一种煤油燃烧场OH-PLIF测量中消除煤油干扰的装置及方法与流程

本发明涉及燃烧流场参数测量领域，特别涉及一种煤油燃烧场oh-plif测量中消除煤油干扰的装置及方法。

背景技术：

基于oh-plif技术(其中，oh为羟基，plif为激光诱导荧光)，可实现对oh浓度及流场温度的二维测量，可以得到火焰结构、燃烧效率、反应机理等诸多方面的信息。

在实际发动机使用中，航空煤油是一种广泛使用的燃料，其宽带的吸收谱完全覆盖oh在280-320nm波段的吸收谱带，如附图1所示；煤油在此波段的发射谱完全覆盖oh荧光发射谱带，如附图2所示；并且煤油蒸汽具有更长的荧光寿命，如附图3所示。另外煤油相比较于oh具有更高的荧光发射效率，因而在煤油燃烧场中，残余煤油的荧光信号对oh-plif测量会造成很大干扰，为获得较为准确的oh荧光信号，需要消除其中煤油荧光信号的干扰是目前在煤油燃烧场中进行测量oh急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供了一种煤油燃烧场oh-plif测量中消除煤油干扰的装置及方法，可以获得煤油干扰分布区域并消除oh荧光信号中的煤油干扰，大大提升了oh测量的准确度。

本发明设计原理：

基于煤油具有宽带吸收、宽带发射及长荧光寿命等区别于oh的特点，本发明采用不同激励线、不同测量波段及不同测量延迟的方式额外测量获得煤油荧光强度分布，并通过标定oh、煤油混合荧光信号中煤油荧光与单纯煤油荧光信号的强度比例系数，在受干扰的oh测量结果中比例扣除煤油干扰获得较为准确的oh分布结果。原理步骤如下：

1、分别获得oh、煤油混合荧光强度分布以及单独煤油荧光强度分布；

2、计算单独煤油荧光强度校正系数；

3、在oh、煤油混合荧光中对应强度校正系数扣除煤油荧光干扰，获得准确的oh荧光分布。

基于上述原理的介绍，现对本发明的具体技术方案进行简述：

1、oh、煤油混合荧光及单独煤油荧光近同时测量过程：

为了减少煤油燃烧场随时间的变化对煤油荧光校正过程的影响，oh、煤油混合荧光测量与单纯煤油荧光测量时间间隔需尽可能小，通常需优于1000ns，两者同时测量为最优。此过程中采用280nm附近的激励光，在300-320nm进行荧光探测；煤油的近同时测量(探测时间间隔约1000ns)则按照与oh荧光测量在激励线、探测波长、荧光寿命方面的差异采取三种方式：

方式一：利用煤油较oh的宽带吸收特性，在选定的oh激励波长附近调整激励线单独激励煤油获得煤油荧光信号。此方式中需要的测量系统具体是：包括激励激光器、频域滤光单元、成像探测单元、辅助光路单元以及计算机；

激励激光器为两个，分别为激励激光器l1和激励激光器l2，激励激光器的激光脉宽均为10ns，波长范围处于280-295nm，激励光线宽为0.1cm^-1，激励激光器l1、激励激光器l2出光时间间隔可在10-1000ns可调，具体实验时间间隔设置与待测对象典型时间尺度匹配，确保在此时间间隔内，流场无明显变化；

其中，激励激光器l1处于oh(1-0)谱带共振激励线，在空气内波长为285.004nm，共振激励出oh、煤油混合荧光；激励激光器l2远离oh共振激励线，仅激励产生单独煤油荧光；

频域滤光单元采用一个305-320nm带通滤光片，用于通过受煤油荧光干扰的oh荧光；

成像探测单元选择双帧双曝光像增强相机或者两台像增强相机，相机采样时刻分别与激励激光器l1、激励激光器l2同步，曝光时间小于两路激光出光时间间隔，测量获得l1激励产生的混合荧光图像c1及l2激励产生的煤油荧光图像c2。

辅助光路单元用于对激励激光光路进行调整，包括光束的方向调整、光束整形实现均匀薄片状光激励以及获取激励激光的能量，其主要结构包括反射镜、合束镜、分束镜、能量计以及光束整形装置；反射镜、合束镜、分束镜以及光束整形装置均沿激励激光的光路依次设置；分束镜分出的光束一部分被能量计接收。

计算机通过获取的单独煤油荧光强度分布和oh、煤油混合荧光强度分布，计算出准确的oh荧光强度分布。

方式二：利用煤油较oh更宽的荧光发射波段，利用频域滤光单元，在340-360nm波段进行煤油荧光测量。此方式中需要的测量系统与方式一基本相同，不同之处是：

激励激光器为一个，激光脉宽为10ns，波长范围处于280-295nm，激励光线宽为0.1cm^-1；激励激光器处于oh(1-0)谱带共振激励线，在空气内波长为285.004nm，共振激励出oh、煤油混合荧光；

