CN204461710U - 一种激光诱导荧光三维流体探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种激光诱导荧光三维流体探测系统，所述探测系统包括：片状光激光器，透镜组，扫描设备，图像采集设备以及图像处理设备；片状光激光器输出片状激光，利用透镜组对片状激光进行准直和扩束获得片状探测光，利用扫描设备控制所述片状探测光在按照预设的速度，对所述探测区域中包含荧光染料的流体样品进行扫描，扫描的方向与片状探测光入射探测区域的方向垂直，图像采集设备采集所述片状探测光照射流体样品所得的多幅二维荧光图像，对多幅二维荧光图像进行三维重建得到探测区域的三维标量场，实现流体的三维标量场测量。

Description

一种激光诱导荧光三维流体探测系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别是涉及一种激光诱导荧光三维流体探测系统。

背景技术

流体力学是研究流体(包括液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科，流体力学中主要涉及的流场包括标量场和矢量场。常见的标量场包括温度场和浓度场等，常见的矢量场有速度场等。流动测量又是研究流体力学中流场的重要手段。很多重要的流动现象，比如：激波、边界层、壁面猝发以及大涡结构等都是通过流动测量来发现的。对于流动测量，主要包括接触式测量和非接触式测量。与接触式测量相比，非接触式测量不会对原流场产生扰动，是精细流动测量尤其是湍流测量的重要手段。

激光诱导荧光(Laser-Induced Fluorescence，LIF)技术是目前常用的一种非接触式的流动测量技术。激光照射到被探测的流体上，当激光光子的能量等于被探测的流体中某种组分的分子中两个特定能级之间的能量差时，该分子会吸收激光光子的能量跃迁至高能态。跃迁到高能态的分子不稳定，会很快从高能态返回基态。分子从高能态返回基态的过程中，会产生自发辐射释放能量产生荧光。利用图像采集设备记录随被探测的流体一起流动的荧光物质的荧光，可以实现对复杂流场的可视化。LIF主要应用于水体流场的流动测量，当然也可以应用于气体以及等离子体等流场的流动测量。

目前，激光诱导荧光探测主要采用PLIF技术，利用传统线性激光器作为光源，TEM₀₀模式下输出的激光为高斯分布激光，通过半圆柱透镜获得扇形片光源，难以实现高精度三维流动测量。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种激光诱导荧光三维流体探测系统，对片状光激光器输出片状激光扩束和准直后获得所需宽度的片状探 测光，利用扫描设备控制片状探测光对探测区域中的探测样品进行扫描，解决了现有技术中无法实现高精度三维流动测量的问题。

为此，本实用新型解决技术问题的技术方案是：

一种激光诱导荧光三维流体探测系统，所述系统包括：

片状光激光器，透镜组，扫描设备，图像采集设备以及图像处理设备；

所述片状光激光器包括多点式半导体激光器LD bar条，耦合镜以及谐振腔，所述谐振腔中设置有倍频晶体；

所述多点式LD bar条作为所述片状光激光器的泵浦光源，输出片状的泵浦光；所述耦合镜将所述片状的泵浦光耦合至所述谐振腔；所述片状的泵浦光经过所述谐振腔进行放大和倍频后输出片状激光；

所述透镜组对所述片状激光进行扩束和准直后得到片状探测光，将所述片状探测光输出至所述扫描设备；

所述扫描设备将所述片状探测光反射至流动样品探测区域，并且在垂直于所述片状探测光入射至探测区域的方向上，控制所述片状探测光在按照预设的速度对所述探测区域的流动样品进行扫描；

