CN117222090B - 可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法，其通过在激光的光路系统中引入DMD器件对激光进行复杂位型预设频率调制，以产生频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光，在采集原始光谱数据后，再通过虚拟锁相检波算法进行空间反演，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，进而计算得到待测区域中粒子的速度分布。相比于传统等离子体激光诱导荧光速度测量系统，不仅实现了等离子体参数的高空间分辨率全局同时测量，而且避免了多通道锁相检波大规模线性扩展，并且可以轻松改变实际测量的空间分辨率。

Description

可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电推进器的等离子体速度测量技术领域，特别地，涉及一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法。

背景技术

电推进技术由于具备远高于传统化学推进的比冲优势，成为当前各国航天器降低总质量、提高有效载荷能力、延长在轨寿命的最有效途径之一，电推进的本质是将电能或者电磁能转化为推进工质的动能，使推进工质获得极高的喷出速度，从而产生反作用推力。而速度是电推进系统的核心性能参数，如何快速大范围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。

常用的等离子体速度诊断方法有马赫探针、激光诱导荧光技术(Laser inducedfluorescence，LIF)等，其中，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。故而，在电推进等离子体中常采用LIF方法进行等离子体速度测量，其通过光学斩波器与锁相放大器的组合，实现单频锁相检波提取微弱LIF光谱，由光学斩波器将入射激光束调制成一束具有固定频率的激光，激光经光路系统进入流场内部待测点与粒子发生作用并向外辐射荧光，再以调制频率信号作为基准，通过锁相检波器将与调制频率信号同频、同相的荧光信号分量滤出，获得比背景光谱强度低1～2个数量级的微弱LIF光谱；进一步，在窄线宽可调谐激光器的连续扫描激励作用下，测量出亚pm精度的LIF光谱多普勒效应，根据多普勒效应下速度-频率(波长)的关系，获取高精度速度分布函数，进而获取等离子体的速度和温度等信息。但是，LIF方法只能进行单点速度测量，无法实现具有高空间分辨率的全局同时测量，这是因为传统LIF方案中将激光聚焦于一点，然后通过单频锁相检波解调出微弱有效信号，如果要实现高空间分辨率的全局同时测量，例如在100mm×100mm空间内实现不低于1mm空间分辨率精度的测量，那么需要锁相检波系统的通道数为10000个，这在实际工程中是不可承受的，目前单通道锁相放大器模块的成本约4万元，仅单纯叠加的锁相放大通道数成本即达到4亿元，这还没有包含为了实现各通道之间锁相同步性，需要扩展的高速通讯模块，实际成本将因为非线性增加达到天量级别。

发明内容

本发明提供了一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法，以解决现有等离子体速度测量方法无法实现高空间分辨率的全局同时测量的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，包括：

激光器，用于作为荧光激发光源；

DMD器件，设置在激光的光路系统中，用于将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光；

信号采集装置，用于采集粒子的自发辐射荧光信号，得到原始光谱数据；

测控计算机，用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态以将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号；还用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，并基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。

进一步地，所述测控计算机包括：

参数设定模块，用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率；

频率调制模块，用于根据设定的二维空间频率分布图谱和空间分辨率建立空间位置与频率的映射关系，并基于该映射关系进行DMD器件的阵面开关控制，以将激光束调制成二维频率与二维空间位置一一对应的激光信号；

空间反演模块，用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱；

速度计算模块，用于基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱进行反卷积滤波分离，得到多普勒展宽效应光谱，并通过多普勒频移公式计算得到待测区域中粒子的速度分布函数。

进一步地，所述频率调制模块以空间分辨率作为离散条件，对待测区域不同位置处的坐标进行离散得到若干个位置空间离散点，并根据二维空间频率分布图谱建立位置空间到频率空间的单向映射关系，计算得到每个位置空间离散点对应的频率空间离散点，从而建立空间位置与频率的映射关系。

进一步地，所述空间反演模块以原始光谱数据作为基础分析数据、以频率空间离散点为输入量，采用虚拟锁相检波算法分离出各个频率空间离散点对应的光谱分量，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱。

进一步地，所述光路系统包括：

分束镜，用于将小部分激光反射至波长计，以进行激光频率的监测，并将大部分激光透过；

第一扩束系统，用于对透过分束镜的大部分激光进行扩束，激光束传输至DMD器件进行频率调制后形成频率与二维空间位置一一对应的激光信号；

第二扩束系统，用于对经DMD器件调制后的激光信号进行二次扩束；

二向色镜，用于使二次扩束后的激光束透过，以与流场内部待测区域不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光，并对辐射荧光信号进行反射。

