CN212111024U - 发动机尾喷流颗粒物参数监测装置 - Google Patents

Abstract

根据本实用新型的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，通过同时测量高速尾喷流颗粒散射光与辐射光，建立发动机尾喷流颗粒物粒径、浓度、组分等参数分析与来源识别，以及与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数算法，同步监测尾喷流颗粒物粒径、浓度、组分等参数与来源，以及辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，同时快速触发三维图像测量捕获颗粒三维图像，进一步确定颗粒三维大小、表面形态，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。发动机尾喷流颗粒物参数监测装置包括激光光源部、光接收探测部、颗粒三维成像部、颗粒物监测处理部。颗粒物监测处理部处理、保存与显示发动机尾喷流颗粒物参数。

Description

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置

技术领域

本实用新型属于航空航天技术领域，涉及一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置。

背景技术

航空发动机、火箭发动机、冲压发动机及新型发动机等航空航天发动机排气尾喷流通常是以超声速排出喷管的燃烧产物，其在喷管出口处会进一步扩散、膨胀，形成发光发热的流场。

发动机是航空航天飞行器的心脏，技术复杂，且可靠性要求极高。不仅要在高温、大应力等苛刻条件下工作，还需要经常变换工况，因此，发动机安全监控是发动机试验与运行的重要内容之一。发动机在地面试验和飞行过程中，由于高温、高压、强振动等恶劣的工作条件和疲劳、蠕变、材料老化等因素的影响，涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免地产生损伤，颗粒物进入尾喷流能在高温下发射出足够强的紫外及可见发射光谱，表现出“火星”特征，这给发动机工作状态的评估和实时检测与诊断提供了一种技术途径。发动机尾喷流颗粒物参数监测可以为发动机工作状态安全评估提供重要支撑，而目前尚无有效的发动机尾喷流颗粒物参数监测手段。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，通过同时测量高速尾喷流颗粒散射光与辐射光，建立发动机尾喷流颗粒物粒径、浓度、组分等参数分析与来源识别，以及与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数算法，同步监测尾喷流颗粒物粒径、浓度、组分等参数与来源，以及辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，同时快速触发三维图像测量捕获颗粒三维图像，进一步确定颗粒三维大小、表面形态，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

本实用新型提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，具有这样的特征，包括激光光源部，位于发动机尾喷流一侧，用于产生不同波长的入射激光；光接收探测部，位于发动机尾喷流另一侧，用于接收辐射光或散射光，转换为电信号，并发出颗粒监测触发信号；颗粒三维成像部，接收颗粒监测触发信号后开始工作，通过背光成像及三维投影重构获得颗粒三维图像；以及颗粒物监测处理部，用于控制激光光源部与光接收探测部工作模式，其中，颗粒物监测处理部分别与激光光源部、光接收探测部以及颗粒三维成像部通信连接，处理、保存与显示发动机尾喷流颗粒物参数。

在本实用新型提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置中，具有这样的特征其中，激光光源部包括激光控制器、多个激光器、光纤耦合器、准直器，颗粒物监测处理部控制激光控制器的工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，激光控制器是由特征信号测试处理部通过控制信号电缆控制开启和关闭两种工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，激光器产生的激光经光纤输出至光纤耦合器中，光纤耦合器接收激光器产生的激光并将激光耦合到输出光纤，准直器与光纤耦合器连接并输出激光照射测量区。

另外，在本实用新型提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置中，还具有这样的特征：其中，光接收探测部包括滤波衰减器、汇光光纤耦合器、光纤、准直器、光栅、多个光电探测器以及光电探测处理器，滤波衰减器有滤光与无滤光两种可控工作模式，尾喷流辐射光、激光光源部产生的激光或两者混合光照射尾喷流测量区颗粒产生的颗粒散射光经滤波衰减器后进入光纤耦合器，滤波衰减器与光纤耦合器设置在同一直线上，该直线与激光光源部发出激光的照射方向的角度为锐角，准直器与光纤耦合器通过光纤连接，将颗粒散射光进行准直后的准直激光照射在光栅上，光栅接收准直激光后按照波长分成多束分光，多个光电探测器分别接收多束分光后将光信号转变为电信号通过电缆输出，光电探测处理器采集多个光电探测器输出的电信号并将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并输出至颗粒物监测处理部，并发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部。

