一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光测量学领域，涉及一种基于光子时域滤波技术的发动机喷注器喷注雾化全场测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]液体燃料(碳氢)具有易储存、携带、密度高、单位体积热值高、便于实际应用等优点，被广泛应用于冲压发动机、涡轮发动机、爆震发动机、火箭发动机和汽车发动机等。发动机液体燃料喷注雾化过程在整个发动机工作过程中起着十分关键的作用，对发动机燃烧效率、点火性能以及燃烧稳定性都有十分显著的影响。此外，现代发动机的设计技术主要应用计算流体动力学(CFD)，但是由于燃烧过程的复杂性和缺乏实验数据，CFD模型存在诸多不足，其中一个主要不足就是很难准确的模拟液体燃料雾化过程，进而影响到整个燃烧过程模拟仿真的准确性。
[0003]喷注雾化过程大致可以分为近场区、二次雾化区和蒸发区，如图1所示。燃料在近场区发生液体破碎和初次雾化，该区液滴尺寸大、密度高，光子在该区会发生非常严重的吸收和散射现象，因此常规的光学测量手段都不能获得近场区的信息。目前，对于近场区，基于弹道光子时间选通技术(光子时域滤波技术)成像测量方法是一种十分有潜力的测量方法。这里需要说明:当激光束通过流场时，由于散射次数不同，大致可分为三类，其一是弹道光子，直接穿过流场，没有发生散射，与入射光传播方向一致，携带了流场信息。其二是蛇光子，通过流场时，一般经历I到4次散射，它们沿着入射光子方向出射，但是其发散角要大于弹道光子。还有一种光子叫扩散光子，通过流场时经历5次以上的散射，其出射方向与入射方向无关，以4π发散角出射，没有携带流场信息，属于噪声。当入射光通过流场时，在时序排列上，弹道光子在最前面，其后是蛇光子，最后是扩散光子，利用其时间特性即可将携带流场信息的弹道光子选择出来。
[0004]二次雾化区(稀疏雾化区)和蒸发区液滴尺寸小、密度低，常规的光学测量手段，如阴影法、PLIF、Mie散射技术和激光相位多普勒粒子分析技术等，都可以用于这两个区域的测量。
[0005]由于近场区光学透过率大约为10_210_5，弹道光子数密度远小于扩散光子。二次雾化区光学透过率大于0.1，蒸发区光学透过率大于0.8，而且以弹道光子为主。由于上述原因，目前雾化测量面临两个难点，第一，对于近场区，喷雾区中心和边缘光学透过率相差大约12?10 5倍，因此测量时很难同时获得近场区清晰的全场结构图。第二，由于近场区和其它区域的光学透过率相差太大，因此无法使用同一种测量手段，目前都是采用不同的测量方法分别测量，然而由于喷注雾化过程是一个时空变化非常剧烈的过程，因此通过不同手段测得的近场区和其它区域的流场结构没有相关性。基于上述难题，目前的雾化测量手段无法同时获得喷注雾化过程的全场瞬态结构，无法反映真实的喷注雾化过程。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置及方法，利用弹道光子时间选通技术、透过率与透过率空间分布结构可变的衰减技术实现喷注雾化全场测量，用于获得发动机喷注雾化全场瞬态结构。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置，包括飞秒激光器、分束镜、起偏器、可变矩形光阑、扩束系统、目标喷注器、第一凸透镜、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜、透过率及其空间分布结构可变的衰减器、ICOMS相机、半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜、光束收集器、时序控制系统、计算机，时序控制系统控制飞秒激光器和ICOMS相机，计算机控制ICMOS相机采集存储图像数据和控制光路延时器，飞秒激光器输出的飞秒激光经分束镜分为两束，分别作为成像光束和门控光束，门控光束依次通过半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜和光克尔介质，最后到达光束收集器，成像光束依次通过起偏器、可变矩形光阑、扩束系统、目标喷注器、第一凸透镜、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜、透过率及其空间分布结构可变的衰减器，最后达到ICOMS相机。
[0009]利用上述装置获得喷注雾化流场全场图像信息的方法，由以下步骤实现:
[0010]步骤一:利用飞秒激光器输出800nm飞秒激光。
[0011]步骤二:利用分束镜将飞秒激光按1:1分为两束，分别作为成像光束和门控光束，成像光束用于喷雾场成像，门控光束用于触发光克尔门。
