CN117664385A - 基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，涉及非接触式三维火焰温度测量技术。包括：首先单波长的单脉冲激光整形成为柱状平行体激光覆盖待测燃烧区域，诱导燃烧过程的特定组分辐射出荧光；其次采用数台相机在不同角度采集两个波段内的荧光信号，两个波段对应特定组分的两个振动带；然后基于相机采集图像采用计算机层析重建算法分别重建两个波段的三维荧光信号强度场；最终，通过热辅助激光诱导荧光技术以两波段三维荧光信号强度场反演出三维温度场。该方法可以得到待测燃烧区域空间内具有一定时间分辨率的三维温度场，该方法具有非接触、迁移性高、时空高精度、灵敏度高、集成度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及非接触式三维温度场测量领域，特别是一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法。
背景技术
燃烧的温度测量对于研究燃烧过程与机理有重要意义，对于实现低污染、低能耗具有重要意义。传统的实验测量方法为接触式物理探针法，如热电偶测温、热线风速仪测速。物理探针法直接将探测器侵入燃烧流场中，会造成流场、传热、催化、淬灭等干扰。
近年来，随着光学测量设备的发展，一些非接触式测量方法如激光诊断测量等被用来对火焰结构进行测量。激光诊断测量技术对燃烧流场影响较小，测量系统通过使用高频激光器和高速相机可以实现对流场的高时帧测量。此外，激光诊断测量、层析成像测量等非接触测量技术由于测点位置选取较为灵活，可以在相对复杂工况下对燃烧流场实现点、线、面、体的测量，从而得到燃烧流场更准确、更全面的信息。实际燃烧流场具有三维、湍流、非稳态等燃烧特性，这决定了仅仅使用传统的二维测量的手段对实际的燃烧流场仍然无法获得足够的信息，因此需要采用三维的测量手段，但是现在大多数的光学测量手段只能通过扫描设备进行伪瞬时三维测量，只有部分的光学非接触式测温技术实现了真正的瞬时三维成像，其中包括体积激光诱导荧光技术，它具有极高的时空分辨率和较好的信噪比。体积激光诱导荧光技术实现测量三维温度场已有的方案采用了双线法，需要至少两台可调谐的激光器，且两台激光器还存在时序同步控制的问题；热力辅助荧光法只需要一台可调谐的激光器，在空间集成度和操作简便性上更具优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，包括以下步骤：
1)采用体激光激发待测燃烧区域的特定组分，采用多个相机多个角度同步采集特定组分被激发所辐射出的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号；
2)通过计算机层析重建算法分别根据第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号重建出第一波段的三维荧光信号强度场和第二波段的三维荧光信号强度场；
3)计算第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场的比值，得到三维比值场；
4)采用热辅助激光诱导荧光技术模拟得到特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，建立第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值与对应的温度之间的映射关系；
5)根据三维比值场和映射关系计算得到三维温度场。
作为优选，特定组分包括羟基，第一波段和第二波段分别对应羟基中的A-X(1,0)振动带和A-X(0,0)振动带。
作为优选，体激光采用单波长单脉冲单波长的矩形平行柱状光激光，并以A-X(0,0)振动带中Q1(5)转动分支的能量差选择对应的激光波长，激光脉冲能量需要大于10mJ。
作为优选，多个相机的镜头中心对准同一竖向轴线，多个相机分为两组，并分布在至少八个位置角度，并通过标定板进行位置角度的标定，其中一组相机采集第一波段的荧光信号，另一组相机采集第二波段的荧光信号。
作为优选，其中一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°，另一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°。
作为优选，第一波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第一波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，第一波段的荧光信号的总荧光强度为第一波段内的各个波长的荧光强度之和；第二波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第二波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，第二波段的荧光信号的总荧光强度为第二波段内的各个波长的荧光强度之和。
作为优选，步骤3具体包括：
将第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场中的位置一一对应，并求同一位置下的第一波段的荧光信号的总荧光强度与第二波段的荧光信号的总荧光强度的比值，得到待测燃烧区域的三维比值场。
作为优选，根据热辅助激光诱导荧光技术模拟出的特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的荧光光谱确定特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，将第一波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到第一波段的荧光信号的总荧光强度；将第二波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到第二波段的荧光信号的总荧光强度。
作为优选，映射关系采用下式表示：
T＝2.3×104×(I1,0/I0,0+0.046)；