另外，在本实用新型提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置中，还具有这样的特征：其中，颗粒三维成像部包括至少两组光路、颗粒三维成像处理器以及触发器，每组光路上有光源、镜头与工业相机，触发器接收光接收探测部输出的颗粒监测触发信号后，触发颗粒三维成像处理器工作，从而控制光路上的光源、镜头以及工业相机的工作。

另外，在本实用新型提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置中，还具有这样的特征：其中，颗粒物监测处理部连接激光控制器，用于控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，颗粒物监测处理部连接滤波衰减器，用于控制滤波衰减器的工作模式，颗粒物监测处理部连接光电探测处理器，用于获取辐射光或散射光的强度，基于建立的发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，同步得到尾喷流颗粒物参数。

另外，在本实用新型提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置中，还具有这样的特征：光接收探测部包括滤波衰减器、汇光光纤耦合器、光纤、准直器、光栅、多个光电探测器与光电探测处理器，滤波衰减器有滤光与无滤光两种可控工作模式，并且衰减程度可调，由颗粒物监测处理部通过控制信号电缆控制，尾喷流辐射光、激光光源部产生的激光或两者混合光照射尾喷流测量区颗粒，产生颗粒散射光，经滤波衰减器后进入光纤耦合器，滤波衰减器与光纤耦合器在同一直线方向上，并与激光光源部发出激光的照射方向成一定角度，接收光后由光纤输出至准直器发出光，照射光栅，光栅接收光后按照波长分成多束分光，多个光电探测器分别接收多束分光后将光信号转变为电信号通过电缆输出到光电探测处理器中，光电探测处理器将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并经数字信号通讯电缆输出至颗粒物监测处理部，同时通过电缆发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部。

颗粒三维成像部包括两组或多组成角度布置光路、颗粒三维成像处理器与触发器，每组光路上有光源、镜头与工业相机，触发器接收光接收探测部通过电缆输出的颗粒监测触发信号后，触发颗粒三维成像处理器开始工作，从而通过电缆控制每组光路上的光源、镜头与工业相机工作，通过每组光路的背光成像，捕获颗粒多组光路上的颗粒的投影数字图像，并利用数字信号通讯电缆送至颗粒三维成像处理器进行处理，通过三维重构算法得到颗粒的三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源，并通过电缆传输至颗粒物监测处理部。

颗粒物监测处理部通过控制信号电缆连接激光控制器控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，通过控制信号电缆连接滤波衰减器控制有滤光与无滤光工作模式，并通过数字信号通讯电缆连接光电探测处理器获取辐射光或散射光强度，基于建立的发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，同步得到尾喷流颗粒物参数粒径、浓度、组分及来源等参数，通过数字信号通讯电缆连接颗粒三维成像部，得到颗粒三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

本实用新型提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，具有这样的特征：发动机尾喷流颗粒物参数监测装置具有辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式：

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置辐射测量工作方式中，激光光源部采用关闭工作模式，光接收探测部采用无滤光工作模式，光接收探测部用于汇聚获取尾喷流辐射光，并直接探测紫外、可见、红外波段不同波长尾喷流辐射光的强度，用来获得尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；发动机尾喷流颗粒物参数监测装置颗粒测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收探测部采用滤光工作模式，用于过滤尾喷流辐射光并汇聚不同波长的散射激光，并探测过滤尾喷流辐射光后的不同波长散射激光的强度，用来获得尾喷流颗粒粒径与浓度参数，进而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置同步测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收探测部采用无滤光工作模式，用于汇聚获取尾喷流辐射光与散射激光混合光，并探测不同波长辐射光与散射激光混合光的强度，用来同步获得尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用上述任何一种工作方式时，光接收探测部在探测到辐射光或散射光，即监测到颗粒物的同时，发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部触发三维成像部工作，通过多组光路的背光成像，捕获颗粒多组光路上的颗粒投影数字图像，并利用数字信号通讯电缆送至颗粒三维成像处理器进行处理，通过三维重构算法得到颗粒三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源。