频域滤光单元为两个，一个为305-320nm带通滤光片f1，用于选择性透过受煤油荧光干扰的羟基荧光；另一个为335-345nm带通滤光片f2，用于在280-400nm范围内选择性通过单独煤油荧光；

成像探测单元为两台像增强相机或者一台带有分光双成像系统的像增强相机，可测量获取两幅测量图像c1、c2，成像探测单元的探测时间相对激励激光同步、测量门宽可在10-200ns。

方式三：利用煤油较oh具有更长的寿命，在激励光激励后更长的时间间隔(约100ns)进行煤油荧光测量。

激励激光器为一个，激光脉宽为10ns，波长在280-295nm范围可调谐，激励光线宽小于0.1cm^-1；测量过程中激励激光器输出波长处于oh共振激励线，在空气内波长为285.004nm，共振激励出oh、煤油混合荧光；

频域滤光单元为一个305-320nm带通滤光片，用于选择性透过受煤油荧光干扰的oh荧光；

成像探测单元为两台像增强相机，采样门宽在20-100ns范围内设置，两台像增强相机采样时间相对激励激光延时在15-200ns以内，两台像增强相机采样时间延时大于两台像增强相机采样门宽，且分别测量获得oh、煤油混合荧光图像c1与煤油荧光图像c2。

2、强度比例系数标定过程：

因为在混合荧光与煤油荧光的近同时测量中需采用单相机多帧快速曝光测量或者双相机测量，为避免多曝光及双相机测量时对荧光的强度响应差异，需要对两测量过程中探测系统的荧光强度响应进行标定。在本发明中通过在待测燃烧场、在oh激励波长附近调整激励线单纯激励煤油荧光，并在混合荧光测量系统及煤油荧光测量系统同时测量煤油荧光信号，进行两测量系统强度响应标定，获得强度比例系数。值得注意的是，采用双相机测量时因测量视角的差异，通常还需要在强度比例系数计算前进行成像匹配校正。

3、混合荧光中煤油荧光比例扣除过程：

此过程首先对两测量过程的测量图像进行成像校正(主要针对双相机测量)，随后在oh、煤油混合荧光测量结果中，结合煤油荧光测量结果及强度比例系数对应扣除各空间点煤油荧光干扰。对于煤油干扰较少区域可通过扣除直接获得较准确的oh荧光分布；对于混合荧光中煤油荧光比例较大区域(例如80％)可以对此区域进行标识，在最终的oh荧光分布中对此类强干扰区域进行排除。

本发明的有益效果：

1、本发明基于煤油具有宽带吸收、宽带发射及长荧光寿命等区别于oh的特点，在煤油燃烧场oh测量中通过获得单独煤油荧光，获得残余煤油对oh荧光的干扰强度信息，对oh荧光测量的可行性及实施方式提供了参考依据。

2、本发明在煤油燃烧场oh荧光测量中通过附加测量并对应扣除煤油荧光，消除或降低了煤油荧光对oh荧光测量的干扰，大大提升了oh荧光强度测量的准确性。

3、本发明提出了三种测量系统和方法，使得在oh、煤油混合荧光中扣除煤油荧光干扰的方式更加灵活，能够适应各种不同的条件和场景。

附图说明

图1为250-400nm波段oh及煤油蒸汽吸收光谱数据图。

图2为282nm波段激光激励oh及煤油蒸汽荧光发射光谱。

图3为282nm波段激光激励煤油蒸汽及oh荧光强度时间弛豫曲线。

图4为本发明测量装置的示意图。

图5为煤油燃烧场oh测量过程示意图。

图6为oh、煤油蒸汽荧光测量激励线选择示意图。

图7为oh、煤油蒸汽荧光测量频域滤光单元参数示意图。

图8为oh、煤油蒸汽荧光测量不同延时条件下测量信号在荧光强度弛豫曲线所处位置示意图。

附图标记如下：

1-激励激光器、2-反射镜、3-合束镜、4-分束镜、5-光束整形装置、6-煤油燃烧场、7-能量计、8-频域滤光单元、9-成像探测单元、10-计算机。

具体实施方式

为了更加准确对本发明的技术方案及技术效果进行介绍，下面对本发明进行进一步的说明。

本发明中的方法所需的测量装置，基本架构包括激励激光器1、频域滤光单元8、成像探测单元9、辅助光路单元以及计算机10。

激励激光器1用于在煤油燃烧场6内激励出oh、煤油混合荧光以及单独煤油荧光；激励激光器至少为一台，图4中出现了两台，分别是激励激光器l1和激励激光器l2；

频域滤光单元8用以选择探测荧光波段、抑制激励光杂散光；频域滤光单元包括至少一个带通滤片，图4中出现了两套，分别是通过oh、煤油混合荧光的f1和仅通过煤油荧光的f2；