其中，I1,0/I0,0表示第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值，I1,0表示第一波段的荧光信号的总荧光强度，I0,0表示第二波段的荧光信号的总荧光强度。
作为优选，步骤5具体包括：
将三维比值场中每个位置的第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值代入映射关系中，求出每个位置的温度，最终得到三维温度场。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明仅使用一台激光器的单一激励光波长和多台荧光采集相机，便可实现火焰三维温度场的测量与重建。
(2)本发明采用体激光诱导燃烧过程的特定组分辐射出荧光信号，采用计算机层析重建算法分别重建两个波段的三维荧光信号强度场，通过热辅助激光诱导荧光技术模拟得到特定组分的第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值与对应的温度之间的映射关系，以两个波段的三维荧光信号强度场反演出待测区域空间内具有一定时间分辨率的三维温度场。
(3)本发明结合了体激光诱导荧光的非接触、高时空精度、高灵敏度的特点，同时具有热力辅助荧光技术的高集成度的特点，更加适应工程与科学研究中更加先进的要求，具有宽广的应用前景。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。
图1为本申请的实施例的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法的流程示意图；
图2为本申请的实施例的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法的针对射流火焰的测量平台示意图；
图3为本申请的实施例的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法的计算机层析重建的两波段荧光信号强度场到三维温度场的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1，本发明的实施例中提出了一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，包括以下步骤：
S1，采用体激光激发待测燃烧区域的特定组分，采用多个相机多个角度同步采集特定组分被激发所辐射出的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号。
在具体的实施例中，特定组分包括羟基，第一波段和第二波段分别对应羟基中的A-X(1,0)振动带和A-X(0,0)振动带。
在具体的实施例中，体激光采用单波长单脉冲单波长的矩形平行柱状光激光，并以A-X(0,0)振动带中Q1(5)转动分支的能量差选择对应的激光波长，激光脉冲能量需要大于10mJ。
在具体的实施例中，多个相机的镜头中心对准同一竖向轴线，多个相机分为两组，并分布在至少八个位置角度，并通过标定板进行位置角度的标定，其中一组相机采集第一波段的荧光信号，另一组相机采集第二波段的荧光信号。具体的，其中一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°，另一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°。
具体的，首先采用单波长单脉冲的体激光激发待测燃烧区域的特定组分，让该组分由低能级跃迁到高能级并辐射出荧光；其次采用多个相机多角度同步采集荧光信号，相机被分为两组，镜头前采用不同滤光片，单台相机就只收集两个波段中的一个波段的荧光信号。两种波段滤光片的中心波长分别在OH A-X(0,0)振动带和OH A-X(1,0)振动带内，半高脉宽在5-15nm之间。激光通过一个平凸透镜、两个平凹柱面镜将点状光斑扩散成为矩形柱状光，激光沿光轴切面为长与宽均不超过100mm的矩形，且其激光能量密度需要使该特定组分辐射出强度远远大于环境背景噪声的荧光。
也就是说，采用体激光诱导燃烧区域辐射出三维荧光信号发光场，以单波长的矩形平行柱状激光激发待测燃烧区域的特定组分，激光波长需要让该特定组分由低能级跃迁到高能级且激光能量密度能够使该特定组分辐射出强度远远大于环境背景噪声的荧光。通过一个平凸透镜、两个平凹柱面镜将激光的点状光斑扩散成矩形平行柱状光，根据待测燃烧室出口流场压力、温度、几何尺寸、采集荧光信号波段和激光波段，选定对应的柱状激光的通光口和荧光信号观察窗。通光口的几何尺寸应该不遮挡入射的单波长的矩形平行柱状激光，从而使得激光完整进入燃烧区域的同时不损失过多的能量；荧光信号观察窗开口也应尽量大，确保燃烧区域的荧光信号可以在更多角度被拍摄。
多台相机在不同角度收集三维荧光信号发光场的二维投影，根据荧光信号观察窗位置与尺寸，在燃烧室周围布置多台荧光收集相机，这些相机的镜头中心应该对准同一个竖直轴线。这些相机分别配置两个不同波段的滤光镜采集不同波段的荧光信号，这通过镜头前不同的带通滤光片实现。相机间夹角尽量大，且相同波段的相机不能围绕竖直轴线中心对称排布，以防止重复的视角，多个相机需要拍摄标定板进行位置角度的标定。
进一步的，为了后续结合计算机层析重建算法重建两个振动带的三维荧光信号强度场，使得重建精度较高，所有相机的视角中心需要在同一点上，为了避免重复，相同波段的视角不能中心对称，且不同视角间的角度越大精度越高，为了重建分辨率足够高，两个波段应该各有四个或四个以上视角，一共需要八个或八个以上视角，不同视角对应的是相机放置的不同的位置角度。
具体的，可使用一台染料激光器激发流场中广泛分布的羟基自由基，通过设定波长为308.520nm让羟基以A-X(0,0)Q1(5)转动分支被激励到高电子能级的特定转动能级，进而通过微观粒子的热运动，羟基会自动分布高电子能级转动能级的附近振动与转动能级，然后高电子能级的羟基弛豫回到基态，从而在燃烧区域内中辐射出宽带的荧光信号。通过沿着光轴垂直地依次摆放两个焦距分别为-75mm和-100mm的平凹柱面透镜以及一个焦距为500mm的平凸球面透镜将激光的点状光斑发散调整为截面为长40mm宽30mm的柱状平行光。同时使用8台相机从多角度拍摄辐射出的荧光信号，相机分两组，每组四台相机，第一组相机使用中心波长310nm、半高脉宽10nm的带通滤光片，第二组相机使用中心波长285nm、半高脉宽10nm的带通滤光片，分别对应A-X(0,0)以及A-X(1,0)两个不同波段。