所述图像采集设备采集所述片状探测光照射所述探测区域的流动样品所得的多幅二维荧光图像；

所述图像处理设备对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。

可选的，所述片状光激光器还包括：

整形器件，所述整形器件设置在所述多点式LD bar条以及所述耦合镜之间；

所述整形器件接收所述多点式LD bar条输出的片状的泵浦光，对所述片状的泵浦光进行整形，向所述耦合镜输出光强均匀化的片状泵浦光。

可选的，所述透镜组包括：

多个球面镜组成的第一子透镜组和多个柱面镜组成的第二子透镜组；

所述第一子透镜组对所述片状激光进行5倍扩束；

所述第二子透镜组对所述片状激光的子午方向实现10倍扩束。

可选的，所述扫描设备包括：

三个反射镜，两个运动导轨，与两个运动导轨分别匹配的滑块以及两个驱动电机；

所述第一反射镜和第二反射镜固定安装在所述第一滑块上，所述第一滑块滑动安装在所述第一运动导轨上，所述第一滑块能够在第一驱动电机的驱动下沿所述第一运动导轨滑动；

所述第三反射镜固定安装在所述第二滑块上，所述第二滑块滑动安装在所述第二运动导轨上，所述第二滑块能够在第二驱动电机的驱动下沿所述第二运动导轨滑动；

所述第一反射镜和第二反射镜相互垂直，所述第二反射镜和第三反射镜相互水平，所述第一运动导轨与所述第二运动导轨平行；

片状探测光入射至所述第一反射镜后，所述第一反射镜将所述片状探测光反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述片状探测光反射至所述第三反射镜，所述第三反射镜将所述片状探测光反射至所述探测区域；

在第二驱动电机以及第一驱动电机的驱动下，所述第二滑块和所述第一滑块同步移动，并且所述第一滑块的移动速度是所述第二滑块的1/2，以使得所述片状探测光达到探测区域的光程相同，以便控制所述片状探测光按照预设的速度和方向对所述探测区域的流动样品进行照射。

可选的，所述图像处理设备包括：

计算机，图像存储器，控制器以及电源；

所述计算机用于对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果；

所述图像存储器用于存储多幅所述二维荧光图像；

所述控制器用于控制所述扫描设备与所述图像采集设备实现探测和图像采集同步；

所述电源给所述系统中的设备提供电能。

可选的，所述图像采集系统包括：

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，所述高速相机固定于第三滑块，在探测过程中，所述第三滑块与所述第二滑块以相同速度和方向同步移动，以保障所采集的二维荧光图像景深不变。

可选的，所述片状光激光器输出片状激光的波长包括：

473nm或532nm。

可选的，

所述片状探测光的宽度为0.5m。

通过上述技术方案可知，本实用新型有如下有益效果：

本实用新型实施例提供了一种激光诱导荧光三维流体探测系统及探测方法，所述探测系统包括：片状光激光器，透镜组，扫描设备，图像采集设备以及图像处理设备；所述片状光激光器包括多点式半导体激光器LD bar条，耦合镜以及谐振腔，所述谐振腔中设置倍频晶体；所述多点式LD bar条作为所述片状光激光器的泵浦光源，输出片状的泵浦光；所述耦合镜将所述片状的泵浦光耦合至所述谐振腔；所述片状的泵浦光经过所述谐振腔进行放大和倍频后输出片状激光；所述透镜组对所述片状激光进行扩束和准直后得到片状探测光，将所述片状探测光输出至所述扫描设备；所述扫描设备将所述片状探测光反射至流动样品探测区域，并且在垂直于所述片状探测光入射至探测区域的方向上，控制所述片状探测光在按照预设的速度对所述探测区域的流动样品进行扫描；所述图像采集设备采集所述片状探测光照射所述探测区域的流动样品所得的多幅二维荧光图像；所述图像处理设备对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。片状光激光器输出片状激光，利用透镜组对片状激光进行准直和扩束获得片状探测光，利用扫描设备控制所述片状探测光在按照预设的速度对所述探测区域的流动样品进行扫描，图像采集设备采集多幅所探测的二维荧光图像，对多幅二维荧光图像进行三维重建得到对探测区域中的探测样品流体的三维标量场，实现对流体的三维标量场测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的片状光激光器内部结构示意图；

图3为本实用新型实施例所提供的多点式LD bar条示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种片状光激光器内部结构示意图；

