CN117042273A - 基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法，其通过对称式光路设计可以采集到等离子体的双向自发辐射荧光光谱，然后经过超分辨光谱仪的超高分辨率分析处理可以得到平行方向以及垂直方向的等离子体双向对称荧光光谱，进而基于等离子体双向对称荧光光谱的多普勒效应计算得到等离子体的速度。所述测量系统通过测量待测流场中离子自发荧光的多普勒效应即可直接测量离子的宏观速度，是一种全新的非接触式直接测速方案，不会对流场造成扰动，并且该系统仅使用CCD相机和超分辨光谱仪，系统的复杂性大大降低，测速时间短、测量效率高，设备成本远低于LIF测速系统。

Description

基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及等离子体测速技术领域，特别地，涉及一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有高比冲、高效率和长寿命等特点，在航天器的轨道控制、姿态调整、深空探测等空间任务中具有广阔的应用前景。速度特性是电推进动力系统的核心性能参数，与推力矢量、工质利用率及羽流污染等参数密切相关，如何快速诊断等离子体射流速度是电推力器研究过程中的关键问题。目前已有的等离子体射流速度测量方法主要分为以下三种：

1)、马赫探针

马赫探针是测量高速流动使用较多的方法，但这种方法属于接触式测量，探针的引入会对流场产生不可避免的扰动，会对测量结果造成较大的误差。另一方面，马赫探针的测量精度还受到磁场的限制，在磁场较强的条件下测量结果存在较大的误差，而在电推力器中磁场的条件往往是不可忽略的。

2)、阻滞势分析仪(Retarding Potential Analyzer，RPA)

阻滞势分析仪是一种适用于电推进羽流等离子体的接触式诊断试验仪器，主要用于诊断低能带电粒子。在深空电推进系统产生的空间等离子体环境中，离子能量一般小于100eV，使用RPA测定离子能量分布后，可以通过宏观动能计算离子速度。但现有阻滞势分析仪由于自身结构问题，存在带电粒子方向的选择性问题，当仪器与来流粒子的运动方向存在一定角度偏差时会导致数据无法采集。

3)、激光诱导荧光(Laser induced fluorescence，LIF)

LIF的原理是将一定频率的激光射入等离子体中，受激粒子由于不稳定很快就会跃迁回低能态，同时发射荧光光子，通过分析荧光信号可以得出一些重要的等离子体参数。LIF对离子速度与温度诊断精度很高，探测的波长误差仅在～0.1pm，但由于不是直接探测等离子体羽流中的离子光谱，而是间接测量激光诱导荧光信号，增加了测量系统的复杂性，同时由于激光扫频时间较长，难以满足快速探测不同区域等离子体参数的实时性要求。

目前，主流的应用于等离子体测速的方法是基于激光诱导荧光(Laser InducedFluorescence,LIF)方法，在传统的LIF测速方法中，由于常规的光栅光谱仪分辨率较低，无法直接分析等离子体羽流中的离子自发荧光光谱，因此LIF测速系统的流程较为复杂，具体测速流程为：在选定目标粒子的受激激发能级后，调制染料激光器频率使之在与目标粒子的共振频率接近的范围内(pm量级)以稳定的功率扫描，然后使用单色仪和PMT采集受激粒子释放的荧光信号，再使用相敏检波的方法将微弱的受激激发荧光从自发辐射荧光和其他干扰噪声中进行同步分离，最后将分离得到的光谱信号通过反卷积滤波算法处理得到单一多普勒效应，进而代换得到目标点的速度分布。而且，由于LIF方法测速时需要以预定频率扫描激光器的输出频率，扫频时间决定了其测速时间较长，难以满足快速探测不同区域等离子体参数的实时性要求，并且LIF测量系统复杂、整体软硬件成本通常高达数百万元。

发明内容

本发明提供了一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法，以解决现有LIF测速系统存在的测速流程复杂、测速时间长、成本高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，包括：