成像探测单元9用以对荧光信号进行成像测量；成像探测单元至少为一台，可选用双帧双曝光像增强相机或两台像增强相机或一台带有分光双成像系统的像增强相机或两台iccd；

辅助光路单元可实现对光路的调整控制，包括光束的方向调整及光束整形实现均匀薄片状光激励，典型光片宽度大于20mm、厚度低于0.5mm；其具体结构包括反射镜2、合束镜3、分束镜4、能量计7以及光束整形装置5；反射镜2、合束镜3、分束镜4以及光束整形装置5均沿激励激光的光路依次设置；分束镜4分出的光束一部分被能量计7接收。

其中，反射镜2用以将激励激光调整反射45度，用以实现两路激光共线(面)传播，合束镜3在测量区实现光片重合，分束镜4用于提供少量反射激励激光便于实施激光能量实时监测的，能量计7实现激励激光能量测量

计算机10通过获取的单独煤油荧光强度分布、oh、煤油混合荧光强度分布以及强度矫正系数，计算出准确的oh荧光强度分布。

原理性的方法步骤如图5所示：

【1】激励激光器经过辅助光路单元的调整在煤油燃烧场激励oh及残余煤油蒸汽产生oh、煤油混合荧光以及单独煤油荧光，oh、煤油混合荧光以及单独煤油荧光通过频域滤光单元后在成像探测单元中分别得到oh、煤油混合荧光以及单独煤油荧光的强度分布；

【2】通过标定实验，计算两套探测系统荧光强度相对激励能量的探测效率，获取单独煤油荧光强度矫正系数，用以修正两套探测系统在探测参数、相机响应等方面的差异；

【3】在oh、煤油混合荧光中对应单独煤油荧光强度校正系数扣除单独煤油荧光的干扰，获得准确的oh荧光强度分布。

下面结合三个实施例对本发明的装置和方法进行更加详尽的说明：

实施例1：

采用激励激光器l1和激励激光器l2，激光脉宽选择但不限于10ns，波长处于280-295nm范围，激励光线宽优于0.1cm^-1，以提高激励分辨率，激励激光器l1处于oh(1-0)谱带共振激励线，共振激励oh基态转动能级，同时激励燃烧场煤油蒸汽产生煤油荧光，此实施例选择但不限于p1(7)激励线，在空气内波长为285.004nm；激励激光器l2激励波长与激励激光器l1波长接近，但远离oh共振激励线，仅可激励产生煤油荧光，此例选择但不限于284.97nm，两条激励线的位置如图6所示。两个激励激光器存在延时，延时间隔可调，在探测系统参数范围，选取大于煤油激励荧光寿命的最小值，在减少双幅测量相互干扰的同时减少双幅测量间隔火焰状态变化对测量的影响，本实施例综合参考图3煤油蒸汽荧光强度时间弛豫曲线及探测系统参数，两个激励激光器激励延时选择为500ns；

频域滤光单元采用一个用于接收305-320nm带通滤光片，用以滤除激励激光杂散光，选择性透过羟基荧光(1-1)及(0-0)波段及部分煤油荧光波段；

成像探测单元选择双帧双曝光像增强相机，所述探测系统可在最小500ns时间间隔获得两幅测量图像c1、c2，测量门宽短于200ns，此例选择20ns。

实施例1的具体测量方法，包括以下步骤：

步骤1：使用激励激光器l2仅激励煤油蒸汽产生荧光，c1与l2同步，门宽20ns，通过频域滤光单元在图像c1获得相对激励光强度归一的煤油荧光强度ns'1k(x,y)；

步骤2：使用激励激光器l2仅激励煤油蒸汽产生荧光，c2与l2同步，门宽20ns，通过频域滤光单元在图像c2获得相对激励光强度归一的煤油荧光强度ns'2k(x,y)；

步骤3：计算得到系统强度矫正系数

kl(x,y)＝ns'1k(x,y)/ns'2k(x,y)；

步骤4：在与步骤1-3相同的燃烧参数设置条件下，使用激励激光器l1激励oh、煤油蒸汽，双帧双曝光像增强相机与激励激光器同步，门宽20ns，获得混合荧光信号s1m(x,y)；使用激励激光器l2激励煤油蒸汽，双帧双曝光像增强相机与激励激光器l2同步，门宽20ns，获得煤油荧光信号s2k(x,y)，测量过程中实时测量两激励光能量；