图5为所述多点式LD bar条输出的片状泵浦光在片状光波导整形示意图；

图6为本实用新型实施例提供的片状光激光器结构示意图；

图7为本实用新型实施例所提供的所述透镜组的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的扫描设备的具体结构示意图；

图9为本实用新型实施例扫描设备进行扫描探测时光程补充原理示意图；

图10为本实用新型实施例提供的图像采集设备结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的图像处理设备结构示意图；

图12为本实用新型实施例提供的另一种图像处理设备结构示意图；

图13为本实用新型所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统系统安装成品结构示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供激光诱导荧光三维流体探测系统及探测系统，对片状光激光器输出片状激光扩束和准直后获得片状探测光，利用扫描设备控制片状探测光对探测区域中的探测样品进行扫描，对探测区域中的探测样品的三维探测，实现对三维流体的标量场测量。

下面结合附图对本实用新型具体实施例进行详细说明。

图1为本实用新型实施例所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统结构示意图，包括：

片状光激光器101，透镜组102，扫描设备103，图像采集设备104以及图像处理设备105。

图2为本实用新型实施例提供的片状光激光器内部结构示意图，所述片状光激光器101包括：多点式半导体激光器LD bar条201，耦合镜202以及谐振腔203，所述谐振腔中设置有倍频晶体204。

所述多点式LD bar条201作为所述片状光激光器101的泵浦光源，输出片状的泵浦光；所述耦合镜202将所述片状的泵浦光耦合至所述谐振腔203；所述片状的泵浦光经过所述谐振腔203进行放大和倍频后输出片状激光。

所述片状光激光器采用多点式LD bar条作为光泵浦，所述多点式LD bar条为多个LD bar条以阵列形式均匀排布，每个LD bar条输出一束激光，多点式LD bar条可以同时输出多束激光作为泵浦光。由于每个LD bar条之间的间隔比较小，每个LD bar条输出的激光有一定的发散角，只要设置每两个LD bar条之间的间隔满足公式(1)，保证入射至耦合镜202时每束激光彼此重叠，形成片状泵浦光。

Δx＜0.5Ltgθ                (1)；

其中，Δx为每两个LD bar条之间的间隔，L为多点式LD bar条201距离所述耦合镜202的距离，θ为每个LD bar条输出的激光的发散角。

图3为本实用新型实施例所提供的多点式LD bar条示意图，可以根据实际需要设置多点式LD bar条中LD bar条的个数，多点式LD bar条101中每个LD bar条之间的间隔满足公式(1)，则多点式LD bar条101输出的多束激光入射至所述耦合镜202时，如图3所示，耦合镜202可以接收到具有一定宽度的片状泵浦光。在具体实现时，多点式LD Bar条可以设置19个LD Bar条，可以得到宽度L为10mm，厚度d为50μm的发光尺寸。

如图4所示，在一个具体实施例中，所述片状光激光器101还包括：

整形器件401，所述整形器件401设置在所述多点式LD bar条201以及所述耦合镜202之间；

所述整形器件401接收所述多点式LD bar条输出的片状的泵浦光，对所述片状的泵浦光进行整形，向所述耦合镜输出光强均匀化的片状泵浦光。

传统激光器TEM₀₀模式下输出的高斯分布的激光，通过光学设备扩束后获得扇形片状激光作为光源时，由于存在横向光强高斯分布和纵向光强衰减，导致测量范围小(10cm量级)，精度低，无法实现大范围(50cm量级)、高精度的三维标量场流动测量。

因此，在所述多点式LD bar条201与所述耦合镜202之间设置一个整形器件401，所述整形器件205用于对所述多点式LD bar条201输出的片状泵浦光进行整形。如图3所示，所述多点式LD bar条输出多束激光，每束激光为高斯分布，由中心到边缘光强分布并不均匀，每束激光的中心处光强较强，每束激光的边缘发散处光强较弱，即多点式LD bar条201输出的片状泵浦光各处光强差别较大。为了使片状光激光器101输出均匀的片状泵浦光，采用整形器件401对所述多点式LD bar条201输出的片状泵浦光进行整形，片状泵浦光中的每条光束在所述整形器件401内部多次全发射，所述整形器件输出光强均匀的片状泵浦光。具体实现时，所述整形器件401为片状光波导。图5为所述多点式LD bar条201输出的片状泵浦光在片状光波导整形示意图，多点式LD bar条201输出的片状泵浦光在片状光波导中经过多次全反射整形后，输出均匀的片状泵浦光。