光路系统，用于收集待测流场中等离子体自发辐射的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第二平行荧光信号的初始传播方向与两个垂直荧光信号的初始传播方向垂直，且两个垂直荧光信号的初始传播方向相反；

镜架连杆，用于安装光路系统；

光纤准直镜组，用于直接采集待测流场中等离子体自发辐射的第一平行荧光信号和光路系统收集的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第一平行荧光信号的初始传播方向与第二平行荧光信号相反；

超分辨光谱仪，用于将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱；

CCD相机，用于进行光谱成像；

处理器，用于基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

进一步地，所述光路系统包括半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述半透半反镜和第二反射镜与镜架连杆垂直设置，所述第一反射镜和第三反射镜与镜架连杆呈67.5°夹角倾斜设置，所述半透半反镜用于收集第二平行荧光信号，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜用于收集第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号。

进一步地，还包括电动转台和转台控制器，所述转台控制器分别与所述电动转台和处理器电性连接，所述镜架连杆安装在电动转台上，通过控制所述电动转台旋转可改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。

进一步地，所述处理器包括：

第一处理模块，用于对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理；

第二处理模块，用于分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长；

第三处理模块，用于基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长；

第四处理模块，用于基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量；

第五处理模块，用于基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

进一步地，所述第三处理模块基于下式计算得到荧光信号的静止波长：

或/>

其中，λ₀表示荧光信号的静止波长，λ₁₊和λ_1-分别表示第一平行荧光信号和第二平行荧光信号的波长，λ₂₊和λ_2-分别表示第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号的波长。

进一步地，所述第四处理模块基于下式计算得到平行方向上和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量：

其中，△λ₁表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，△λ₂表示垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量。

进一步地，所述第五处理模块基于下式计算待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量：

其中，ν表示平行方向上或垂直方向上的速度分量，c表示光速，△λ表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量或垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量。

另外，本发明还提供一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，采用如上所述的二维等离子体速度测量系统，包括以下内容：

采集待测流场中等离子体自发辐射的双向自发辐射荧光信号，其中，双向自发辐射荧光信号包括第一平行荧光信号、第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号；

将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱并进行光谱成像；

基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

进一步地，所述基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度的过程具体为：

对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理；

分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长；

基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长；

基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量；

基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

进一步地，当平行荧光光谱和垂直荧光光谱存在重合时，在采集双向自发辐射荧光信号之前还包括以下内容：

调节电动转台的旋转角度，以改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。

本发明具有以下效果：

本发明的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，通过光路系统可以收集待测流场中等离子体自发辐射的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，而等离子体自发辐射的第一平行荧光信号则直接被光纤准直镜组采集，从而可以采集到等离子体的双向自发辐射荧光光谱，然后经过超分辨光谱仪的超高分辨率分析处理可以得到平行方向和垂直方向的等离子体双向对称荧光光谱，进而基于等离子体双向对称荧光光谱的多普勒效应计算得到等离子体的速度。本发明的测量系统通过测量待测流场中离子自发荧光的多普勒效应即可直接测量离子的宏观速度，是一种全新的非接触式直接测速方案，不会对流场造成扰动，并且该系统仅使用CCD相机和超分辨光谱仪，系统的复杂性大大降低，测速时间短、测量效率高，设备成本远低于LIF测速系统。

另外，本发明的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统的结构布局示意图。

图2是本发明优选实施例的光路系统的光路传导示意图。

图3是本发明优选实施例的速度分解示意图。

图4是本发明优选实施例的超分辨光谱仪分析得到的四路荧光光谱示意图。

图5是本发明优选实施例的第一处理模块对原始光谱数据进行归一化处理后得到的实测光谱数据示意图。

图6是本发明优选实施例的第二处理模块对实测光谱数据进行曲线积分确定荧光信号波长的示意图。

图7是本发明优选实施例的第三处理模块根据对称性得出荧光的静止波长的示意图。

图8是本发明优选实施例的第四处理模块求得的平行方向上和垂直方向上的荧光多普勒波长偏移量的示意图。

图9是本发明另一实施例的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法的流程示意图。

图10是图9中步骤S3的子流程示意图。

附图标记说明

101、镜架连杆；102、光纤准直镜组；103、超分辨光谱仪；104、CCD相机；105、处理器；106、半透半反镜；107、第一反射镜；108、第二反射镜；109、第三反射镜；110、电动转台；111、转台控制器；112、光纤穿舱器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