在其中一个实施例中，参考图2，固体Nd:YAG激光器1发出532nm的激光并泵浦染料激光器2发出激光，波长大致为308.520nm，这通过对OH A-X(0,0)Q1(5)跃迁能量差的估算得出；经过一个激光反射镜3偏转90度，然后经过两个垂直光轴且互呈直角的平凹柱面透镜(透镜一4、透镜二5)后，激光光斑在垂直光轴平面上的两个正交方向扩展，再经过平凸球面透镜6汇聚，就可以调整激光形状为柱状平行光——激光光斑为沿光轴大小不变的矩形，该矩形需要大于待测区域，柱状激光最后经过一个激光反射镜7偏转90度入射射流火焰8燃烧区域；这一波长的激光可以泵浦羟基跃迁到高电子能级，羟基弛豫回到基态就将辐射出荧光，荧光信号用8台带有像增强器和紫外镜头的CMOS或CCD相机捕获，包括相机一9、相机二10、相机三11、相机四12、相机五13、相机六14、相机七15、相机八16；相机分成两组，每组4台相机，各组镜头前配置不同荧光波段的带通滤光片，也就是其中一组相机(相机一9、相机二10、相机三11、相机四12)在紫外镜头前配备中心波长在A-X(0,0)附近的带通滤光片，另一组相机(相机五13、相机六14、相机七15、相机八16)则配备中心波长在A-X(1,0)附近的带通滤光片。该装置也可以将射流火焰8更换为其他封闭或开放的燃烧器，以实现对其他燃烧场的匹配。
在采集荧光信号时，相机的曝光时间应该是激光脉冲时间的2倍以上，单波长激光把基态组分激发到高电子能级后，需要比较充足的时间进行碰撞，从而发生振动能级转移与转动能级转移，然后辐射出多波段的荧光信号从而被相机采集。
S2，通过计算机层析重建算法分别根据第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号重建出第一波段的三维荧光信号强度场和第二波段的三维荧光信号强度场。
在具体的实施例中，第一波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第一波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，第一波段的荧光信号的总荧光强度为第一波段内的各个波长的荧光强度之和；第二波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第二波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，第二波段的荧光信号的总荧光强度为第二波段内的各个波长的荧光强度之和。
具体的，采用计算机层析重建算法重建三维荧光信号发光场，通过不同角度的两个波段荧光信号二维投影迭代分别重建出两个波段的三维荧光信号强度场，并把两个三维荧光信号强度场的位置一一对应，求其总荧光强度的比值，获得燃烧区域的三维比值场。计算机层析重建算法为现有的算法，具体内容在此不再赘述。针对每个位置角度采集到的某一波段的荧光信号，对该波段内的每个波长的荧光信号的强度进行叠加，以获得总荧光强度。与不同的位置角度相对应，两个波段的荧光信号则对应可获得两组三维荧光信号强度场。
S3，计算第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场的比值，得到三维比值场。
在具体的实施例中，步骤S3具体包括：
将第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场中的位置一一对应，并求同一位置下的第一波段的荧光信号的总荧光强度与第二波段的荧光信号的总荧光强度的比值，得到待测燃烧区域的三维比值场。
具体的，逐点计算两波段总荧光强度之比，即计算相应位置角度的第一波段的荧光信号的总荧光强度与第二波段的荧光信号的总荧光强度之比。如图3所示，采用计算机层析重建算法分别重建两波段的三维荧光信号强度场，得到两个三维荧光信号强度场，把相同位置的总荧光强度作比，求出三维比值场。
S4，采用热辅助激光诱导荧光技术模拟得到特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，建立第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值与对应的温度之间的映射关系。
在具体的实施例中，根据热辅助激光诱导荧光技术模拟出的特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的荧光光谱确定特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，将第一波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到第一波段的荧光信号的总荧光强度；将第二波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到第二波段的荧光信号的总荧光强度。
在具体的实施例中，映射关系采用下式表示：
T＝2.3×104×(I1,0/I0,0+0.046)；
其中，I1,0/I0,0表示第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值，I1,0表示第一波段的荧光信号的总荧光强度，I0,0表示第二波段的荧光信号的总荧光强度。
利用热辅助激光诱导荧光技术能够通过三维空间同一位置的两个波段荧光强度值比计算出该位置的温度。具体的，利用热辅助激光诱导荧光技术模拟出不同温度的荧光光谱，在荧光光谱中获取两个波段的荧光信号，将两个波段的荧光信号的强度曲线叠加得到两个波段的荧光信号的总荧光强度，然后求两个波段的荧光信号的总荧光强度的比值，获得该比值与温度之间的映射关系，并用直线拟合该映射关系。
S5，根据三维比值场和映射关系计算得到三维温度场。
在具体的实施例中，步骤S5具体包括：
将三维比值场中每个位置的第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值代入映射关系中，求出每个位置的温度，最终得到三维温度场。