所述耦合镜202，用于将多点式LD bar条输出的片状泵浦光耦合至所述谐振腔203。当然，若所述多点式LD bar条与所述耦合镜202之间设置有整形器件401，则所述耦合镜202用于将所述整形器件401输出的均匀的片状泵浦光耦合至所述谐振腔203。

所述谐振腔203中设置有倍频晶体204，用于对所述片状的泵浦光进行放大和倍频后输出片状激光。谐振腔203有很多种可能的实现结构，图6中给出一种谐振腔203具体的实现结构。图6为本实用新型实施例提供的片状光激光器101结构示意图。图6中，所述片状光激光器包括多点式LD bar条201，整形器件401，耦合镜202以及谐振腔203。所述谐振腔203包括增益介质601，倍频晶体602以及反射镜603。其中，所述增益介质601的左端面作为所述谐振腔203的一个镜面，所述反射镜603作为所述谐振腔203的另一个镜面。耦合镜202输出的均匀片状泵浦光在所述谐振腔203中放大和倍频后输出均匀的片状激光。

本实用新型所提供的片状光激光器101可以输出不同波长的片状激光，只需要按照需要设置的多点式LD bar条输出的波长，设置谐振腔中的增益介质以及倍频晶体，即可得到所需波长的片状激光。

下面给出两种具体的实例：

所述片状光激光器101输出波长为532nm的片状激光，可以用于探测三维流动水体的温度场。其中，多点式LD bar条输出808nm的片状泵浦光，谐振腔203中采用掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体作为增益介质，片状泵浦光在所述Nd:YVO4晶体中产生粒子数反转，得到1064nm的基频光。所述谐振腔203采用条形的周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)作为倍频晶体，所述增益介质Nd:YVO4晶体输出的1062nm的基频光经过MgO:PPLN晶体倍频后，获得绿色的532nm的片状激光。

所述片状光激光器101输出波长为473nm的片状激光，可以用于探测三维流动水体的浓度场。其中，多点式LD bar条输出808nm的片状泵浦光，谐振腔203中采用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体作为增益介质，片状泵浦光在所述Nd:YAG晶体中产生粒子数反转，得到946nm的基频光。所述谐振腔203采用条形的周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)作为倍频晶体，所述增益介质Nd:YAG晶体输出的946nm的基频光经过MgO:PPLN晶体倍频后，获得蓝色的473nm的片状激光。

通过优化片状光激光器101中所述谐振腔203的光学参数，控制所述谐振腔中晶体温度，所述片状光激光器101可以输出功率大于2W，均匀的绿色或蓝色片状激光。所输出的片状激光尺寸为宽度L为10mm，厚度d为0.3mm，发散角为3mrad。

所述透镜组102对所述片状激光进行扩束和准直后得到片状探测光，将所述片状探测光输出至所述扫描设备103。

所述透镜组102包括多个球面镜组成的第一子透镜组和多个柱面镜组成的第二子透镜组；

所述第一子透镜组对所述片状激光进行5倍扩束；

所述第二子透镜组对所述片状激光的子午方向实现10倍扩束。

图7为本实用新型实施例所提供的一种所述透镜组102可能实现的结构示意图，所述透镜组102包括三个球面镜701、702和703组成的第一子透镜组和三个柱面镜704、705和706组成的第二子透镜组。