可以理解，如图1所示，本发明的优选实施例提供一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其包括光路系统、镜架连杆101、光纤准直镜组102、超分辨光谱仪103、CCD相机104和处理器105，所述光路系统安装在镜架连杆101上，所述光路系统用于收集待测流场中等离子体自发辐射的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第二平行荧光信号的初始传播方向与两个垂直荧光信号的初始传播方向垂直，且两个垂直荧光信号的初始传播方向相反。所述光纤准直镜组102位于镜架连杆101的一侧，用于直接采集待测流场中等离子体自发辐射的第一平行荧光信号和光路系统收集的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第一平行荧光信号的初始传播方向与第二平行荧光信号相反。所述超分辨光谱仪103通过光纤与光纤准直镜组102连接，用于将光纤准直镜组102混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱，所述CCD相机104与超分辨光谱仪103集成设置，用于将光信号转化为电信号。所述CCD相机104和处理器105连接，用于基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

可以理解，本实施例的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，通过光路系统可以收集待测流场中等离子体自发辐射的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，而等离子体自发辐射的第一平行荧光信号则直接被光纤准直镜组102采集，从而可以采集到等离子体的双向自发辐射荧光光谱，然后经过超分辨光谱仪103的超高分辨率分析处理可以得到平行方向和垂直方向的等离子体双向对称荧光光谱，进而基于等离子体双向对称荧光光谱的多普勒效应计算得到等离子体的速度。本发明的测量系统通过测量待测流场中离子自发荧光的多普勒效应即可直接测量离子的宏观速度，是一种全新的非接触式直接测速方案，不会对流场造成扰动，并且该系统仅使用CCD相机104和超分辨光谱仪103，系统的复杂性大大降低，测速时间短、测量效率高，设备成本远低于LIF测速系统。

其中，所述光路系统包括半透半反镜106、第一反射镜107、第二反射镜108和第三反射镜109，所述半透半反镜106和第二反射镜108与镜架连杆101垂直设置，所述第一反射镜107和第三反射镜109与镜架连杆101呈倾斜设置，第一反射镜107与镜架连杆101之间的夹角和第三反射镜109与镜架连杆101之间的夹角均为α，α＝67.5°，所述半透半反镜106用于收集第二平行荧光信号，所述第一反射镜107、第二反射镜108和第三反射镜109用于收集第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号。

可以理解，如图2所示，平行光路和垂直光路的相交位置即为流场待测点，目标粒子自激发向周围辐射荧光光子，其中，平行光路上荧光信号的初始传播方向与光纤准直镜组102共线，而垂直光路上荧光信号的初始传播方向与光纤准直镜组102垂直。需要说明的是，本发明中所指的平行方向指的是与光纤准直镜组102共线的方向，而垂直方向指的是与光纤准直镜组102共线方向相垂直的方向。平行光路上传播的荧光信号包括初始传播方向相反的第一平行荧光信号λ₁₊和第二平行荧光信号λ_1-，其中，第一平行荧光信号λ₁₊直接被光纤准直镜组102采集，而第二平行荧光信号λ_1-在传播至半透半反镜106后，约50％的荧光信号被反射，从而其传播方向改变至与第一平行荧光信号λ₁₊一致，进而被光纤准直镜组102采集。而垂直光路上传播的荧光信号包括初始传播方向相反的第一垂直荧光信号λ₂₊和第二垂直荧光信号λ_2-，其中，第一垂直荧光信号λ₂₊以22.5°的入射角到达第三反射镜109，经反射后又以22.5°的入射角到达第一反射镜107，经再次反射后刚好垂直射入半透半反镜106，约50％的荧光信号被透射，进而被光纤准直镜组102采集；而第二垂直荧光信号λ_2-垂直到达第二反射镜108，经反射后以22.5°的入射角到达第三反射镜109，经反射后又以22.5°的入射角到达第一反射镜107，经再次反射后刚好垂直射入半透半反镜106，约50％的荧光信号被透射，进而被光纤准直镜组102采集。其中，基于第一平行荧光信号λ₁₊和第二平行荧光信号λ_1-可测得多普勒效应，同时基于第一垂直荧光信号λ₂₊和第二垂直荧光信号λ_2-也可以测得多普勒效应。可以理解，本发明通过采用对称式光路设计可以获取双向多普勒效应光谱，从而可以直接测量离子的宏观速度。