本实用新型提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，具有这样的特征：发动机尾喷流颗粒物参数监测装置的工作方式要结合发动机测试需要，根据上述工作方式能够获得的参数种类来确定，相应的确定激光光源部与光接收探测部工作模式；激光光源部多个激光器的激光波长与光接收探测部滤波衰减器滤波波长范围的选择通常在蓝紫光波段，为了消除尾喷流辐射光的影响；多个激光器强度、滤波衰减器衰减率与汇光光纤耦合器的汇光区域大小，以及激光的光束截面尺寸的选择需要根据尾喷流待监测区域与散射光强信噪比确定，激光的光束截面尺寸需要覆盖尾喷流待监测区域，散射光强信噪比与尾喷流颗粒粒径与浓度有关，颗粒粒径越大或颗粒浓度越高，产生的散射光强越大，信噪比越高。

多个光电探测器波长的选取结合测试需要分析数据的波长确定。

光接收探测部中滤波衰减器与汇光光纤耦合器成对布置，可以是用于单点探测的滤波衰减器与汇光光纤耦合器，也可以说是环形多点探测的环形阵列式滤波衰减器与汇光光纤耦合器，实现大尺寸发动机尾喷流不同位置颗粒散射光都可被探测。

颗粒三维成像部设置在距离光接收探测部一定距离的位置处，颗粒三维成像部与光接收探测部的距离由颗粒在尾喷流中的运动速度决定，为了保证光接收探测部监测到颗粒物的同时，发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部触发三维成像部工作能够捕获到颗粒图像。

本实用新型提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，具有这样的特征：发动机尾喷流颗粒物参数监测装置测试的尾喷流中颗粒可以是发动机燃料燃烧产生颗粒，也可以是发动机在地面试验和飞行过程中，由于恶劣的工作条件，发动机涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免损伤产生的颗粒。

实用新型的作用与效果

本实用新型所涉及的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，具有的作用与效果有：

(1)本实用新型通过测量尾喷流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测尾喷流后的角散射光强，建立发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，同步得到尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数，通过光电探测快速判定颗粒出现，进而同步触发颗粒三维成像，进一步确定颗粒三维大小、表面形态，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

(2)本实用新型采用颗粒光电探测快速获得颗粒在尾喷流的光信号，数据处理极快，可以实现颗粒的长期监测，从而同步触发颗粒三维成像，由此满足尾喷流快速运动颗粒的捕获，可以保证不漏检。

(3)本实用新型采用同步测量工作方式时，探测获得不同波长的辐射光与散射激光混合光强度数据，通过数据转换，可获得准确混合光内散射激光光强数据，从而实现尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数的同步测试。并且通过多波长散射光联合求解可以提高颗粒粒径与浓度测量精度。

(4)本实用新型激光光源部多个激光器的激光波长、强度、工作模式、光接收探测部滤波衰减器滤波波长范围、衰减率、工作模式、数据波长的选取等，需要结合发动机尾喷流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与尾喷流辐射特征等参数进行选择确定，激光器波长通常选用蓝紫光，可以保证激光散射光强测量不受辐射光影响，提高颗粒粒径与浓度参数测试精度。

附图说明

图1为实施例中发动机尾喷流颗粒物参数监测装置示意图；

图2为实施例中发动机尾喷流颗粒物参数监测装置光接收探测部环形多点探测的环形阵列式滤波衰减器与汇光光纤耦合器布置示意图；

图3为实施例中的发动机尾喷流颗粒物参数监测三种工作方式典型数据处理示意图；

图4为实施例中发动机尾喷流颗粒物参数监测方法中垂直两组光路投影三维重构颗粒示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置作具体阐述。

如图1所示，本实施例提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，包括激光光源部2、光接收探测部3、颗粒三维成像部4以及颗粒物监测处理部5。