所述透镜组102在子午方向和弧矢方向扩束比有很大差异，所述透镜组102扩束光路如图7所示。所述透镜组102采用二级扩束，三个球面镜组成的第一子透镜组作为一级扩束透镜组，实现5倍扩束；三个柱面镜组成的第二子透镜组作为二级扩束透镜组，实现10倍扩束。第二子透镜组仅对所述片状激光在子午方向上实现10倍扩束。实现扩束和准直后所得的片状探测光子午方向尺寸为1.1mm，光束发散角为0.8mrad；弧矢方向尺寸为500mm，发射角小于1mrad。其中，所述子午方向指的是片状探测光的厚度d，所述弧矢方向指的是片状探测光的宽度L。

在所述透镜组102的准直设计中，大口径准直光束的均匀性是主要的设计难点。在优化光束均匀性的过程中，把镜头的残余畸变优化成桶形畸变，可有效消除镜头边缘光线的不均匀性，保证照度均匀性大于90％。图8为采用透镜组对532nm波长片状激光准直后的均匀性仿真效果图；图9为采用透镜组对473nm波长片状激光准直后的均匀性仿真效果图。

由于所述透镜组102的扩束和准直的设计采用双远心光路，所以对测量目标位置不敏感，像方远心光路中严格校正不同视场主光线的不平行度，可以达到很好的设计效果。

所述扫描设备103将所述片状探测光反射至流动样品探测区域，并且在垂直于所述片状探测光入射至探测区域的方向上，控制所述片状探测光在按照预设的速度对所述探测区域的流动样品进行扫描。

所述扫描设备103用于实现三维探测，所述扫描设备103控制所述片状探测光在垂直于所述片状探测光所在的平面上按照预设的速度进行扫描。由于片状探测光的厚度很薄，与宽度相比很小，可以将片状探测光近似看作二维的探测光。当片状探测光在垂直于片状探测光所在的平面按照预设的速度进行扫描时，可以实现对探测区域中的探测样品进行三维探测。

所示扫描设备103可以包括一个驱动电机，一个运动导轨，一个与所述运动导轨匹配的滑块，在所述滑块上设置一个反射镜。所述透镜组102输出 的片状探测光入射到所述滑块的反射镜上，所述反射镜将所述片状探测光反射至探测区域。所述驱动电机控制所述滑块在所述运动导轨上按照预设的速度移动，所述滑块移动的方向与所述片状探测光所在的平面垂直。所述反射镜随着滑块按照预设的速度移动，改变反射镜将片状探测光反射至探测区域的位置，从而实现对探测区域的三维扫描。由于片状光激光器与所述透镜组位置固定，不宜设置在高速运动的运动导轨上，因此，当驱动电机驱动滑块使得所述反射镜的位置改变时，所述反射镜反射至探测区域的片状探测光的光程彼此不同，片状探测探测光的光程不同，会影响片状探测光的光强，会影响探测结果的精确性。

为了避免扫描探测的过程中由于片状探测光的光程不同给探测结果带来的影响，本实用新型实施例提供了另一种扫描设备。图8为本实用新型实施例提供的一种扫描设备的具体结构示意图，所示扫描设备103包括：

三个反射镜801、802和803，两个运动导轨804和805，与两个运动导轨分别匹配的滑块806和807以及两个驱动电机808和809。

所述第一反射镜801和第二反射镜802固定安装在所述第一滑块806上，所述第一滑块806滑动安装在所述第一运动导轨804上，所述第一滑块806能够在第一驱动电机808的驱动下沿所述第一运动导轨804滑动。

第一滑块806沿所述第一运动导轨804滑动时，第一反射镜801和第二反射镜802也随着第一滑块806的滑动而移动。

所述第三反射镜803固定安装在所述第二滑块805上，所述第二滑块805滑动安装在所述第二运动导轨807上，所述第二滑块807能够在第二驱动电机809的驱动下沿所述第二运动导轨805滑动。

第二滑块807沿所述第二运动导轨805滑动时，第三反射镜803也随着第二滑块807的滑动而移动。第二滑块807滑动的方向垂直与所述第三反射镜反射的片状探测光所在的平面，实现片状探测光对探测区域的三维扫描。