可选地，所述镜架连杆101整体呈十字架结构，其中，半透半反镜106和第一反射镜107设置在镜架连杆101的第一连杆，且半透半反镜106设置在第一反射镜107的前方，第二反射镜108和第三反射镜109在镜架连杆101的第二连杆上相对设置，而光纤准直镜组102则位于镜架连杆101的第一连杆的一侧，且与半透半反镜106和第一反射镜107相对设置。

另外，对于可见光波段的自发辐射光谱而言，通常波长为1pm的光谱多普勒频移对应速度约500m/s，为了使速度测量信息具有足够的解析度，要求等离子体自发辐射光谱的监测精度必须达到亚pm量级，对相关检测仪器的分辨率要求极高。而目前应用最广泛的光谱仪是基于体光栅衍射的光栅光谱仪，它的工作原理是入射光通过入射狭缝后，由准直物镜进行准直，由光栅进行分光，再经过聚焦物镜后由探测器进行接收，然后得到入射光的光谱信息。光栅光谱仪的研究已相对比较成熟，但受限于加工工艺，光栅光谱仪的分辨率很难达到亚pm的量级，难以满足超高分辨率检测的需求。因此，本发明采用超分辨光谱仪103来监测等离子体自发辐射光谱，超分辨光谱仪103基于受激布里渊散射效应进行超高光谱分析，由于其具有非常窄的增益谱，可以实现超高分辨率测量，理论上其分辨率可以高达几十fm，从而为等离子体速度直接测量提供了基础。

可以理解，本发明采用超分辨光谱仪103和CCD相机104构造了超分辨率光谱拍摄系统，并结合对称式光路设计可以获得双向多普勒效应光谱，从而可以快速、准确地测量出粒子的宏观速度，只需要合理调节机构布局，即可测量出待测流场中任意粒子的二维速度矢量，且对目标粒子是否带电没有约束，而且设备体积小巧，方便集成到系统中进行在线实时测量。

可选地，所述测速系统还包括电动转台110和转台控制器111，所述转台控制器111分别与所述电动转台110和处理器105电性连接，所述镜架连杆101安装在电动转台110上，通过控制所述电动转台110旋转可改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。

可以理解，为了尽量减小平行方向荧光光谱和垂直方向荧光光谱的相对重合度，可以通过调节电动转台110的旋转角度来改变实际速度v与垂直速度分量v₂之间的夹角θ，如图3所示，从而使得平行方向和垂直方向上的荧光信号强度发生变化，进而便于分辨不同方向上的光谱信息，有利于提高测量精度。

另外，所述光路系统、镜架连杆101、光纤准直镜组102、电动转台110构成测速系统的测量装置，所述超分辨光谱仪103、CCD相机104、处理器105和转台控制器111构成测速系统的处理装置，其中，测量装置一般设置在舱体内，而处理装置则设置在舱体外，连接光纤准直镜组102和超分辨光谱仪103的光纤、连接电动转台110和转台控制器111的电缆则通过光纤穿舱器112进行安装。