进一步地，所述二向色镜具有激光正向通过、荧光反向发射的高光学效率特性，且具有荧光反向通过、激光反向反射的低光学效率特性。

进一步地，所述第一扩束系统输出的光斑尺寸不超过DMD的阵面尺寸且最大化覆盖DMD阵面区域。

进一步地，所述第二扩束系统输出的光斑尺寸需最大化覆盖待测区域，且待测区域的边缘不超出激光束。

进一步地，所述信号采集装置包括：

收束系统，用于将荧光收缩至光纤耦合器匹配的尺寸大小；

光纤耦合器，用于将收缩后的荧光信号耦合入光纤；

极窄带滤波器，用于选择特定波长的信号；

光电倍增管，用于将光信号转换为电流信号；

高宽带放大器，用于对电流信号进行放大处理；

高速A/D转换器，用于将放大后的电流信号转换为数字信号。

另外，本发明还提供一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量方法，采用如上所述的测量方法，包括以下内容：

采用激光器发射激光；

设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态，以将激光调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光；

采集粒子的自发辐射荧光信号，得到原始光谱数据；

采用虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱；

基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。

本发明具有以下效果：

本发明的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，通过在激光的光路系统中引入DMD器件，可以对激光进行复杂位型预设频率调制，以产生频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光。在采集原始光谱数据后，再通过虚拟锁相检波算法进行空间反演，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，最后，基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。相比于传统等离子体激光诱导荧光速度测量系统，本系统通过DMD器件与虚拟锁相检波技术的融合，不仅实现了等离子体参数的高空间分辨率全局同时测量，而且避免了多通道锁相检波大规模线性扩展，并且，由于典型DMD器件的像素可以达到1024*1024，其频率-空间位型函数可以根据实际需要预设，因此可以轻松改变实际测量的空间分辨率，该系统在已有研究中未曾出现，其可控分辨率、低成本特性，使得其在实际应用中具有广阔前景。

另外，本发明的可调节高空间分辨率的平面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可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统的系统结构布局示意图。

图2是本发明优选实施例的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统的原理示意图。

图3是本发明优选实施例的二向色镜的光路原理示意图。

图4是本发明优选实施例的测控计算机计算待测区域速度分布的逻辑示意图。

图5是本发明优选实施例中对原始光谱数据进行空间反演得到的不同位置处的LIF光谱阵列示意图。

图6是本发明优选实施例中得到的等离子体参数的空间分布示意图。

图7是本发明另一实施例的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量方法的流程示意图。

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和图2所示，本发明的优选实施例提供一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，包括激光器、DMD器件、信号采集装置和测控计算机，所述激光器用于作为荧光激发光源，其中，所述激光器优选采用高功率窄线宽可调谐激光器。所述DMD器件设置在激光的光路系统中，用于将激光器发出的激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光。所述DMD器件具体包括DMD阵面和DMD空间光调制控制器，DMD阵面由大量可倾斜的反射微镜组成，每个像素上都有一个可转动的微镜，每个微镜都有一个特定的±α偏转角，分别对应打开和关闭状态，即对入射光实现有或无的二进制调制，所述DMD空间光调制控制器通过控制DMD阵面上每一面反射微镜的翻转，可以将入射激光调制成不同频率的激光信号。其中，所述DMD阵面设置在光路系统中，所述DMD空间光调制控制器分别与DMD阵面、测控计算机电性连接。所述信号采集装置用于采集粒子的自发辐射荧光信号，以得到原始光谱数据。所述测控计算机分别与DMD器件、信号采集装置电性连接，用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态以将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，还用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，并基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。

可以理解，本实施例的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，通过在激光的光路系统中引入DMD器件，可以对激光进行复杂位型预设频率调制，以产生频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光。在采集原始光谱数据后，再通过虚拟锁相检波算法进行空间反演，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，最后，基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。相比于传统等离子体激光诱导荧光速度测量系统，本系统通过DMD器件与虚拟锁相检波技术的融合，不仅实现了等离子体参数的高空间分辨率全局同时测量，而且避免了多通道锁相检波大规模线性扩展，并且，由于典型DMD器件的像素可以达到1024*1024，其频率-空间位型函数可以根据实际需要预设，因此可以轻松改变实际测量的空间分辨率，该系统在已有研究中未曾出现，其可控分辨率、低成本特性，使得其在实际应用中具有广阔前景。