测试装置激光光源部2和光接收探测部3对应布置在发动机11 尾喷流12两侧。

其中，激光光源部2位于发动机11尾喷流12一侧，用于产生不同波长的入射激光。

光接收探测部3位于发动机11尾喷流12的另一侧，用于接收辐射光或散射光，转换为电信号，并发出颗粒监测触发信号。

颗粒三维成像部4接收颗粒监测触发信号后开始工作，通过背光成像及三维投影重构获得颗粒三维图像。

颗粒物监测处理部5用以控制激光光源部2与光接收探测部3工作模式，以及处理、保存与显示发动机尾喷流颗粒物参数。

激光光源部2包括激光控制器21、多个激光器22、23、24、光纤耦合器27、准直器29。

颗粒物监测处理部5通过控制信号电缆51控制激光控制器21的工作模式、激光器22、23、24波长及激光输出强度参数，激光控制器21具有开启和关闭两种工作模式。

其中，激光控制器21与激光器22、23、24分别通过电缆25并联连接，用于控制不同波长的激光器22、23、24产生激光。

激光器22、23、24产生的激光经光纤26输出至光纤耦合器27 中，光纤耦合器27接收激光器22、23、24产生的激光并将激光耦合到输出光纤28，并与准直器29连接，准直器29输出激光20照射测量区。

光接收探测部3包括滤波衰减器31、汇光光纤耦合器32、光纤 33、准直器34、光栅36、多个光电探测器362、364、366以及光电探测处理器38。

滤波衰减器31有滤光与无滤光两种可控工作模式，并且衰减程度可调，由颗粒物监测处理部5通过控制信号电缆52控制。

尾喷流12辐射光、激光光源部2产生的激光或两者混合光照射尾喷流12测量区颗粒131，产生颗粒散射光30，经滤波衰减器31后进入光纤耦合器32，滤波衰减器31与光纤耦合器32在同一直线方向上，并与激光光源部2发出激光20的照射方向成一定角度，实施例中，该角度为锐角。光纤耦合器32接收光后由光纤33输出至准直器34发出光35，照射光栅36，光栅36接收光35后按照波长分成多束分光361、363、365，多个光电探测器362、364、366分别接收多束分光361、363、365后将光信号转变为电信号通过电缆37输出到光电探测处理器38中。

光电探测处理器38将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并经数字信号通讯电缆53输出至颗粒物监测处理部5，同时通过电缆47发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部4。

颗粒三维成像部4包括多组成角度布置光路、颗粒三维成像处理器43与触发器44。

实施例中，颗粒三维成像部4具有两组呈正交布置的光路 (411-412-413-414；421-422-423-424)，光路上有光源411、421、镜头413、423与工业相机414、424。

触发器44接收光接收探测部38通过电缆47输出的颗粒监测触发信号后，触发颗粒三维成像处理器43开始工作，从而通过电缆45、 46控制每组光路上的光源、镜头与工业相机工作，通过每组光路的背光成像，捕获颗粒多组光路上的颗粒132的投影数字图像，并利用数字信号通讯电缆45、46送至颗粒三维成像处理器43进行处理，通过三维重构算法得到颗粒132的三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源，并通过电缆54传输至颗粒物监测处理部5。

颗粒物监测处理部5通过控制信号电缆51连接激光控制器21控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，通过控制信号电缆52连接滤波衰减器31控制有滤光与无滤光工作模式，并通过数字信号通讯电缆53连接光电探测处理器38获取辐射光或散射光强度，基于建立的发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，同步得到尾喷流颗粒物参数粒径、浓度、组分及来源等参数，通过数字信号通讯电缆54连接颗粒三维成像部4，得到颗粒三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

进一步，发动机尾喷流颗粒物参数监测装置具有辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式：

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置辐射测量工作方式中，激光光源部采用关闭工作模式，光接收探测部采用无滤光工作模式，光接收探测部用于汇聚获取尾喷流辐射光，并直接探测紫外、可见、红外波段不同波长尾喷流辐射光的强度，用来获得尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置颗粒测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收探测部采用滤光工作模式，用于过滤尾喷流辐射光并汇聚不同波长的散射激光，并探测过滤尾喷流辐射光后的不同波长散射激光的强度，用来获得尾喷流颗粒粒径与浓度参数，进而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置同步测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收探测部采用无滤光工作模式，用于汇聚获取尾喷流辐射光与散射激光混合光，并探测不同波长辐射光与散射激光混合光的强度，用来同步获得尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。

发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用上述任何一种工作方式时，光接收探测部在探测到辐射光或散射光，即监测到颗粒物的同时，发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部触发三维成像部工作，通过多组光路的背光成像，捕获颗粒多组光路上的颗粒投影数字图像，并利用数字信号通讯电缆送至颗粒三维成像处理器进行处理，通过三维重构算法得到颗粒三维图像，通过图像分析进一步得颗粒大小、表明形态等参数，明确颗粒来源。

