紫外激光誘導(dǎo)磷光成像同步測速和測溫方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是復(fù)雜流動(dòng)、傳熱和燃燒測試技術(shù)，特別涉及在高速高溫環(huán)境下磷 光示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移和速度場以及對(duì)應(yīng)的溫度場等多物理場信息的同步測試方法 及其試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光診斷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于湍流流動(dòng)、傳熱及其燃燒過程的分析，而湍流和化 學(xué)反應(yīng)之間存在強(qiáng)相互作用，非常需要速度和其他標(biāo)量的多參數(shù)同步測量。隨著激光器和 相機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)水平的發(fā)展，跨幀成像開始成為可能，促進(jìn)了對(duì)流動(dòng)和標(biāo)量場高分辨 率的同步測量的技術(shù)需求。但是，高時(shí)空分辨率的激光和成像設(shè)備經(jīng)濟(jì)成本高，現(xiàn)有測量技 術(shù)的測試能力和應(yīng)用范圍上還存在一定的局限性，難以滿足速度和溫度等多物理場參數(shù)的 同步測量需求。
[0003] 與常用的激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)相比，激光誘導(dǎo)磷光具有以下特點(diǎn)：波長長、壽命長， 磷光壽命和輻射強(qiáng)度對(duì)重原子和順磁性離子敏感。熒光往往只有納秒-微秒范圍的壽命， 而磷光由單基態(tài)向多激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變過程的持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到微秒-亞秒級(jí)。但是，能產(chǎn)生磷 光的物質(zhì)種類很少，磷光分析在應(yīng)用上還遠(yuǎn)不及熒光分析普遍，而且燃燒測量時(shí)需在高溫 下進(jìn)行。因此，除了極少數(shù)大分子燃燒產(chǎn)物或添加物之外，在氣態(tài)流場中添加固態(tài)耐高溫磷 光粒子已經(jīng)成為燃燒火焰和發(fā)動(dòng)機(jī)測溫技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。這些磷光示蹤粒子可用于溫 度和速度測量，這些材料敏感度范圍寬、發(fā)射光明顯、利于空間和時(shí)間背景濾波。還可以作 為示蹤粒子測量速度場，這種特性明顯優(yōu)于激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，因?yàn)榧す庹T導(dǎo)熒光技術(shù)中 組份熒光極大依賴于未知的當(dāng)?shù)貧怏w構(gòu)成。
[0004] 磷光示蹤粒子要滿足一定的要求：具有良好的光散射性、能夠很好地跟隨流體流 動(dòng)、易于生成、無磨蝕、無腐蝕、無毒、不揮發(fā)或蒸發(fā)得慢、清潔、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、便宜。除了具 有高溫穩(wěn)定性、不參與化學(xué)反應(yīng)，最重要的是能夠跟隨流體流動(dòng)以及具有良好的光散射性， 即示蹤粒子和流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)盡可能小，且能夠充分散射照明光便于成像系統(tǒng)成像。 在湍流氣相測量中，時(shí)間分辨率必須足以捕捉到關(guān)注尺度的脈動(dòng)變化，限制瞬態(tài)測量的積 分時(shí)間，示蹤粒子必須保證高速流動(dòng)中的跟隨性和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，粒徑應(yīng)該保持在納米量 級(jí)大小。而微粒示蹤粒子易于潮結(jié)和聚團(tuán)，目前常用的粒子布撒裝置都很難滿足在高速氣 流中實(shí)現(xiàn)粒子均勻布撒的需要。
