[发明专利]内窥层析的体激光诱导荧光成像测量瞬态燃烧场火焰三维结构的方法

说明书

本发明揭示基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，步骤一：脉冲激光器输出的激光过反射镜改变传播方向，通过望远镜对激光束进行整形扩束；步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，第一束体激光经过比色皿，用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域后激发火焰区域特定组分，产生激光诱导荧光，由第二信号采集系统进行记录；步骤三：第一相机和第二相机拍摄信号进行数据处理分析后得到燃烧场中瞬态火焰三维重建结构。本发明对激光束进行体扩束通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。通过该测试系统实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。

技术领域：

本发明涉及一种计算成像和燃烧诊断领域，具体涉及一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法。

背景技术：

航空发动机燃烧室内的燃烧工况直接影响了整机运行效率及寿命，因此有必要通过燃烧诊断技术对燃烧场内火焰参数进行测量，为新一代燃烧室的设计提供数据支撑，最终实现提高燃烧效率、降低污染物的排放。近年来，得益于激光与传感器技术的发展，光学诊断技术已被证明是解析空间物理量和监测燃烧过程的有力工具。

其中，激光诱导荧光技术被广泛用于对燃烧场中关键组分或示踪物的探测。然而，实际燃烧场中由于存在非定常性的湍流，需要实时对瞬变、不规则的燃烧场进行探测。

从技术路线上来看，基于激光诱导荧光技术的火焰三维光学成像技术主要通过三种方式实现。

第一种方式采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合对燃烧场的扫描探测实现。由于该种方式的时间分辨率受到扫描速度的限制，空间分辨率受到数量有限的扫描断层的限制，故时空分辨率较低，在探测湍流燃烧场时存在较大误差。

第二种方式是采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)结合双目成像技术，通过同时获得的一对角度的PLIF信号结合双目算法，可以获得深度方向上的信息。但该方式的空间分辨率受限于相对较厚的片状激光。

第三种方式是采用体积光诱导荧光技术(VLIF)，通过将激光束扩展成一定体积的体激光，利用多台高速相机同时从多个角度探测荧光信号，并结合层析重构算法，便可以获得瞬态流场的三维信息。使用该方式测得的结果具有高时空分辨率。但VLIF技术中也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，涉及到多台高速相机、多台像增强器等。

此外，由于激光诱导荧光技术种所用到的脉冲激光器的输出光束在截面光强空间分布不均匀，且其脉冲与脉冲之间的强度也可能存在变化，使最终的测量结果存在误差。

发明内容：

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提出一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，对激光束进行体扩束并通过采用一分多内窥镜对多角度信号同时进行探测。同时，通过设置参考光路，对激光光强在截面上空间分布不均以及激光脉冲与脉冲之间强度存在的变化进行矫正，最终可实现对燃烧场中瞬态火焰三维结构的测量。通过该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题，实现高时空分辨率的瞬态燃烧场中火焰三维结构测量。

为此，本发明解决技术问题的技术方案如下：一种基于内窥层析的体激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场中火焰三维结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将脉冲激光器输出的激光经过反射镜改变其传播方向，再通过望远镜对激光束进行整形扩束；

步骤二：整形扩束后的体激光经分光片分为两束，其中第一束体激光经过比色皿，并用第一信号采集系统记录比色皿中溶液的激光诱导荧光信号；第二束体激光通过火焰区域用于激发火焰区域的特定组分，令其产生激光诱导荧光，并由第二信号采集系统进行记录；

步骤三：由第一相机和第二相机拍摄到的信号传输到数据采集及处理装置进行数据处理分析后会得到燃烧场中瞬态火焰的三维重建结构。