[0012]步骤三:门控光束依次通过半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜和光克尔介质，最后到达光束收集器。
[0013]步骤四:(1)可变矩形光阑和扩束系统将成像光束整形为长宽比可变的矩形光斑，有效覆盖目标喷注器的全部喷雾场；(2)成像光束通过目标喷注器的喷雾场，形成携带喷雾场信息的弹道光子及噪声(蛇光子和扩散光子)；(3)由起偏器、检偏器与光克尔介质形成了光克尔门，实现对成像光束的时域滤波，将扩散光子和蛇光子滤除；(4)应用透过率及其空间分布结构可变的衰减器将全场弹道光子均匀化，使得到达ICMOS相机的近场区和其它区域的弹道光子数密度相当；(5)应用ICOMS相机接收弹道光子，形成清晰的喷雾场全场图像。
[0014]步骤五:利用时序控制系统同时控制飞秒激光器和ICOMS相机，确保成像光束到达ICMOS相机时，相机处于工作状态，当成像光束结束时，相机立即停止接收数据。
[0015]步骤六:利用计算机控制ICMOS相机采集存储图像数据；同时利用计算机控制光路延时器，实现对成像光束的时域滤波。
[0016]本发明具有如下优点:
[0017]1、利用光克尔效应作为时域滤波技术，将弹道光子选择出来成像，进而获得清晰的喷雾场结构图。
[0018]2、利用可变矩形光阑和扩束系统，将光束整形为长宽比可变的矩形光斑，有效覆盖全部喷雾场。
[0019]3、应用透过率及其空间分布结构可变的衰减器，使得到达ICMOS相机的近场区和其它区域的弹道光子数密度相当，从而同时获得清晰的喷雾场全场图像，解决目前不能同时获得喷雾场全场信息的难题。
【附图说明】
[0020]图1为互击式喷注器喷注雾化场结构示意图；
[0021]图2为基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置示意图；
[0022]图3为可变矩形光阑示意图；
[0023]图4为透过率及其空间分布结构可变的衰减器；
[0024]图中，1、飞秒激光器；2、分束镜；3、起偏器；4、可变矩形光阑；5、扩束系统；6、目标喷注器；7、第一凸透镜；8、光克尔介质；9、检偏器；10、第二凸透镜；11、透过率及其空间分布结构可变的衰减器；12、ICOMS相机；13、半波片；14、光路延时器；15、第一反射镜；16、第二反射镜；17、光束收集器；18、时序控制系统；19计算机。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0026]【具体实施方式】一:如图2、图3和图4所示，本实施方式提供的基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置由飞秒激光器1、分束镜2、起偏器3、可变矩形光阑4、扩束系统5、目标喷注器6、第一凸透镜7、光克尔介质8、检偏器9、第二凸透镜10、透过率及其空间分布结构可变的衰减器11、ICOMS相机12、半波片13、光路延时器14、第一反射镜15、第二反射镜16、光束收集器17、时序控制系统18和计算机19构成。
[0027]飞秒激光器I输出的飞秒激光经分束镜2分为两束，分别作为成像光束和门控光束，门控光束依次通过半波片13、光路延时器14、第一反射镜15、第二反射镜16和光克尔介质8，最后到达光束收集器17，成像光束依次通过起偏器3、可变矩形光阑4、扩束系统5、目标喷注器6、第一凸透镜7、光克尔介质8、检偏器9、第二凸透镜10、透过率及其空间分布结构可变的衰减器11，最后达到ICOMS相机12。
[0028]为了保证ICMOS相机能有效获得喷雾场图像，并有效减少背景噪声干扰，本发明采用时序控制系统18控制飞秒激光器I和ICOMS相机12，确保成像光束到达ICMOS相机12时，相机12处于工作状态，当成像光束结束时，相机12立即停止接收数据。计算机19控制ICMOS相机12采集存储图像数据以及控制光路延时器14。
[0029]本实施方式中，飞秒激光器I输出激光能量为05_2mJ，重频为0.l_10kHz，输出激光中心波长为800nm，脉宽为40-100fs，输出激光为线偏正光。
[0030]本实施方式中，ICOMS相机12为像增强型COMS相机，帧频为0.Ι-lOkHz，分辨率大于256X256，采集门宽小于20nsο
[0031]本实施方式中，为了有效利用成像光束能量和保证成像光束能量分布均匀，设计了可变矩形光阑4。如图3所示，可变矩形光阑由四片高强度黑色薄铁片(厚度为1_，长度为30mm，宽度为1mm)组成，横向和纵向各两片，每片铁片能沿光阑中轴线独立自由移动，从而使得通光孔长度和宽度可以独立自由调节，长度和宽度变化范围为1-10_，长宽比变化范围为1-10。
[0032]本实施方式中，扩束系统5扩束率为1-10。
[0033]本实施方式中，目标喷注器6可为冲压发动机、涡轮发动