所述第一反射镜801和第二反射镜802相互垂直，所述第二反射镜802和第三反射镜803相互水平，所述第一运动导轨804与所述第二运动导轨平行805。

片状探测光入射至所述第一反射镜801后，所述第一反射镜801将所述片状探测光反射至所述第二反射镜802，所述第二反射镜802将所述片状探测光反射至所述第三反射镜803，所述第三反射镜803将所述片状探测光反射至所述探测区域。

在第二驱动电机809以及第一驱动电机808的驱动下，所述第二滑块和所述第一滑块同步移动，并且所述第一滑块的移动速度是所述第二滑块的1/2，以使得所述片状探测光达到探测区域的光程相同，以便控制所述片状探测光按照预设的速度和方向对所述探测区域的流动样品进行照射。

在扫描设备103中，第一驱动电机808驱动第一滑块806在第一运动导轨804移动L/2，相应的在第一运动导轨804上的第一反射镜801和第二反射镜802相对于原位置移动L/2。第二驱动电机809驱动第二滑块807在第二运动导轨805在同一个方向上移动L，相应的在第二运动导轨上的第三反射镜803相对于原位置移动L，即片状探测光扫描过探测区域的长度为L。采用第一驱动电机808驱动第一滑块806在第一运动导轨804移动L/2为的是扫描不同位置时，片状探测光的光程不同影响探测结果。采用图8所示的扫描设备103进行扫描探测时光程补偿原理如图9所示。

其中，所述第一驱动电机808和所述第二驱动电机809为U型直线电机。

所述图像采集设备104采集所述片状探测光照射所述探测区域的流动样品所得的多幅二维荧光图像。

图10为本实用新型实施例所提供的图像采集设备结构示意图，所述图像采集设备104包括：高速相机1001，第三运动导轨1002，与所述第三运动导轨匹配的第三滑块1003，第三驱动电机1004。所述高速相机1001固定安装在所述第三滑块1003上，所述第三滑块1003在所述第三驱动电机1004的驱动下，沿着所述第三运动导轨1002滑动。在探测过程中，所述第三滑块与所述第二滑块以相同速度和方向同步移动，以保障所采集的二维荧光图像景深不变。所述高速相机1001可以是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。并且，所述高速相机1001的高度可调。其中，所述第三驱动电机也为U型直线电机。所述图像采集设备104用于高速采集所述片状探测光照射所述探测区域的流动样品所得的多幅二维荧光图像。图像 采集设备104采集片状探测光照射探测区域的不同位置时所产生的二维荧光图像。将多幅片状探测光照射不同位置所得的二维荧光图像进行三维重构，即可得到探测区域三维流场的探测结果，实现对三维流场的浓度场和温度场的探测。

所述图像处理设备105对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。

如图11所示，所述图像处理设备包括：计算机1101，图像存储器1102，控制器1103以及电源1104。

所述计算机1101用于对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。

计算机主要实现对多幅二维荧光图像进行三维重建，图像三维重建的方法有很多，这里不作限制，可以采用任意一种图像三维重建的方法实现。

所述图像存储器1102用于存储多幅所述二维荧光图像。

图像存储器1102，存储多幅二维荧光图像，当多幅二维荧光图像所占用的存储空间较小时，所述图像存储器1102可以为计算机中的存储空间；当多幅二维荧光图像所占用的存储空间很大时，所述图像存储器1102可以采用硬盘等单独的存储设备。

所述控制器1103用于控制所述扫描设备与所述图像采集设备实现探测和图像采集同步。

所述控制器1103用于给所述扫描设备103中的第一驱动电机808和第二驱动电机809，以及所述图像采集设备104中的第三驱动电机1004发送控制信号，控制扫描设备103和图像采集设备104中的片状探测光探测和图像采集同步。控制器1103向第一驱动电机808发送控制信号，控制第一滑块806在第一运动导轨804上滑动，控制器1103向第二驱动电机809发送控制信号，控制第二滑块807在第二运动导轨805上滑动，从而控制片状探测光在垂直于所述片状探测光照射探测区域的方向上移动，同时，控制器1103向第三驱动电机1004发送控制信号，控制第三滑块1003在第二运动导轨1002上滑动，控制高速相机1001移动，保证高速相机1001采集探测区域不同位置上的二 维荧光图像时，高速相机1001与片状探测光照射的探测区域的位置之间的相对距离不变。