具体的，采用热辅助激光诱导荧光技术模拟出的荧光光谱建立两个波段的荧光信号的总荧光强度的比值与温度的映射关系，从而通过燃烧区域中每一点两个波段的荧光信号的总荧光强度的比值求出每一点温度，最后得到三维温度场。也就是说，逐点计算两个波段的荧光信号的总荧光强度之比，再利用两个波段的荧光信号的总荧光强度的比值与温度的映射关系逐点算出温度，从而获取燃烧区域的三维温度场。根据两个波段的荧光信号的总荧光强度的比值与温度的映射关系为：T＝2.3×104×(I1,0/I0,0+0.046)，因此可通过三维荧光信号强度场反演出三维温度场。实际上拍摄的荧光图像是多个时刻的，则计算机重建的两个波段的三维荧光信号强度场应该是多个时刻的，那么反演的三维温度场也有相同的时刻数，与拍摄的二维图片具有相同的时间分辨率。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用体激光激发待测燃烧区域的特定组分，采用多个相机多个角度同步采集所述特定组分被激发所辐射出的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号；
2)通过计算机层析重建算法分别根据所述第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号重建出第一波段的三维荧光信号强度场和第二波段的三维荧光信号强度场；
3)计算所述第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场的比值，得到三维比值场；
4)采用热辅助激光诱导荧光技术模拟得到所述特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，建立所述第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值与对应的温度之间的映射关系；
5)根据所述三维比值场和映射关系计算得到三维温度场。
2.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述特定组分包括羟基，所述第一波段和第二波段分别对应羟基中的A-X(1,0)振动带和A-X(0,0)振动带。
3.根据权利要求2所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述体激光采用单波长单脉冲单波长的矩形平行柱状光激光，并以A-X(0,0)振动带中Q1(5)转动分支的能量差选择对应的激光波长，激光脉冲能量需要大于10mJ。
4.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述多个相机的镜头中心对准同一竖向轴线，所述多个相机分为两组，并分布在至少八个位置角度，并通过标定板进行位置角度的标定，其中一组相机采集所述第一波段的荧光信号，另一组相机采集所述第二波段的荧光信号。
5.根据权利要求4所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述其中一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°，所述另一组相机中的若干个相机为非中心对称分布，且任意两相机夹角或其补角需要大于5°。
6.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述第一波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第一波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，所述第一波段的荧光信号的总荧光强度为第一波段内的各个波长的荧光强度之和；所述第二波段的三维荧光信号强度场为不同位置角度下采集到的第二波段的荧光信号经过计算机重建所得的总荧光强度场，所述第二波段的荧光信号的总荧光强度为第二波段内的各个波长的荧光强度之和。
7.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
将所述第一波段的三维荧光信号强度场与第二波段的三维荧光信号强度场中的位置一一对应，并求同一位置下的第一波段的荧光信号的总荧光强度与第二波段的荧光信号的总荧光强度的比值，得到所述待测燃烧区域的三维比值场。
8.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，根据热辅助激光诱导荧光技术模拟出的所述特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的荧光光谱确定所述特定组分在三维空间同一位置及已知的不同温度下所产生的第一波段的荧光信号和第二波段的荧光信号，将第一波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到所述第一波段的荧光信号的总荧光强度；将第二波段内各个波长的荧光信号的强度曲线叠加得到所述第二波段的荧光信号的总荧光强度。
9.根据权利要求1所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述映射关系采用下式表示：
T＝2.3×104×(I1,0/I0,0+0.046)；
其中，I1,0/I0,0表示所述第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值，I1,0表示所述第一波段的荧光信号的总荧光强度，I0,0表示所述第二波段的荧光信号的总荧光强度。
10.根据权利要求9所述的基于热力辅助荧光技术的燃烧三维温度场测量方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
将所述三维比值场中每个位置的所述第一波段的荧光信号的总荧光强度和第二波段的荧光信号的总荧光强度之间的比值代入所述映射关系中，求出每个位置的温度，最终得到所述三维温度场。
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