进一步，发动机尾喷流颗粒物参数监测装置的工作方式要结合发动机测试需要，根据上述工作方式能够获得的参数种类来确定，相应的确定激光光源部与光接收探测部工作模式。

激光光源部多个激光器的激光波长与光接收探测部滤波衰减器滤波波长范围的选择通常在蓝紫光波段，为了消除尾喷流辐射光的影响；

多个激光器强度、滤波衰减器衰减率与汇光光纤耦合器的汇光区域大小，以及激光的光束截面尺寸的选择需要根据尾喷流待监测区域与散射光强信噪比确定，激光的光束截面尺寸需要覆盖尾喷流待监测区域，散射光强信噪比与尾喷流颗粒粒径与浓度有关，颗粒粒径越大或颗粒浓度越高，产生的散射光强越大，信噪比越高。

多个光电探测器波长的选取结合测试需要分析数据的波长确定。

光接收探测部中滤波衰减器与汇光光纤耦合器成对布置，可以是用于单点探测的滤波衰减器与汇光光纤耦合器，也可以说是环形多点探测的环形阵列式滤波衰减器与汇光光纤耦合器，实现大尺寸发动机尾喷流不同位置颗粒散射光都可被探测。

图2为光接收探测部环形多点探测的环形阵列式滤波衰减器与汇光光纤耦合器布置示意图，如图2所示，入射激光照射发动机尾喷流，散射光由光接收探测部多点探测的环形阵列式滤波衰减器与汇光光纤耦合器接收，确保发动机尾喷流不同位置颗粒散射光被探测，其中入射激光可为体积光。

颗粒三维成像部4设置在距离光接收探测部一定距离的位置处，颗粒三维成像部4与光接收探测部3的距离由颗粒131在尾喷流中的运动速度决定，为了保证光接收探测部3监测到颗粒物的同时，发出颗粒监测触发信号至颗粒三维成像部4触发三维成像部工作能够捕获到颗粒132图像，其中颗粒131与颗粒132为同一颗粒不同时刻位置示意。

进一步，发动机尾喷流颗粒物参数监测装置测试的尾喷流中颗粒可以是发动机燃料燃烧产生颗粒，也可以是发动机在地面试验和飞行过程中，由于恶劣的工作条件，发动机涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免损伤产生的颗粒。

本实施例还提供了一种发动机尾喷流颗粒物参数监测方法，其步骤是：

S1：将发动机尾喷流颗粒物参数监测装置设置在发动机尾喷流两侧；

S2：确定发动机尾喷流颗粒物参数监测装置工作方式；

S3：打开发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，开展发动机尾喷流颗粒物参数监测；

S4：基于建立的发动机尾喷流颗粒物分析算法来实时获得颗粒物粒径、浓度、组分等参数、三维图像与来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

进一步，对应发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用的辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，发动机尾喷流颗粒物参数监测方法也有三种方法：

对应发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用的辐射测量工作方式，发动机尾喷流颗粒物参数监测方法采用光接收探测部获得的尾喷流紫外、可见、红外波段不同波长尾喷流辐射光强度数据，如图3(a) 所示，数据具有尾喷流辐射连续特征与颗粒辐射特征谱线两种特征，将两种特征剥离：根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源；根据尾喷流辐射连续特征，通过尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；进而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

对应发动机尾喷流颗粒物参数监测测量装置采用的颗粒测量工作方式，发动机尾喷流颗粒物参数监测方法采用光接收探测部获得的过滤尾喷流辐射光的不同波长散射激光的强度数据，如图3(b)所示，为试验中光接收探测部探测获得的光信号，即为不同波长散射激光的强度，对于激光光源部的多个激光器，便有多个信号峰值，从而得到不同波长激光散射光强I，通过颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，同步获得尾喷流颗粒粒径与浓度参数，进而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