可以理解，所述超分辨光谱仪103和CCD相机104分析得到的光谱成像如图4所示，光谱图像包括第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱这四路荧光光谱，每路荧光光谱为荧光信号强度随波长变化的曲线，光谱图像作为原始光谱数据输入至处理器105进行处理，处理器105则基于原始光谱数据计算得到待测流量中目标粒子的宏观速度。其中，所述处理器105具体包括第一处理模块、第二处理模块、第三处理模块、第四处理模块和第五处理模块，所述第一处理模块用于对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理，所述第二处理模块用于分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长，所述第三处理模块用于基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长，所述第四处理模块用于基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，所述第五处理模块用于基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

具体地，所述第一处理模块先将四路荧光信号强度随波长变化的曲线进行归一化处理，得到实测的双向自发荧光光谱，如图5所示。然后，所述第二处理模块分别对归一化后的四条波形曲线实施曲线积分，由于等离子体自发荧光光谱中多普勒展宽占主导，因此光谱呈对称曲线，每条波形曲线的总面积的50％处即为峰值位置，峰值位置所对应的横坐标即为荧光信号的波长，如图6所示。然后，根据多普勒效应中的速度与波长偏移量的公式：可知，当速度绝对值相同时，第一平行荧光信号和第二平行荧光信号在光谱分析时应当关于荧光的静止波长互相对称，且第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号也应当关于荧光的静止波长互相对称，如图7所示。因此，根据对称性，所述第三处理模块基于下式计算得到荧光信号的静止波长：

或/>

其中，λ₀表示荧光信号的静止波长，λ₁₊和λ_1-分别表示第一平行荧光信号和第二平行荧光信号的波长，λ₂₊和λ_2-分别表示第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号的波长。

然后，所述第四处理模块基于下式计算得到平行方向上和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量：

其中，△λ₁表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，△λ₂表示垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，其中，平行方向上和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量如图8所示。

最后，所述第五处理模块基于下式计算待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量：

其中，ν表示平行方向上或垂直方向上的速度分量，c表示光速，△λ表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量或垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量。在计算得到平行速度分量和垂直速度分量后，即可合成得到待测粒子的实际宏观速度。

另外，如图9所示，本发明的另一实施例还提供一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，优选采用如上所述的二维等离子体速度测量系统，包括以下内容：

步骤S1：采集待测流场中等离子体自发辐射的双向自发辐射荧光信号，其中，双向自发辐射荧光信号包括第一平行荧光信号、第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号；

步骤S2：将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱并进行光谱成像；

步骤S3：基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

可以理解，本实施例的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，在采集到等离子体的双向自发辐射荧光光谱后，将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱并进行光谱成像，可以得到平行方向和垂直方向的等离子体双向对称荧光光谱，进而基于等离子体双向对称荧光光谱的多普勒效应计算得到等离子体的速度。本发明的测量方法通过测量待测流场中离子自发荧光的多普勒效应即可直接测量离子的宏观速度，是一种全新的非接触式直接测速方案，不会对流场造成扰动，并且测速流程简单、测速时间短、测量效率高。

可以理解，所述步骤S1中采集双向自发辐射荧光信号的过程在上述系统实施例中已经详细阐述，故在此不再赘述。另外，所述步骤S2中具体利用超分辨光谱仪和CCD相机将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱并进行光谱成像。

可以理解，如图10所示，所述步骤S3具体包括以下内容

步骤S31：对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理；

步骤S32：分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长；

步骤S33：基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长；

步骤S34：基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量；

步骤S35：基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

可以理解，所述步骤S3中每个步骤的详细内容在上述系统实施例中的处理器的各个模块中已经详细阐述，故在此不再赘述。

另外，当平行荧光光谱和垂直荧光光谱存在重合时，在采集双向自发辐射荧光信号之前还包括以下内容：

调节电动转台的旋转角度，以改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。

可以理解，为了尽量减小平行方向荧光光谱和垂直方向荧光光谱的相对重合度，可以通过调节电动转台的旋转角度来改变实际速度与垂直速度分量之间的夹角θ，从而使得平行方向和垂直方向上的荧光信号强度发生变化，进而便于分辨不同方向上的光谱信息，有利于提高测量精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，包括：