所述电源1104给所述系统中的设备提供电能。

在一个实施例中，所述系统还包括一个机柜1201，如图12所示，所述机柜1201用于放置计算机、图像存储器、控制器以及电源等设备。

图13为本实用新型所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统系统安装成品结构示意图，图13只是给出所述激光诱导荧光三维流体探测系统中所有设备其中一种组装方式，还可以采用其他的组装方式，尽量节省空间。

图13所示的激光诱导荧光三维流体探测系统中主要包括：片状光激光器1301，折返镜1302，第三反射镜1303，第一运动导轨1304，第二运动导轨1305，第三运动导轨1306，高速相机1307，探测区域1308，光源及其扫描平台放置区1309，计算机1101，图像存储器1102，控制器1103以及电源1104。

利用本实用新型实施例所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统探测探测区域的流动样品，具体执行以下步骤：

步骤1：片状光激光器输出片状激光，并将所述片状激光输出至透镜组。

步骤2：所述透镜组对所述片状激光进行扩束和准直后得到片状探测光，将所述片状探测管输出至扫描设备。

步骤3：所述扫描设备将所述片状探测光反射至探测区域，并控制所述片状探测光按照预设的速度和方向对所述探测区域的流动样品进行照射。

步骤4：所述图像采集设备与扫描设备同步移动，并采集片状探测光照射流动样品所得的多幅二维荧光图像。

步骤5：所述图像处理设备对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。

本实用新型所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统主要用于探测流动水体的浓度场和温度场。

本实用新型所提供的激光诱导荧光三维流体探测系统和方法，对流动水体的探测有如下重要意义：

战略性：符合国家能源开发、水资源利用和水污染防治的重大战略需求。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年，以下简称纲要)将“能源、水和矿产资源、环境”作为未来国家科技三个重点领域，把“水资源优化配置与综合开发利用”、“综合治污与废弃物循环利用”、“海洋生态与环境保护”作为三个优先领域。其中，“水资源优化配置与综合开发利用”优先领域，重点研究开发大气水、地表水、土壤水和地下水的转化机制和优化配置技术，污水、雨洪资源化利用技术，人工增雨技术，长江、黄河等重大江河综合治理及南水北调等跨流域重大水利工程治理开发的关键技术等。“水体污染控制与治理”列入国家16个重大科技专项之一。面向国家重大战略需求的基础研究列入了“能源可持续发展中的关键科学问题”和“航空航天重大力学问题”。以上这些领域，都是本项目设备的“用武之地”。

实用性：在能源领域，如三峡工程建设中，高速水流、消能防冲是大坝设计的关键技术问题。在所有火电和核电站设计中，冷却水的排放关系到电站选址，也关系到对环境的影响。在这些重大工程的设计中，常常需要开展物理模型试验确定有关设计参数，流动显示测量和温度场通常采取传统的点测量或接触式测量，非接触式的3DLIF技术有广泛的应用前景。通过跨学科攻关，改进片光源系统，克服传统PLIF技术主要应用空间小尺度范围科研需求的瓶颈，在解决大尺度范围的生产实际问题方面取得突破性进展。在水污染防治领域，污染排放的模拟测量是制定污染排放技术标准的关键和难点。3DLIF技术测量三维浓度场，能够解决污染排放中实验室模拟和测量这一技术难题。