对应发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用的同步测量工作方式，发动机尾喷流颗粒物参数监测方法采用光接收探测部获得的不同波长的辐射光与散射激光混合光的强度数据，如图3(c)所示，为试验中光接收探测部探测获得的光信号，即为不同波长的辐射光与散射激光混合光的强度，具有尾喷流辐射连续特征、颗粒辐射特征谱线与散射激光三种特征，图3(c)中，I’为试验测试光接收探测部获得的对应波长的光强度，I_r通过周边波长辐射光的强度数据插值得到的辐射基准光强。

根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源；

根据尾喷流辐射连续特征，通过尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；根据散射激光特征，为激光光源部的多个激光器造成的散射激光，从而可得到不同波长对应的混合光叠加光强I’，需要扣除混合光中的辐射光强度，从而得到准确的散射激光光强I：

I＝I’-I_r

I’为试验测试光接收探测部获得的对应波长的光强度，I_r通过周边波长辐射光的强度数据插值得到的辐射基准光强，再结合初始光强 I₀，通过颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，获得尾喷流颗粒粒径与浓度参数。由此，同步获得尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

进一步，颗粒粒径与浓度参数同步反演算法是建立在颗粒角散射理论基础上，假设入射光为完全偏振光，观察点与散射颗粒的距离为 L，入射光振动面与散射面之间的夹角为即偏振角φ，那么颗粒的总散射光强为I_s。总散射光强I_s是由两部分组成的：垂直于散射面上所产生的散射光强I_r和平行于散射面方向上所产生的散射光强I_l，即 I_s＝I_r+I_l，其中，

r为颗粒粒径；θ为散射角；s₁(θ)和s₂(θ)为振幅函数，与折射率 m和无因次参量α有关，而与入射光的偏振角φ无关；λ为入射光波长；I₀为入射激光光强，可认为是激光光源部输出的激光光强。

在入射光为完全偏振光的情况下，得到的总散射光强I_s为：

i₁(θ)和i₂(θ)为球形颗粒的强度函数，均与散射角θ、折射率m及无因次参量α有关，与入射光的偏振角φ无关，而无因次参量α只与入射光波长λ和颗粒粒径r有关。因此，总散射光强I_s主要与散射角θ、折射率m、入射光波长λ和颗粒粒径r有关。因此，通过测量不同波长入射光角散射强度，可建立不同波长λ₁、λ₂、λ₃下的角散射光强I_s,λ1、I_s,λ2、I_s,λ3与入射波长、颗粒粒径的关系：

通过上述不同波长散射光方程的求解便可计算得到颗粒粒径r。

一旦得到粒径，便可通过角散射光强与颗粒数量浓度的定量关系得到颗粒数目浓度N_v：

V为探测区域的体积。

进一步，颗粒组分反演算法是建立在颗粒物在发动机高温尾喷流发射出足够强的紫外、可见或红外波段辐射光谱特征谱线，通过特征谱线确定颗粒组分。

尾喷流颗粒的原子的外层电子正常状态下处于基态，当受到高温环境外界激发后，激发态的原子处于一种极不稳定的状态，外层电子会自发地从高能级跃迁到低能级，同时释放出光子。原子自发辐射频率ν与能级差(E₁-E₂)有关，满足：

hν＝E₁-E₂

h为普朗克常数。

当系统处于热平衡状态时，原子各能量定态间的分布服从玻尔兹曼分布：

N_n和N₁分别为激发态和基态的原子数目，g_n和g₁分别为激发态和基态的原子数和统计权重，E_1n为基态到激发态所需的激发能，k 为玻尔兹曼常数，T为原子所处的温度。由此通过特征谱线波长与强度的分析可确定颗粒组分并得到组分浓度。

进一步，颗粒来源识别算法主要基于尾喷流辐射光谱聚类分析的 K-均值聚类算法得到。

K-均值聚类的基本思想为从含有大量固体颗粒物辐射光谱样本的数据集中随机选取k个数据样本作为初始聚类中心，统计出每个光谱样本与k个初始聚类中心的距离，将所有光谱数据划分到与其距离最近的聚类中心代表的类别中，根据新生成的各类中光谱样本的均值更新k个聚类中心。如果相邻迭代次数内聚类中心值的变化超过所设定的阈值，则依据新的聚类中心对所有光谱样本进行重新类别划分；若相邻迭代次数内聚类中心值的变化小于规定的阈值，则算法收敛，输出聚类结果。