其中，所述光路系统具体包括分束镜、第一扩束系统、第二扩束系统和二向色镜，其中，所述分束镜用于将小部分激光反射至波长计以进行激光频率的监测，并将大部分激光透过，波长计与测控计算机电性连接。所述第一扩束系统用于对透过分束镜的大部分激光进行扩束，激光束传输至DMD器件进行频率调制后形成频率与二维空间位置一一对应的激光信号。所述第二扩束系统则用于对经DMD器件调制后的激光信号进行二次扩束，所述二向色镜用于使二次扩束后的激光束透过，以与流场内部待测区域不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光，并对辐射荧光信号进行反射。

可以理解，激光器发出的激光入射至分束镜，经过分束镜反射后，不超过1％的能量进入波长计进行激光频率的监测，其余超过99％的能量由第一扩束系统进行扩束。第一扩束系统将激光器输出的数mm级光斑扩展成为约1英寸级别光斑，具体的目标扩展尺寸应当匹配DMD器件的阵面尺寸大小，匹配原则包括：第一扩束系统输出的光斑尺寸不超过DMD的阵面尺寸，当扩束光斑照射于DMD阵面时，边缘不应超出DMD阵面边界且尽量最大化覆盖DMD阵面区域。DMD阵面在DMD空间光调制控制器的控制作用下，将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号。从DMD阵面输出的激光信号经过第二扩束系统进行二次扩束，二次扩束的目的是为了使英寸级调制激光束与用户需要的测量区域相匹配，因此，所述第二扩束系统的扩束倍数选取原则为：经过二次扩束后的激光束需最大化覆盖待测区域，且待测区域的边缘不超出激光束。经过二次扩束后的激光束经二向色镜进入待测流场内部与待测区域的粒子发生相互作用，使之受激吸收并向外辐射荧光。其中，可选地，如图3所示，所述二向色镜的正面镀高透膜、背面镀高反膜，且镀膜的工艺具有如下波长选择性要求：具有激光正向通过、荧光反向发射的高光学效率特性，且具有荧光反向通过、激光反向反射的低光学效率特性，即允许激光从正面透过，而禁止荧光从背面透过，允许荧光从背面入射后反射，而禁止散射激光从背面入射后反射，从而将辐射荧光高效率地反射至信号采集装置，并阻碍杂散激光对荧光信号的干扰。

另外，所述信号采集装置包括收束系统、光纤耦合器、极窄带滤波器、光电倍增管、高宽带放大器和高速A/D转换器，所述收束系统用于将荧光收缩至光纤耦合器匹配的尺寸大小，所述光纤耦合器用于将收缩后的荧光信号耦合入光纤，所述极窄带滤波器用于选择特定波长的信号，所述光电倍增管用于将光信号转换为电流信号，所述高宽带放大器用于对电流信号进行放大处理，所述高速A/D转换器用于将放大后的电流信号转换为数字信号后输出至测控计算机。

可以理解，等离子体自发辐射荧光以及受激辐射荧光被二向色镜的背面高效反射进入收束系统，收束系统将荧光收缩至光纤耦合器匹配的尺寸大小上，并进入光纤耦合器实现荧光信号的空间-光纤耦合，并传递至极窄带滤波器进行分频选择，滤波器的参数选择为：中心波长为激光诱导荧光激发策略中的自发辐射分析谱波长，FWHM线宽优于0.5nm，透过性优于80％，光密度优于OD3，仅保留受激辐射荧光信号，相当于滤波器只保留一定区间范围的信号，超出这个区间之外的信号就会被滤去，而在这个波长区间范围内的不仅有激光诱导荧光信号，也有等离子体本身在这个线宽范围内的自发辐射荧光光谱。然后，滤波处理后的光信号进入光电倍增管后转化为电流信号，电流信号经过高宽带放大器进行放大处理，而后经高速A/D转换器转换为数字信号输出至测控计算机。其中，所述信号采集装置采集的是荧光光谱强度随激光频率的变化关系，从而得到原始光谱数据I～ν。

可以理解，所述测控计算机包括参数设定模块、频率调制模块、空间反演模块和速度计算模块，所述参数设定模块用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率，所述频率调制模块用于根据设定的二维空间频率分布图谱和空间分辨率建立空间位置与频率的映射关系，并基于该映射关系进行DMD器件的阵面开关控制，以将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号。所述空间反演模块用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，所述速度计算模块，用于基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱进行反卷积滤波分离，得到多普勒展宽效应光谱，并通过多普勒频移公式计算得到待测区域中粒子的速度分布函数。