光路系统，用于收集待测流场中等离子体自发辐射的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第二平行荧光信号的初始传播方向与两个垂直荧光信号的初始传播方向垂直，且两个垂直荧光信号的初始传播方向相反；

镜架连杆(101)，用于安装光路系统；

光纤准直镜组(102)，用于直接采集待测流场中等离子体自发辐射的第一平行荧光信号和光路系统收集的第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号，第一平行荧光信号的初始传播方向与第二平行荧光信号相反；

超分辨光谱仪(103)，用于将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱；

CCD相机(104)，用于将光信号转化为电信号；

处理器(105)，用于基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

2.如权利要求1所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，所述光路系统包括半透半反镜(106)、第一反射镜(107)、第二反射镜(108)和第三反射镜(109)，所述半透半反镜(106)和第二反射镜(108)与镜架连杆(101)垂直设置，所述第一反射镜(107)和第三反射镜(109)与镜架连杆(101)呈67.5°夹角倾斜设置，所述半透半反镜(106)用于收集第二平行荧光信号，所述第一反射镜(107)、第二反射镜(108)和第三反射镜(109)用于收集第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号。

3.如权利要求1所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，还包括电动转台(110)和转台控制器(111)，所述转台控制器(111)分别与所述电动转台(110)和处理器(105)电性连接，所述镜架连杆(101)安装在电动转台(110)上，通过控制所述电动转台(110)旋转可改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。

4.如权利要求1所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，所述处理器(105)包括：

第一处理模块，用于对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理；

第二处理模块，用于分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长；

第三处理模块，用于基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长；

第四处理模块，用于基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量；

第五处理模块，用于基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

5.如权利要求4所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，所述第三处理模块基于下式计算得到荧光信号的静止波长：

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其中，λ₀表示荧光信号的静止波长，λ₁₊和λ_1-分别表示第一平行荧光信号和第二平行荧光信号的波长，λ₂₊和λ_2-分别表示第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号的波长。

6.如权利要求5所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，所述第四处理模块基于下式计算得到平行方向上和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量：

其中，△λ₁表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，△λ₂表示垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量。

7.如权利要求6所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，所述第五处理模块基于下式计算待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量：

其中，ν表示平行方向上或垂直方向上的速度分量，c表示光速，△λ表示平行方向上荧光多普勒波长的偏移量或垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量。

8.一种基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，采用如权利要求1～7任一项所述的二维等离子体速度测量系统，其特征在于，包括以下内容：

采集待测流场中等离子体自发辐射的双向自发辐射荧光信号，其中，双向自发辐射荧光信号包括第一平行荧光信号、第二平行荧光信号、第一垂直荧光信号和第二垂直荧光信号；

将混合采集的荧光光谱分离为第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱并进行光谱分析；

基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度。

9.如权利要求8所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，其特征在于，所述基于第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱计算得到等离子体的速度的过程具体为：

对第一平行荧光光谱、第二平行荧光光谱、第一垂直荧光光谱和第二垂直荧光光谱进行归一化处理；

分别对归一化处理后的四路荧光光谱进行曲线积分，确定四个荧光信号的波长；

基于两个平行荧光信号的波长或者基于两个垂直荧光信号的波长计算得到荧光信号的静止波长；

基于两个平行荧光信号的波长计算得到平行方向上荧光多普勒波长的偏移量，并基于两个垂直荧光信号的波长计算得到垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量；

基于平行方向上荧光多普勒波长的偏移量和垂直方向上荧光多普勒波长的偏移量，分别计算得到目标点待测粒子在平行方向上的速度分量和在垂直方向上的速度分量。

10.如权利要求8所述的基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量方法，其特征在于，当平行荧光光谱和垂直荧光光谱存在重合时，在采集双向自发辐射荧光信号之前还包括以下内容：

调节电动转台的旋转角度，以改变平行方向和垂直方向上的荧光信号强度。