K-均值聚类算法流程如下：

(a)选择K-均值聚类的原始数据集，从中随机选取k个光谱样本作为初始聚类中心z₁,z₂,…,z_k；

(b)对所有光谱样本数据逐一计算它到k个凝聚点的距离(通常用欧氏距离作为样品到聚类中心的距离)，根据距离的大小将n个样品(或变量)分成k类，欧氏距离计算公式如下：

x_i为样本x的第i个变量的变量值，y_i为样本y的i个变量的变量值。若光谱样本到它原来所在类的距离最近，则它仍在原类，否则将它移动到和它距离最近的那一类；

(c)计算k类中每一类数据的聚类中心，若该聚类中心与初始聚类中心不重合则以该聚类中心为新的聚类中心并重复步骤(b)直到所有的光谱样本都不能移动为止，或者说每个聚类中心不再变化为止，则计算过程终止，由此识别发动机尾喷流颗粒物来源。

通过大量尾喷流辐射光谱聚类分析，可获得颗粒来源识别的特定波长特征，从而不需要获取所有波段的辐射光波长强度数据，只需要若干确定波长的数据即可，还可以进一步简化发动机尾喷流颗粒物参数监测装置与颗粒来源识别算法。

进一步，尾喷流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法是基于普朗克辐射定律参数拟合方法建立的。

测得的尾喷流不同波长辐射强度为：

ε为尾喷流的平均辐射率，值为介于0～1的一个常数；T为视场平均热力学温度，k为不同波长探测响应修正系数，该系数与光电探测响应、光纤传输以及测试系统相关参数有关。

根据测量工况与计算范围，在λT<<2000μmT的情况下，可以将普朗克辐射定律简化为维恩关系式：

对上式的等号两端同时取对数，令ε’＝lnε，t＝1/T，并将ε’、t代入上式可得：

建立多元函数f(ε’,t)利用多项式y_i进行曲线拟合：

y_i是实验测量所得到的波长为λ_i时辐射强度的对数。由最小二乘法可知，当上式中偏差的平方和最小时，计算得到对应的ε’和t值，代入回公式ε’＝lnε，t＝1/T，即可得到实验测量得到的平均温度和辐射率参数。

在此获得尾喷流辐射温度、辐射率参数的基础上，根据普朗克定律便可计算出紫外、可见与红外波段等全波段不同波长的尾喷流辐射强度，并可以通过全波段积分得到辐射总强度。

进一步，对应发动机尾喷流颗粒物参数监测装置采用的辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，发动机尾喷流颗粒物参数监测方法采用上述任何一种方法时，当监测到颗粒物时，都要触发三维成像部获得颗粒三维图像，三维重构算法基于多组光路上的颗粒投影数字图像重构得到。

若采用两组光路，两组光路设置成垂直，如图4所示，其中一组光路得到水平投影，即zoy平面上的颗粒投影，包含着水平方向颗粒的外形特征，另外一组光路得到竖直投影，即xoy平面上的颗粒投影，包含着竖直方向颗粒的外形特征，通过水平与竖直方向投影的复原，就能重构出颗粒三维图像。

若采用更多组光路，可获得更多光路方向上的颗粒投影图像，从而可以更精确的重构出颗粒三维图像。

得到颗粒三维图像后，可根据图像处理统计出颗粒粒径分布与颗粒计数浓度参数。

再根据颗粒的表面形态，结合发动机工作工程，可进一步确认颗粒的来源。

进一步，通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态的方法是，通过监测尾喷流颗粒物参数，确定颗粒物类型，明确颗粒物来源，再结合颗粒物粒径与浓度参数判定发动机试验燃料燃烧及安全运行情况。

实施例的作用与效果

实施例提供的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置与方法，具有的作用与效果有：

(1)实施例通过测量尾喷流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测尾喷流后的角散射光强，建立发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，单一或同步得到尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数，通过光电探测快速判定颗粒出现，进而同步触发颗粒三维成像，进一步确定颗粒三维大小、表面形态，明确颗粒来源，从而通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态。