[0005] 在圖像處理算法上，基于磷光衰減壽命周期的的比分法相比于常用的雙色法，對(duì) 溫度變化更為敏感，而且測量原理簡單直接，僅需要1臺(tái)相機(jī)，可以用適用于大范圍溫度測 量。而且雙色法必須采用2臺(tái)相機(jī)采集不同發(fā)射波長的磷光圖像，成本高昂。另外，目前還 沒有合適的算法分析2幅圖像示蹤粒子磷光光強(qiáng)之間的相關(guān)性，以確定示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌 跡、位移以及它們之間隨時(shí)間歷程的相關(guān)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種紫外激光誘導(dǎo)磷光成像同 步測速和測溫方法及系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)前硬件設(shè)備和分析方法的發(fā)展水平，基于磷光光強(qiáng)衰減 周期大小隨溫度變化的特性，從一個(gè)全新的角度提出高分辨率、多參數(shù)同步的激光診斷方 法和圖像處理算法，適用于大范圍速度和溫度測量，測量速度可以達(dá)到l〇〇〇m/ S、溫度范圍 可以達(dá)到2000K。具有高精度、高信號(hào)產(chǎn)生率、無碰撞猝滅現(xiàn)象、無多普勒加寬效應(yīng)等特點(diǎn)。 本發(fā)明提供的測試系統(tǒng)，操作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低且具有高時(shí)間分辨能力，將進(jìn)一步推動(dòng)激光 成像技術(shù)在復(fù)雜流動(dòng)、傳熱和燃燒研宄中的發(fā)展，特別是高精度高分辨率的多物理場定量 化測試技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 一種紫外激光誘導(dǎo)磷光成像同步測速和測溫方法，利用磷光的長時(shí)間衰減特性和 溫度敏感特性，采用圖像互相關(guān)算法和磷光光強(qiáng)衰減比分法形成高精度的圖像處理算法， 通過分析測試區(qū)域中均勻分布的磷光示蹤粒子受紫外激光激發(fā)而形成的磷光灰度圖像，計(jì) 算磷光示蹤粒子表征的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移和速度場以及對(duì)應(yīng)的溫度場等多物理場信息。
[0009] 所述圖像互相關(guān)算法是利用自適應(yīng)步長和大規(guī)模并行算法對(duì)磷光灰度圖像進(jìn)行 非線性信號(hào)分析和分級(jí)漸進(jìn)分析，快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)激光脈沖周期內(nèi)2幅圖像之間的高精度匹 配，計(jì)算磷光示蹤粒子表征的速度場及其互相關(guān)信息。
[0010] 所述非線性信號(hào)分析和分級(jí)漸進(jìn)算法，用于確定時(shí)間序列磷光灰度圖像之間的互 相關(guān)性。首先，采用非線性信號(hào)分析方法對(duì)磷光灰度圖像進(jìn)行特征提取與量化；其次，通過 抗噪聲干擾能力強(qiáng)的歸一化算法處理時(shí)間相關(guān)的2幅圖像；最后，設(shè)計(jì)自適應(yīng)步長的分級(jí) 漸進(jìn)互相關(guān)分析過程，采用大規(guī)模并行直至確定示蹤粒子之間的最優(yōu)互相關(guān)性。
[0011] 所述磷光光強(qiáng)衰減周期的比分法，直接利用了磷光示蹤材料在紫外激光誘導(dǎo)下， 磷光光強(qiáng)在不同溫度下呈現(xiàn)不同的衰減壽命周期，根據(jù)2個(gè)不同時(shí)刻采集到的磷光灰度圖 像中互相關(guān)示蹤粒子的光強(qiáng)比計(jì)算壽命周期，與壽命周期-溫度標(biāo)定曲線進(jìn)行對(duì)比來獲得 激光脈沖周期時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)溫度場。
[0012] 一種紫外激光誘導(dǎo)磷光成像同步測速和測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于完成上述的紫外激 光誘導(dǎo)磷光成像同步測速和測溫方法，主要由1臺(tái)激光器、1臺(tái)成像系統(tǒng)、1套示蹤粒子均勻 布撒裝置和1種高熱穩(wěn)定的納米級(jí)磷光示蹤粒子組成。
[0013] 所述激光器是單脈沖紫外固定波長激光器，對(duì)基于532nm的雙腔NchYAG激光器進(jìn) 行三/四倍頻光路設(shè)計(jì)，輸出355nm/266nm的單脈沖單波長激光，能夠用于實(shí)現(xiàn)紫外激光誘 導(dǎo)特定的磷光示蹤粒子成像。
[0014] 所述成像系統(tǒng)采用高速芯片和超大容量存儲(chǔ)技術(shù)，滿足長時(shí)間圖像采集需要，用 于實(shí)現(xiàn)高熱穩(wěn)定示蹤粒子受紫外激光誘導(dǎo)磷光的圖像采集。
[0015] 所述示蹤粒子均勻布撒裝置，包括一次性旋轉(zhuǎn)成型的示蹤粒子容器，其底部采用 流化床設(shè)計(jì)，結(jié)合高速旋流器導(dǎo)引，利用高壓驅(qū)動(dòng)氣體形成高速射流，增強(qiáng)磷光熱像示蹤粒 子和周圍氣流的混合，能夠使磷光熱像示蹤粒子濃度高度均勻化，實(shí)現(xiàn)磷光示蹤粒子的快 速和均勻布撒。
[0016] 所述納米級(jí)磷光示蹤粒子具有在單脈沖266nm/355nm紫外激光激發(fā)下誘導(dǎo)磷光 的能力，其磷光光強(qiáng)的長壽命周期及其對(duì)溫度敏感的特性滿足跨幀相機(jī)進(jìn)行圖像采集的需 要。
[0017] 所述激光器是可調(diào)諧染料激光器或跨幀激光器。
