激光诱导荧光测速的自标定方法及系统与流程

本发明涉及流场测速领域，特别地，涉及一种激光诱导荧光测速的自标定方法及系统。

背景技术：

采用激光诱导荧光(Laser induced fluorescence，LIF)测量运动流体中选定粒子的多普勒效应，进而得到目标流场的粒子速度分布函数，是一种非接触、高灵敏度、高选择性的技术，在涉及等离子体诊断的技术领域(材料处理、流动控制、太空电火箭推进)具有非常广泛的应用前景。为了得到所测量速度的绝对值，在LIF测速的过程中需要标定绝对速度的零点，即得到绝对速度为零时对应的激光频率。

目前，国内外文献中均采用元素灯法对LIF测量中的速度零点进行标定，即采用充有待测流场中选定激发元素的元素灯作为参考等离子体源，在相同的光路和分析电路下测量参考源的LIF光谱，并以荧光光谱的中心值作为速度零点的起算频率，以此为参考计算测量的绝对速度分布。封闭元素灯中的等离子体为静止状态，所以其宏观速度可以认为等于零。

但现有的元素灯法在实际应用中存在以下不足：实验中使用较多的元素灯是可透视空心阴极，为了获得较好的测量效果，这列元素灯在构型上需要重新设计，以保证激励激光能够自由通过而不被电极遮挡，并且这类元素灯一般需要高压电源驱动，整体成本较高；另一方面，等离子体中的局部电场效应(或斯塔克效应)会造成荧光光谱的频移，且频移量随着等离子体密度的升高而增大，但通常情况下很难找到与待测等离子体密度相同的元素灯，因此在测量上会引入一定误差，导致测量精度受到影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种激光诱导荧光测速的自标定方法及系统，以解决现有的激光诱导荧光测速中采用元素灯法对绝对速度零点对应的激光频率进行标定导致的测量成本高、且测量精度受限的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种激光诱导荧光测速的自标定方法，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定。本发明自标定方法包括：

调制激励激光在待测流场中以两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号强度得到实测荧光光谱线型；

对实测荧光光谱线型进行拟合，得到与两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值得到绝对速度零点对应的激光频率。

进一步地，两束方向相反的激光分别为入射激光和经反射镜反射后与入射激光在待测流场中路径重合的反射激光。

进一步地，入射激光强度，按照高饱和激发策略设定，用于避免反射激光的强度由于入射激光被路径上的待测粒子吸收而发生明显下降。

进一步地，采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行拟合，拟合过程采用迭代最小二乘法。

根据本发明的另一方面，还提供一种激光诱导荧光测速的自标定系统，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定。本发明自标定系统包括：

激光调制装置，用于在待测流场中形成两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

荧光光谱测量装置，用于测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号，得到实测荧光光谱线型；

数据分析装置，连接荧光光谱测量装置，用于对实测荧光光谱线型进行拟合，得到与两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值得到绝对速度零点对应的激光频率。

进一步地，激光调制装置包括激光生成单元及设于入射激光的路径末端的激光反射镜，激光反射镜用于将入射激光反射生成与入射激光的路径重合的反射激光，激光反射镜设有用于调节其俯仰及偏转自由度的调整架。

进一步地，激光生成单元包括用于出射激光的激光器，激光器的出射端依次设置的折转镜、用于聚焦的长焦透镜、用于防止来流粒子轰击侵蚀折转镜与长焦透镜的光学保护窗口。

进一步地，激光生成单元出射的入射激光与待测流场中待测粒子的来流方向的夹角不大于10°。

进一步地，荧光光谱测量装置，包括用于采集荧光信号的荧光采集镜组，以及用于将荧光信号记录和转换为实测荧光光谱线型的转换处理模块。

进一步地，数据分析装置，包括采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行迭代最小二乘法拟合的处理模块。

本发明具有以下有益效果：

本发明激光诱导荧光测速的自标定方法及系统，通过在待测流场中以方向相反的两束激光与待测粒子相作用产生荧光，荧光光谱呈“双峰”分布。尤其当粒子满足麦克斯韦分布时，荧光光谱线型应为以速度零点为中心的两个对称高斯分布相叠加而成，通过对荧光光谱进行拟合，其对称点即为速度零点所对应的频率值。本发明中，不需要额外的参考等离子体源进行标定，在实验上能够简化方案和节约成本；另一方面，可以排除因参考等离子体源与待测等离子体密度不相等时由斯塔克效应所带来的测量误差，故可以提高测量精度。本发明构思巧妙，检测精度高，具有广泛应用价值。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例激光诱导荧光测速的自标定方法的步骤流程示意图；