(2)实施例采用颗粒光电探测快速获得颗粒在尾喷流的光信号，数据处理极快，可以实现颗粒的长期监测，从而同步触发颗粒三维成像，由此满足尾喷流快速运动颗粒的捕获，可以保证不漏检。

(3)实施例采用同步测量工作方式时，探测获得不同波长的辐射光与散射激光混合光强度数据，通过数据转换，可获得准确混合光内散射激光光强数据，从而实现尾喷流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数的同步测试。并且通过多波长散射光联合求解可以提高颗粒粒径与浓度测量精度。

(4)实施例激光光源部多个激光器的激光波长、强度、工作模式、光接收探测部滤波衰减器滤波波长范围、衰减率、工作模式、数据波长的选取等，需要结合发动机尾喷流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与尾喷流辐射特征等参数进行选择确定，激光器波长通常选用蓝紫光，可以保证激光散射光强测量不受辐射光影响，提高颗粒粒径与浓度参数测试精度。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，通过尾喷流颗粒物参数评估发动机工作安全状态，其特征在于，包括：

激光光源部，位于发动机尾喷流一侧，用于产生不同波长的入射激光；

光接收探测部，位于发动机尾喷流另一侧，用于接收辐射光或散射光，转换为电信号，并发出颗粒监测触发信号；

颗粒三维成像部，接收颗粒监测触发信号后开始工作，通过背光成像及三维投影重构获得颗粒三维图像；以及

颗粒物监测处理部，用于控制激光光源部与光接收探测部工作模式，

其中，所述颗粒物监测处理部分别与所述激光光源部、所述光接收探测部以及颗粒三维成像部通信连接，处理、保存与显示发动机尾喷流颗粒物参数，从而评估发动机工作安全状态。

2.根据权利要求1所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述激光光源部包括激光控制器、多个激光器、光纤耦合器、准直器，

所述颗粒物监测处理部控制所述激光控制器的工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，

所述激光控制器是由特征信号测试处理部通过控制信号电缆控制开启和关闭两种工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，

所述激光器产生的激光经光纤输出至光纤耦合器中，

所述光纤耦合器接收激光器产生的激光并将激光耦合到输出光纤，

所述准直器与所述光纤耦合器连接并输出激光照射测量区。

3.根据权利要求2所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述颗粒物监测处理部连接所述激光控制器，用于控制入射激光的产生与关闭、波长及强度。

4.根据权利要求1所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述光接收探测部包括滤波衰减器、汇光光纤耦合器、光纤、准直器、光栅、多个光电探测器以及光电探测处理器，

所述尾喷流辐射光、所述激光光源部产生的激光或两者混合光照射尾喷流测量区颗粒产生的颗粒散射光经所述滤波衰减器后进入光纤耦合器，

所述滤波衰减器与所述光纤耦合器设置在同一直线上，该直线与所述激光光源部发出激光的照射方向的角度为锐角，

所述准直器与所述光纤耦合器通过光纤连接，将所述颗粒散射光进行准直后的准直激光照射在所述光栅上。

5.根据权利要求4所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述滤波衰减器有滤光与无滤光两种可控工作模式。

6.根据权利要求4所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述光栅接收所述准直激光后按照波长分成多束分光，

所述多个所述光电探测器分别接收多束所述分光后将光信号转变为电信号通过电缆输出，

所述光电探测处理器采集多个所述光电探测器输出的所述电信号并将所述电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并输出至所述颗粒物监测处理部，并发出颗粒监测触发信号至所述颗粒三维成像部。

7.根据权利要求4所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述颗粒物监测处理部连接所述滤波衰减器，用于控制所述滤波衰减器的工作模式。

8.根据权利要求4所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述颗粒物监测处理部连接所述光电探测处理器，用于获取辐射光或散射光的强度，基于建立的发动机尾喷流颗粒物参数分析算法，同步得到尾喷流颗粒物参数。

9.根据权利要求1所述的发动机尾喷流颗粒物参数监测装置，其特征在于：

其中，所述颗粒三维成像部包括至少两组光路、颗粒三维成像处理器以及触发器，

每组光路上有光源、镜头与工业相机，

所述触发器接收所述光接收探测部输出的颗粒监测触发信号后，触发所述颗粒三维成像处理器工作，从而控制所述光路上的光源、镜头以及工业相机的工作。

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