[0018] 所述成像系統(tǒng)是高頻相機(jī)、高分辨率相機(jī)或光譜成像儀。
[0019] 本發(fā)明的紫外激光誘導(dǎo)磷光成像同步測速和測溫方法，（1)利用旋流導(dǎo)引式 高壓納米粒子布撒裝置，在測試區(qū)域均勻布撒專用的納米級(jí)磷光示蹤粒子；(2)利用 355nm/266nm紫外波長激光器激發(fā)在測試區(qū)域中均勻布撒的納米級(jí)磷光示蹤粒子，產(chǎn)生具 有長時(shí)衰減和溫度敏感特性的磷光；（3)利用跨幀相機(jī)對(duì)粒子發(fā)射磷光進(jìn)行脈沖周期時(shí)間 序列的2幅紫外激光誘導(dǎo)磷光成像采集；(4)利用非線性信號(hào)分析和分級(jí)漸進(jìn)算法，基于磷 光光強(qiáng)衰減周期的比分法，計(jì)算示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度和溫度等多物理場信息。
[0020] 本發(fā)明技術(shù)方案所帶來的有益效果如下：
[0021] 本發(fā)明充分利用磷光示蹤材料的長余輝特性和溫度敏感特性，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軌跡、 位移、速度和溫度的同步測量。采用單脈沖紫外激光，提高流場和燃燒場的瞬時(shí)凍結(jié)能力； 基于激光片光技術(shù)，提高空間分辨率并得到測試區(qū)域的信息；采用高分辨率跨幀相機(jī)，提高 成像能力和高速流動(dòng)捕捉能力。
[0022] 具體的，首先，本發(fā)明充分利用了磷光示蹤材料的長余輝和溫敏特性，將試驗(yàn)系 統(tǒng)簡化為單脈沖激光器和跨幀相機(jī)的組合，直接通過跨幀相機(jī)獲得高時(shí)空分辨率的磷光 圖像，節(jié)省了應(yīng)用跨幀激光器的高昂成本；其次，本發(fā)明設(shè)計(jì)的納米級(jí)磷光示蹤粒子可 以在355nm/266nm波長激光下激發(fā)產(chǎn)生長時(shí)衰減磷光，這些激光可以通過三/四倍頻 532nmNd:YAG激光器實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步降低了成本；再次，本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)步長和大規(guī)模并 行的非線性信號(hào)分析和分級(jí)漸進(jìn)算法，使其提供示蹤粒子的互相關(guān)信息；最后，本發(fā)明設(shè)計(jì) 的磷光衰減比分法，不必像雙色法需要2臺(tái)相機(jī)采集圖像進(jìn)行對(duì)比，而僅需要1臺(tái)跨幀相機(jī) 采集時(shí)間序列圖像以實(shí)現(xiàn)示蹤粒子之間的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度和溫度等多物理場同步數(shù) 據(jù)的計(jì)算功能，又一次降低了成本。
[0023] 本發(fā)明重點(diǎn)描述的測試系統(tǒng)僅是其中某個(gè)經(jīng)濟(jì)性版本，而測試原理本身的高分辨 率和多物理場同步測試能力并不受此限制，只決定于所采用的激光設(shè)備和成像系統(tǒng)的技術(shù) 水平和經(jīng)濟(jì)成本，可以在本發(fā)明方案基礎(chǔ)上拓展以實(shí)現(xiàn)更多功能。如，采用可調(diào)諧染料激光 器標(biāo)記熒光、跨幀激光器實(shí)現(xiàn)更高時(shí)間分辨率、光譜成像儀采集多光譜圖譜等。
[0024] 同時(shí)，本發(fā)明提供了在紫外波長激光誘導(dǎo)下具有長時(shí)磷光發(fā)射特性的納米級(jí)磷光 示蹤粒子及其粒子布撒裝置。
[0025] 本發(fā)明提供了非線性信號(hào)分析和分級(jí)漸進(jìn)算法，設(shè)計(jì)了基于磷光光強(qiáng)衰減周期的 比分法同步測速和測溫運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了單脈沖激光器和跨幀相機(jī)組合的測試系統(tǒng)具有競 爭力，操作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低且具有高時(shí)間分辨能力，從而獲得高溫傳熱和燃燒場的速度和 溫度動(dòng)態(tài)特性。
【附圖說明】
[0026] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0027] 圖1是本發(fā)明所提供的測試系統(tǒng)一實(shí)施例的組成示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明所提供的測試方法示意圖；
[0029] 圖3是時(shí)序控制圖；
[0030] 圖4是磷光衰減曲線和比分法示意圖；
[0031] 圖5是磷光壽命曲線；
[0032] 圖6是磷光壽命-溫度標(biāo)定曲線圖；
[0033] 圖7是互相關(guān)算法原理圖；
[0034]