图2是本发明优选实施例激光诱导荧光测速的自标定系统的原理方框示意图；

图3是本发明优选实施例中双向荧光测量的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中典型光谱线型及其拟合结果示意图。

具体实施方式

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发明。

针对现有的激光诱导荧光测速中采用元素灯法对绝对速度零点对应的激光频率进行标定导致的测量成本高、且测量精度受限的问题，本发明实施例提供了一种激光诱导荧光测速的自标定方法，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定，参照图1，本实施例自标定方法包括：

步骤S100，调制激励激光在待测流场中以两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

步骤S200，测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号强度得到实测荧光光谱线型；

步骤S300，对实测荧光光谱线型进行拟合，得到与两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值，得到绝对速度零点对应的激光频率。

本实施例方法通过在待测流场中控制方向相反的两束激光与待测粒子相作用产生荧光，荧光光谱呈“双峰”分布。尤其当粒子满足麦克斯韦分布时，荧光光谱线型应为以速度零点为中心的两个对称高斯分布相叠加而成，通过对荧光光谱进行拟合，其对称点即为速度零点所对应的频率值。本发明方法中，不需要额外的参考等离子体源进行标定，在实验上能够简化方案和节约成本，尤其是，传统方法需要额外的元素灯及其高压驱动电源，而特殊设计的可透视空心阴极灯只能从国外定制，特别这类高端光学器件受到日本等国家的出口管制，实际获得的途径较为复杂，因此本方法的实验方案可以大大节约经济和时间成本；另一方面，可以排除因参考等离子体源与待测等离子体密度不相等时由斯塔克效应所带来的测量误差，故可以提高测量精度。尤其在目标流场运动速度测量领域，其绝度速度零点的选取是速度标定过程中最关键的环节，本发明构思巧妙，降低了系统的复杂度，且排除了元素灯法因参考等离子体源与目标密度不一致时的测量误差，检测精度高，具有广泛应用价值。本实施例中，两束方向相反的激光为入射激光及经反射镜反射后与入射激光重合的反射激光。优选地，将激励激光以接近羽流喷出的方向入射，通过调节羽流上游的二维可调节反射镜，使得入射光与反射光达到高度重合的状态，并测量激光路径上的诱导荧光。当激光路径上的待测流场的速度较高时，所测得的双峰间距更大，结果具有更高的精度，因此，优选对粒子速度分量较大的方向进行测量，实施时，保证激光入射的方向与粒子来流的方向夹角不大于10°，从而得到相对较高的测量精度。

本实施例中，按照高饱和激发策略设定入射激光强度，用于避免反射激光的强度由于入射激光被路径上的待测粒子吸收后发生明显下降。如果激光器输出功率允许，应使激励点饱和度S不小于8。优选地，激光器选择激光饱和度由以下关系确定：

其中g₁和g₂为上下能级的简并度，h为普朗克常量，c为光速，i(ν)_max为不考虑饱和效应时的理想光谱线型在单位频率下的最高概率值，I_s为临界饱和强度，I_v为实际采用的激励激光强度。λ₀为荧光中心波长，此处可通过NIST光谱数据库查询得到近似值，以此带来饱和度的计算误差不高于0.05％(通常荧光波长范围为400nm到700nm，数据库提供的波长与实际误差不超过0.2nm)。通过选择合适的激发饱和度，使得实测荧光光谱线型符合对称的双峰结构，可以提高测量精度。

本实施例采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行拟合，优选地，拟合过程采用最小二乘法进行迭代。

当完全遵照上述优选参数和规范测量时，实测荧光应该具有完全对称的双峰结构，典型的实验测量结果如图4所示。对实测荧光光谱线型采用如下公式进行拟合：

其中f_m(ν；A,T,ν₁,ν₂,n)为荧光光谱在频率空间的线型函数，ν为激光频率，A,T,ν₁,ν₂,n分别为需要拟合的五个参量，其物理含义分别为：幅值强度、离子温度、中心频率1、中心频率2、测量噪声水平；M为选定激发粒子的质量，k为玻尔兹曼常量，c为光速。

当上述优选参数不能完全满足时，比如激励激光功率不足导致饱和度不高，或者透镜的焦距较短导致光斑随着传输路径发散严重，荧光退化为并非完全对称的双峰结构，此时对荧光线型采用如下公式进行拟合：