具体地，如图4所示，先通过所述参数设定模块预先设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率(Δx,Δy)，设定的空间分辨率不能超出DMD阵面微镜元决定的极限分辨率。

然后，所述频率调制模块以空间分辨率(Δx,Δy)作为离散条件，对待测区域不同位置处的坐标(x_i,y_i)进行离散得到若干个位置空间离散点(x_i±Δx,y_i±Δy)，并根据二维空间频率分布图谱建立位置空间到频率空间的单向映射关系(x_i,y_i)～f_i，计算得到每个位置空间离散点(x_i±Δx,y_i±Δy)对应的频率空间离散点f_i±Δf，从而建立起待测区域中空间位置与频率的映射关系。所述频率调制模块将上述映射关系输出至DMD空间光调制控制器，以控制DMD阵面的开关闭合，从而对激光束的复杂型面进行可恢复性调制，将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号。

然后，所述空间反演模块以原始光谱数据I～ν作为基础分析数据、以频率空间离散点f_i±Δf为输入量，采用虚拟锁相检波算法分离出各个频率空间离散点对应的光谱分量，从而得到不同空间位置点(x_i,y_i)对应的激光诱导荧光光谱I_i～ν_i，实现激光诱导荧光光谱的空间反演，如图5所示。其中，虚拟锁相检波技术是利用了计算机强大的数据处理能力和LabView成熟的信号处理模块，可以非常方便地将有效信号从待测含噪信号中提取出来，相比于传统锁相放大器，其硬件成本十分低廉，并且可实现等效多通道扩展。

接着，所述速度计算模块对不同位置处的激光诱导荧光光谱线型进行归一化处理，得到激光诱导荧光光谱归一化线型，即实测光谱线型，再通过高斯反卷积滤波器进行反卷积处理，去除光谱中的超精细结构、自然加宽、磁场分裂等无关分量，分离得到获取不同位置处的实测荧光光谱阵列中的多普勒效应分量d(ν_i)～ν_i，再以标定的频率起算点为基准对不同位置处的多普勒展宽效应分量进行多普勒变换，根据多普勒频移关系得到不同待测点粒子的速度-概率密度函数，即速度分布函数f(ν_i)～ν_i，最后，对不同待测点粒子的速度分布函数进行速度空间平均得到不同位置处等离子体的宏观速度，从而得到待测区域中粒子的速度分布。另外，对速度分布函数的线宽进行计算得到不同位置处等离子体的温度，从而得到待测区域中粒子的温度分布。可以理解，本发明得到的等离子体参数的空间分布示意图如图6所示，其中，等离子体参数包括速度、温度、密度等。

由于等离子体速度是宏观速度和微观热运动速度的叠加，要得到宏观速度的绝对值，应当确定宏观速度的频率起算点，本发明以同种气体的静态等离子体源作为参考源，测量参考源的激光诱导荧光信号，选择荧光信号强度最高处的激光频率作为频率起算点。另外，所述速度计算模块还可对荧光信号强度随频率变化的曲线I_i～ν_i进行积分统计，可以得到等离子相对密度指标η_i。可以理解，基于激光诱导荧光管光谱计算单个测量点速度的过程属于现有技术，具体细节原理在此不再赘述，可参考专利CN106018878A。

可以理解，本发明的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，基于DMD器件的调制光路方案对激光频率实现可恢复性的二维空间主动调制，并通过基于虚拟锁相检波技术的数据处理方案实现对不同位置处LIF谱高精度空间反演，能够实现对电推力器中等离子体射流宏观速度等参数同时进行二维平面域的高精度多点位测量，测量效率高、测量分辨率高且分辨率可控，在实际工程应用中具有很强的实用拓展性，可以显著加快目前先进电推力器的测试定型流程，在星网等以电推力器为动力源的我国大规模空间应用星座研制交付中具有积极迫切意义。

另外，如图7所示，本发明的另一实施例还提供一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量方法，优选采用如上所述的测量方法，包括以下内容：

步骤S1：采用激光器发射激光；

步骤S2：设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态，以将激光调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光；

