动。金属板上有若干螺孔，可以用螺丝将其他元件固定在金属板上。

相机安装架用于将第一拍摄相机17、第二拍摄相机20固定在移动模块22上。

激光器11安装架用于将激光器11固定在移动滑块上。

控制电机的功能是驱动移动滑块在滑轨2上运动，控制移动模块22的移动速度和移动距离。

在一个实施例中，图像处理模块21功能是接收、处理、显示、存储图像采集模块13传输来的图像信息。图像处理模块21分为硬件和软件两部分，硬件部分为计算机和存储器，为软件部分的运行提供了基础支持。

软件部分分为图像接收、图像处理、图像显示、图像存储、硬件控制这五个部分。

图像接收部分的功能是接收相机传递的二维图像信息。

图像处理部分的功能是在极短的时间内对二维图像信息进行背景噪声扣除、滤波去噪、信号增强、颜色赋予等图像处理，使得有用信号增强，噪声减少，信号和背景的对比度增加，原本微弱且不易观察的二维图像信号变得易于观察。

图像显示部分的功能是将处理过的图像输出在计算机显示器上进行显示，显示与拍摄的时间间隔在毫秒级别，可以认为是实时显示，方便使用人员实时监测气溶胶的变化。

图像存储部分的功能是将所采集到的图像信息存储到指定的位置。

硬件控制部分的功能是控制第一拍摄相机17、第二拍摄相机20的拍摄参数、控制电机的输出、移动模块22的移动速度和移动距离。

所述的流场实时探测系统的探测方法包括以下步骤，

气溶胶发生模块3产生被荧光标记的气溶胶流场，

激光发射模块10输出平面激光，

移动模块22控制激光发射模块10和图像采集模块13对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块13采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像和米散射图像，同时图像处理模块21对所述二维荧光图像和米散射图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域的两个流场三维浓度分布。

所述的方法的优选实施方式中，气溶胶发生模块3产生至少两个被荧光标记的气溶胶流场，扫描过程中，图像采集模块13采集平面激光照射流场所得到的至少两组多幅二维荧光图像，同时图像处理模块21对所述二维荧光图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域的至少两组流场三维分布。

所述的方法的优选实施方式中，米-荧光探测如图7所示，气溶胶发生模块3产生被荧光标记的气溶胶流场，激光发射模块10输出平面激光，移动模块22控制激光发射模块10和图像采集模块13对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块13采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像和米散射图像，同时图像处理模块21根据实验环境及参数设定对所述二维荧光图像和米散射图像进行优化处理并显示，实现对扫描截面上流场浓度分布的实时监测。对多幅图像进行三维重建，可得到探测区域流场三维浓度分布。

所述的方法的优选实施方式中，荧光-荧光探测如图9所示，不同荧光物质受到激发后，产生的荧光波长范围不同，在两个不同的气溶胶发生器6中装入不同的荧光物质，气溶胶发生模块3产生两个被荧光标记的气溶胶流场，两种物质在腔室内相互碰撞融合。激光发射模块10输出平面激光照射流场，激发出两种不同波段的荧光，反映出两种物质相互作用后的变化。移动模块22控制激光发射模块10和图像采集模块13对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块13采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像，同时图像处理模块21根据实验环境及参数设定对所述二维荧光图像进行优化处理并显示，实现对扫描截面上不同物质气溶胶相互融合，相互作用情况的实时监测。对多幅图像进行三维重建，可得到探测区域的至少两组流场三维分布。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种流场实时探测系统，其包括，

位移台，其设有水平布置的一对滑轨；

气溶胶发生模块，其生成预定流速和预定流量的气溶胶喷雾，所述气溶胶发生模块包括，

腔室架，其可移动地横跨于所述一对滑轨上方；

探测腔室，其支承于所述腔室架上；

至少一个气溶胶发生器，其包括，

存储仓，其存储待测物质；

超声振动器，其连接所述存储仓以将待测物质雾化形成气溶胶；

喷射导口，其分别连接所述超声振动器和所述探测腔室以将气溶胶输送到所述探测腔室；

激光发射模块，其经由移动模块滑动连接所述一对滑轨，所述激光发射模块包括，

激光器，其支承于所述移动模块上且生成连续激光束；

光学整形元件，其接收所述连续激光束以整形为片状平面激光且投射于所述探测腔室中以生成光学信号；

图像采集模块，其经由移动模块滑动连接所述一对滑轨，所述图像采集模块包括，

半透半反分光玻璃，其朝向所述探测腔室且根据波长将光学信号分别透射和反射以形成透射通道和反射通道；

第一滤光片，其垂直地布置于所述透射通道；

第一定焦光学镜头，其设于所述透射通道以接收且成像来自第一滤光片的第一信号；

第一拍摄相机，其设于所述透射通道以基于来自第一定焦光学镜头的第一信号生成第一图像；

第二滤光片，其垂直地布置于所述反射通道；

第二定焦光学镜头，其设于所述反射通道以接收且成像来自第二滤光片的第二信号；

第二拍摄相机，其设于所述反射通道以接收来自第二定焦光学镜头的第二信号以生成第二图像；

图像处理模块，其连接所述第一拍摄相机和所述第二拍摄相机，基于所述第一图像和第二图像分别三维重建得到第一流场三维浓度分布和第二流场三维浓度分布。

2.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，优选的，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为米散射信号。

3.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，所述第一信号为荧光信号，所述第二信号为不同于第一信号的荧光信号。

4.根据权利要求2或3所述的流场实时探测系统，其中，所述第一信号为二维荧光信号。

5.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，所述透射通道垂直于所述反射通道。

6.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，所述滑轨沿所述位移台的垂直方向可移动。

7.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，所述探测腔室为石英玻璃板组成的长方体腔室。

8.根据权利要求1所述的流场实时探测系统，其中，所述片状平面激光为三角片状平面激光。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的流场实时探测系统的探测方法，其特征在于，其包括以下步骤，

气溶胶发生模块产生被荧光标记的气溶胶流场，

激光发射模块输出平面激光，

移动模块控制激光发射模块和图像采集模块对流场进行定速扫描，扫描方向与平面激光入射流场的方向垂直，扫描过程中，图像采集模块采集平面激光照射流场所得到的多幅二维荧光图像和米散射图像，同时图像处理模块对所述二维荧光图像和米散射图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域的两个流场三维浓度分布。

10.根据权利要求9所述的探测方法，其中，

气溶胶发生模块产生至少两个被荧光标记的气溶胶流场，扫描过程中，图像采集模块采集平面激光照射流场所得到的至少两组多幅二维荧光图像，同时图像处理模块对所述二维荧光图像进行优化处理并显示，对多幅图像进行三维重建得到探测区域至少两组流场三维分布。

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