迫切性：符合研制具有自主知识产权的高端流体测量设备的重大决策。我国在流体测量设备的研制方面，一直处于比较落后的地位。除了一些小型流体测量设备外，中、高端的流体测量设备主要都由国外大公司垄断。很多科研机构，在具体科研生产中，也开展一些满足科研生产需求的设备研发，但往往处于原理样机和局部改进的研制阶段，没有转化为具有自主知识产权的、完整的流体测量设备生产能力。很多重要的基础研究(如湍流和燃烧过程)和重大工程(如水电工程和航空航天工程)，都需要开展大量的实验室 模拟实验和测量，优化过程设计。因此，迫切需要研发具有完全自主知识产权的高端成像测量设备，提高我国自主创新能力。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光诱导荧光三维流体探测系统，其特征在于，所述系统包括：

片状光激光器，透镜组，扫描设备，图像采集设备以及图像处理设备；

所述片状光激光器包括多点式半导体激光器LD bar条，耦合镜以及谐振腔，所述谐振腔中设置有倍频晶体；

所述多点式LD bar条作为所述片状光激光器的泵浦光源，输出片状的泵浦光；所述耦合镜将所述片状的泵浦光耦合至所述谐振腔；所述片状的泵浦光经过所述谐振腔进行放大和倍频后输出片状激光；

所述透镜组对所述片状激光进行扩束和准直后得到片状探测光，将所述片状探测光输出至所述扫描设备；

所述扫描设备将所述片状探测光反射至流动样品探测区域，并且在垂直于所述片状探测光入射至探测区域的方向上，控制所述片状探测光在按照预设的速度对所述探测区域的流动样品进行扫描；

所述图像采集设备采集所述片状探测光照射所述探测区域的流动样品所得的多幅二维荧光图像；

所述图像处理设备对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述片状光激光器还包括：

整形器件，所述整形器件设置在所述多点式LD bar条以及所述耦合镜之间；

所述整形器件接收所述多点式LD bar条输出的片状的泵浦光，对所述片状的泵浦光进行整形，向所述耦合镜输出光强均匀化的片状泵浦光。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜组包括：

多个球面镜组成的第一子透镜组和多个柱面镜组成的第二子透镜组；

所述第一子透镜组对所述片状激光进行5倍扩束；

所述第二子透镜组对所述片状激光的子午方向实现10倍扩束。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描设备包括：

三个反射镜，两个运动导轨，与两个运动导轨分别匹配的滑块以及两个驱动电机；

所述第一反射镜和第二反射镜固定安装在所述第一滑块上，所述第一滑块滑动安装在所述第一运动导轨上，所述第一滑块能够在第一驱动电机的驱动下沿所述第一运动导轨滑动；

所述第三反射镜固定安装在所述第二滑块上，所述第二滑块滑动安装在所述第二运动导轨上，所述第二滑块能够在第二驱动电机的驱动下沿所述第二运动导轨滑动；

所述第一反射镜和第二反射镜相互垂直，所述第二反射镜和第三反射镜相互水平，所述第一运动导轨与所述第二运动导轨平行；

片状探测光入射至所述第一反射镜后，所述第一反射镜将所述片状探测光反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述片状探测光反射至所述第三反射镜，所述第三反射镜将所述片状探测光反射至所述探测区域；

在第二驱动电机以及第一驱动电机的驱动下，所述第二滑块和所述第一滑块同步移动，并且所述第一滑块的移动速度是所述第二滑块的1/2，以使得所述片状探测光达到探测区域的光程相同，以便控制所述片状探测光按照预设的速度和方向对所述探测区域的流动样品进行照射。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理设备包括：

计算机，图像存储器，控制器以及电源；

所述计算机用于对多幅所述二维荧光图像进行三维重建获得所述探测区域的流动样品的三维探测结果；

所述图像存储器用于存储多幅所述二维荧光图像；

所述控制器用于控制所述扫描设备与所述图像采集设备实现探测和图像采集同步；

所述电源给所述系统中的设备提供电能。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的系统，其特征在于，所述图像采集系统包括：

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，所述高速相机固定于第三滑块，保持所采集的二维荧光图像景深不变以获得清晰图像。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的系统，其特征在于，所述片状光激光器输出片状激光的波长包括：

473nm或532nm。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的系统，其特征在于，

所述片状探测光的宽度为0.5m。