步骤S3：采集粒子的自发辐射荧光信号，得到原始光谱数据；

步骤S4：采用虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱；

步骤S5：基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。

可以理解，本实施例的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量方法，通过在激光的光路系统中引入DMD器件，可以对激光进行复杂位型预设频率调制，以产生频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光。在采集原始光谱数据后，再通过虚拟锁相检波算法进行空间反演，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，最后，基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。相比于传统等离子体激光诱导荧光速度测量方法，本方法通过DMD器件与虚拟锁相检波技术的融合，不仅实现了等离子体参数的高空间分辨率全局同时测量，而且避免了多通道锁相检波大规模线性扩展，并且，由于典型DMD器件的像素可以达到1024*1024，其频率-空间位型函数可以根据实际需要预设，因此可以轻松改变实际测量的空间分辨率，该方法在已有研究中未曾出现，其可控分辨率、低成本特性，使得其在实际应用中具有广阔前景。

可以理解，本方法实施例的各个步骤与上述系统实施例一一对应，故各个步骤的具体过程在此不再赘述，参考上述方法实施例即可。另外，步骤S1和步骤S2的执行顺序可以对调，也可以同时进行。

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 (8)

1.一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，包括：

激光器，用于作为荧光激发光源；

DMD器件，设置在激光的光路系统中，用于将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光；

信号采集装置，用于采集粒子的自发辐射荧光信号，得到原始光谱数据；

测控计算机，用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态以将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号；还用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱，并基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布；

所述光路系统包括：

分束镜，用于将小部分激光反射至波长计，以进行激光频率的监测，并将大部分激光透过；

第一扩束系统，用于对透过分束镜的大部分激光进行扩束，激光束传输至DMD器件进行频率调制后形成频率与二维空间位置一一对应的激光信号；

第二扩束系统，用于对经DMD器件调制后的激光信号进行二次扩束；

二向色镜，用于使二次扩束后的激光束透过，以与流场内部待测区域不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光，并对辐射荧光信号进行反射；

所述测控计算机包括：

参数设定模块，用于设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率；

频率调制模块，用于根据设定的二维空间频率分布图谱和空间分辨率建立空间位置与频率的映射关系，并基于该映射关系进行DMD器件的阵面开关控制，以将激光束调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号；

空间反演模块，用于通过虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱；

速度计算模块，用于基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱进行反卷积滤波分离，得到多普勒展宽效应光谱，并通过多普勒频移公式计算得到待测区域中粒子的速度分布函数。

2.如权利要求1所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述频率调制模块以空间分辨率作为离散条件，对待测区域不同位置处的坐标进行离散得到若干个位置空间离散点，并根据二维空间频率分布图谱建立位置空间到频率空间的单向映射关系，计算得到每个位置空间离散点对应的频率空间离散点，从而建立空间位置与频率的映射关系。

3.如权利要求2所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述空间反演模块以原始光谱数据作为基础分析数据、以频率空间离散点为输入量，采用虚拟锁相检波算法分离出各个频率空间离散点对应的光谱分量，从而得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱。

4.如权利要求1所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述二向色镜具有激光正向通过、荧光反向发射的高光学效率特性，且具有荧光反向通过、激光反向反射的低光学效率特性。

5.如权利要求1所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述第一扩束系统输出的光斑尺寸不超过DMD的阵面尺寸且最大化覆盖DMD阵面区域。

6.如权利要求1所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述第二扩束系统输出的光斑尺寸需最大化覆盖待测区域，且待测区域的边缘不超出激光束。

7.如权利要求1所述的可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统，其特征在于，所述信号采集装置包括：

收束系统，用于将荧光收缩至光纤耦合器匹配的尺寸大小；

光纤耦合器，用于将收缩后的荧光信号耦合入光纤；

极窄带滤波器，用于选择特定波长的信号；

光电倍增管，用于将光信号转换为电流信号；

高宽带放大器，用于对电流信号进行放大处理；

高速A/D转换器，用于将放大后的电流信号转换为数字信号。

8.一种可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量方法，采用如权利要求1～7任一项所述的测量方法，其特征在于，包括以下内容：

采用激光器发射激光；

设定二维空间频率分布图谱和空间分辨率以形成频率-空间映射关系，并基于频率-空间映射关系控制DMD器件的工作状态，以将激光调制成频率与二维空间位置一一对应的激光信号，调制后的激光信号进入流场内部待测区域与不同空间位置处的粒子发生作用并向外辐射荧光；

采集粒子的自发辐射荧光信号，得到原始光谱数据；

采用虚拟锁相检波算法对采集的原始光谱数据进行空间反演，得到不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱；

基于不同空间位置点对应的激光诱导荧光光谱计算得到待测区域中粒子的速度分布。