即幅值强度对应两个大小不等的拟合变量A₁，A₂。

当通过数值方法完成各参量的拟合后，以中心频率1和中心频率2的算数平均值作为速度零点对应的频率值：

上述拟合过程为多参数的非线性拟合，通常需要消耗较多的计算资源和时间。优选地，本实施例采用最小二乘法进行迭代拟合，具体采用matlab软件中的函数lsqcurvefit来实现，误差控制参数以及迭代参数的控制代码为：

[ff＝optimset；ff.TolFun＝1e-20；ff.TolX＝1e-20；ff.MaxFunEvals＝10000；ff.MaxIter＝4000；]。

根据本发明的另一方面，还提供一种激光诱导荧光测速的自标定系统，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定，参照图2，本实施例标定系统包括：

激光调制装置100，用于在待测流场中形成两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

荧光光谱测量装置200，用于测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号强度得到实测荧光光谱线型；

数据分析装置300，连接荧光光强测量装置200，用于对实测荧光光谱线型进行拟合，得到两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值得到绝对速度零点对应的激光频率。

参照图3，本实施例激光调制装置100包括用于生成入射激光的激光生成单元及设于入射激光的前端用于将入射激光反射生成与入射激光重合的反射激光的激光反射镜101，激光反射镜101设有用于调节其俯仰及偏转自由度的调整架。经调整架使得激光反射镜101具有俯仰和偏转两个自由度的精密调节能力，保证入射光路与反射光路的高度重合。优选地，激光反射镜101应该具有较小的尺寸，以减小对于原流场的扰动，通常应使用不大于1/4”的圆形反射镜，反射率不低于98％。

本实施例中，激光生成单元包括用于出射激光的激光器(图中未示出)，激光器的出射端依次设置用于调整激光入射方向的折转镜102、用于聚焦的长焦透镜103、用于防止来流粒子的轰击侵蚀的光学保护窗口104。为了提高测量的精度，应该保证激光在路径上都保持小的光斑直径，优选地，选择长焦透镜对激励激光进行约束，通常透镜的焦距为不小于1m，等离子体反应区的光斑直径不超过1mm。由于折转镜和透镜可能受到来流高速粒子的轰击侵蚀，优选在透镜上游设置光学保护窗口104。

本实施例中，按照高饱和激发策略设定入射激光强度，用于避免反射激光的强度由于入射激光被路径上的待测粒子吸收后发生明显下降。如果激光器输出功率允许，应使激励点饱和度S不小于8。

激光路径上的待测流场的速度较高时，所测得的双峰间距更大，结果具有更高的精度，因此，优选对粒子速度分量较大的方向进行测量，实施时，保证激光入射的方向与粒子来流的方向夹角α不大于10°，从而得到相对较高的测量精度。

本实施例中，荧光光谱测量装置200包括用于采集荧光信号的荧光采集镜组201及用于将荧光信号记录和转换为实测荧光光谱线型的转换处理模块。具体地，荧光采集镜组201经光纤并从光纤单色仪的入口狭缝进入，经光栅分光后出射，然后进入光电倍增管(PMT)后转化为电流信号，利用锁相放大器对该信号与斩波器的斩波频率进行相敏检波，从而将激光诱导的微弱荧光信号从高背景噪声提取，最后与PC通信进行采集记录信号强度，得到实测荧光光谱线型。

本实施例中，荧光采集镜组201包括保护窗口、可调焦光纤准直器以及光学安装支架。为了保证测量具有较高的空间分辨率，应选用可以调节焦距的光纤准直器，在测量前采用如下具体方法进行焦距调节：将一台标定用的激光器从荧光采集光路反向接入，调节纤准直器的焦距大小，使得出射光斑在激励点处的投影直径不大于3mm。

本实施例中，数据分析装置300采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行拟合，拟合过程采用最小二乘法进行迭代，具体处理过程参照上述方法实施例，在此不再赘述。

本实施例激光诱导荧光测速标定方法及标定系统，通过在待测流场中以方向相反的两束激光与待测粒子相作用产生荧光，荧光光谱呈“双峰”分布，尤其当粒子满足麦克斯韦分布时，荧光光谱线型应为以速度零点为中心的两个对称高斯分布相叠加而成，通过对荧光光谱进行拟合，其对称点即为速度零点所对应的频率值；本发明方法中，不需要额外的参考等离子体源进行标定，在实验上能够简化方案和节约成本；另一方面，可以排除因参考等离子体源与待测等离子体密度不相等时由斯塔克效应所带来的测量误差，故可以提高实验精度，其构思巧妙，检测精度高，具有广泛应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。