步骤5：将荧光信号相对各自激励能量进行归一，获得ns1m(x,y)、ns2k(x,y)；

步骤6：在混合荧光信号中消除煤油荧光干扰，则oh荧光信号分布为：nsoh(x,y)＝ns1m(x,y)-kl(x,y)·ns2k(x,y)。

实施例2

此实施例仅需要一个激励激光器l1，选择但不限于脉宽为10ns的脉冲激光，激励光线宽优于0.1cm^-1，以获得较强的oh荧光信号，波长处于280-295nm范围oh(1-0)谱带共振激励线，同时激励燃烧场oh及煤油蒸汽产生oh、煤油荧光混合信号，此例选择但不限于p1(7)激励线作为测量波长，空气内波长为285.004nm，选择但不限于空气内波长284.97nm作为标定波长。

此例频域滤光单元为两个，一个为305-320nm带通滤光片f1，用于通过受煤油荧光干扰的羟基荧光；另一个为335-345nm带通滤光片f2，用于通过单独煤油荧光；频域滤光单元透射范围如图7所示；

成像探测单元为两台像增强相机或者可实现同样功能的一台带有分光双成像系统的一台像增强相机，可测量获取两幅测量图像c1、c2，成像探测单元的探测时间相对激励激光同步、测量门宽可在10-200ns。

实施例2的具体测量方法，包括以下步骤：

步骤1：选择激励激光器l1标定波长284.97nm激励煤油蒸汽产生oh、煤油荧光混合信号，通过带通滤光片f1、f2，在成像探测单元的图像c1、c2中分别获得单独煤油荧光强度s'1k(x,y)、s'2k(x,y)；

步骤2：对两幅时间同步图像进行空间成像校正，消除由于测量角度不同带来的差别，获得校正后单独煤油荧光强度cs'1k(x,y)、cs'2k(x,y)；

步骤3：计算得到不同波长矫正系数kw(x,y)＝cs'1k(x,y)/cs'2k(x,y)；

步骤4：在与步骤1-3相同的燃烧参数设置条件下，选择p1(7)激励线，通过带通滤光片f1获得oh、煤油混合荧光强度s1m(x,y)，通过带通滤光片f2获得煤油荧光强度s2k(x,y)；

步骤5：对两幅时间同步图像进行空间成像校正消除由于测量角度不同带来的差别，获得校正后的oh、煤油混合荧光强度cs1m(x,y)、cs2k(x,y)；

步骤6：在混合荧光信号中消除煤油荧光干扰，则oh荧光信号分布为csoh(x,y)＝cs1m(x,y)-kw(x,y)·cs2k(x,y)。

实施例3

此例仅需要一个激励激光器l1，激励激光脉冲宽度选择但不限于10ns，线宽优于0.1cm^-1，波长处于280-295nm范围oh(1-0)谱带共振激励线，同时激励燃烧场oh及煤油蒸汽产生oh与煤油荧光混合信号，此例测量波长选择但不限于p1(7)激励线，空气内波长285.004nm，标定波长选择但不限于空气内波长284.97nm；

频域滤光单元选择但不限于305-320nm带通滤光片，用以滤除激励激光杂散光，选择性透过羟基荧光(1-1)及(0-0)波段及部分煤油荧光波段，

本实施例成像探测单元选择为两台iccd，采样门宽小于100ns，本例选择为20ns，两相机c1、c2延时设置相对激励光延时在15-200ns以内，且两者延时差大于采样门宽，以避免两者含共有信号，本例分别为t1＝20、t2＝60ns，分别测量获得荧光信号s1与s2，不同延时条件下测量信号强度在时间弛豫曲线的位置如图8所示。

实施例3的具体测量方法，包括以下步骤：

步骤1：选择激励激光器l1标定波长284.97nm激励煤油蒸汽产生oh、煤油荧光混合信号，通过305-320nm带通滤光片，两台iccd在延时t1、t2分别获得单独煤油荧光强度s'1k(x,y)、s'2k(x,y)；

步骤2：对两幅时间同步图像进行空间成像校正消除由于测量角度不同带来的差别，获得校正后两个单独煤油荧光强度：cs'1k(x,y)、cs'2k(x,y)；

步骤3：计算得到不同延时煤油强度矫正系数kt(x,y)＝cs'1k(x,y)/cs'2k(x,y)；

步骤4：在与步骤1-3相同的燃烧参数设置条件，选择p1(7)激励线，在延时t1获得oh、煤油混合荧光强度s1m(x,y)，在延时t2获得煤油荧光强度s2k(x,y)；

步骤5：对两幅时间同步图像进行空间成像校正消除由于测量角度不同带来的差别，获得校正后oh、煤油混合荧光强度cs1m(x,y)、cs2k(x,y)；

步骤6：在混合荧光信号中消除煤油荧光干扰，则oh荧光信号分布为csoh(x,y)＝cs1m(x,y)-kt(x,y)·cs2k(x,y)。