发动机羽流特征信号测试装置与方法与流程
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种发动机羽流特征信号测试装置与方法。
背景技术：
航空发动机、火箭发动机、冲压发动机及新型发动机等航空航天发动机排气羽流通常是以超声速排出喷管的燃烧产物，其在喷管出口处会进一步扩散、膨胀，形成发光发热羽流流场，其与周围环境的相互作用，会形成烟雾、辐射、对探测或制导信号衰减等多种效应，这些效应统称为排气羽流的特征信号。为进一步提高航空、航天器及武器系统的安全性等性能，发动机研制在追求高能同时也关注发动机羽流需要具备低特征信号，发动机羽流低特征信号通常指羽流具有紫外、可见、红外辐射低、排气无可见烟雾等特性，从而保证航空、航天器及武器系统具有可靠的隐身性能，降低烟雾对自身制导和通信信号的干扰和衰减作用。此外，发动机在地面试验和飞行过程中，由于恶劣的工作条件，发动机涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免损伤，羽流特征信号还可以为发动机工作状态安全监测提供支撑。
发动机羽流特征信号测试主要包括羽流颗粒与辐射参数，然而这些羽流颗粒的粒径与浓度参数具有较大范围，并且温度较高，多相存在，辐射波段范围大，辐射强度较强，都给发动机羽流特征信号测试带来巨大挑战，目前尚无有效发动机羽流颗粒与辐射参数的在线同步测试手段来综合评价发动机羽流特征信号。
技术实现要素：
本发明的目的之一是提供一种发动机羽流特征信号测试装置与方法，有辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，通过测量羽流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测羽流后的衰减程度，建立发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，具有这样的特征，包括：激光光源部，位于发动机羽流一侧，用于产生不同波长的入射激光；光接收部，位于发动机羽流另一侧，用于过滤、汇聚及接收辐射光或透射激光；光电探测部，通过光纤与光接收部连接，用于探测光接收部接收汇聚的不同波长的光的强度；以及特征信号测试处理部，用于控制激光光源部的工作方式，其中，特征信号测试处理部与激光光源部、光电探测部分别通信连接，处理、保存与显示发动机羽流特征信号参数。
本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，还可以具有这样的特征：其中，激光光源部包括激光控制器、多个激光器、光纤耦合器、准直器，特征信号测试处理部控制激光控制器的工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，激光控制器是由特征信号测试处理部通过控制信号电缆控制开启和关闭两种工作模式、激光器波长及激光输出强度参数，激光器产生的激光经光纤输出至光纤耦合器中，光纤耦合器接收激光器产生的激光并将激光耦合到输出光纤，准直器输出激光照射测量区。
另外，本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，还可以具有这样的特征：其中，光接收部包括滤波衰减器与汇光光纤耦合器，滤波衰减器具有滤光与无滤光两种工作模式，羽流辐射光、激光光源部产生的激光或两者混合光经滤波衰减器进入光纤耦合器后输出。
另外，本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，还可以具有这样的特征：其中，光电探测部包括准直器、多个光栅、多个光电探测器与光电探测处理器；准直器与光纤耦合器通过光纤连接，将光接收部输出的激光进行准直后的准直激光照射在光栅上，光栅接收准直激光后按照波长分成多束分光，多个光电探测器分别接收多束分光后将光信号转变为电信号通过电缆输出；光电探测处理器采集多个光电探测器输出的电信号并将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并经数字信号通讯电缆输出至特征信号测试处理部。
另外，本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，还可以具有这样的特征：其中，特征信号测试处理部连接激光光源部，用于控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，特征信号测试处理部连接光接收部，用于控制光接收部的工作模式，特征信号测试处理部连接光电探测部，用于获取不同波长羽流辐射光强度、不同波长透射激光强度，以及不同波长辐射光与透射激光混合光强度，基于建立的发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒与辐射参数。
另外，本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，还可以具有这样的特征：光接收部包括滤波衰减器与汇光光纤耦合器，滤波衰减器有滤光与无滤光两种可控工作模式，并且衰减程度可调，由特征信号测试处理部通过控制信号电缆控制，羽流辐射光、激光光源部产生的激光或两者混合光经滤波衰减器后进入光纤耦合器并由光纤输出。
光电探测部包括准直器、多个光栅、多个光电探测器与光电探测处理器，准直器与光接收部的光纤耦合器通过光纤连接，将光接收部获取的光准直后照射紫外、可见、红外波段多个不同波长范围的光栅，光栅接收光后按照波长分成多束分光，光栅有粗分光栅与细分光栅两种，多个光电探测器分别接收多束分光后将光信号转变为电信号通过电缆输出到光电探测处理器中，光电探测处理器将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并经数字信号通讯电缆输出至特征信号测试处理部。
特征信号测试处理部通过控制信号电缆连接激光控制器控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，通过控制信号电缆连接滤波衰减器控制有滤光与无滤光工作模式，并通过数字信号通讯电缆连接光电探测处理器获取紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光强度、不同波长透射激光强度，以及不同波长辐射光与透射激光混合光强度，基于建立的发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒与辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
一种采用上述的任意一种的发动机羽流特征信号测试装置对发动机羽流特征信号进行测试的方法，其特征在于，包括以下测试步骤：
s1：布置发动机羽流特征信号测试装置；
s2：确定发动机羽流特征信号测试装置工作方式，打开测试装置，记录、处理、保存试验前光电探测部探测的光初始信号；
s3：根据发动机羽流特征信号测试装置工作方式和测试需求，设定试验时序，并按照时序开展羽流特征信号测试，记录、处理、保存光电探测部探测的光信号；
s4：基于建立的羽流特征信号反演算法来获得发动机羽流颗粒参数与辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
另外，本发明提供的发动机羽流特征信号测试方法，还可以具有这样的特征：对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，发动机羽流特征信号测试方法也有三种方法：
对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的辐射测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部获得的羽流紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光强度数据，数据具有羽流辐射连续特征与颗粒辐射特征谱线两种特征，将两种特征剥离：根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源；根据羽流辐射连续特征，通过羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；进而评估发动机羽流特征信号。
对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的颗粒测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部获得的过滤羽流辐射光的不同波长透射激光的强度数据，数据有：试验前光电探测部探测获得的光初始信号；试验中光电探测部探测获得的光信号，即为不同波长透射激光的强度，对于激光光源部的多个激光器，便有多个信号峰值，从而得到不同波长激光透射光强i与初始光强i0，通过颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，同步获得羽流颗粒粒径与浓度参数，进而评估发动机羽流特征信号。
对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的同步测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部获得的不同波长的辐射光与透射激光混合光的强度数据，数据有：试验前光电探测部探测获得的光初始信号；试验中光电探测部探测获得的光信号，即为不同波长的辐射光与透射激光混合光的强度，具有羽流辐射连续特征、颗粒辐射特征谱线与透射激光三种特征：根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源；根据羽流辐射连续特征，通过羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；根据透射激光特征，为激光光源部的多个激光器造成的透射激光，从而可得到不同波长对应的混合光叠加光强i’，需要扣除混合光中的辐射光强度，从而得到准确的透射激光光强i：
i＝i’-ir
i’为试验测试光电探测部获得的对应波长的光强度，ir通过周边波长辐射光的强度数据插值得到的辐射基准光强，再结合初始光强i0，通过颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，获得羽流颗粒粒径与浓度参数。由此，同步获得羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
另外，本发明提供的发动机羽流特征信号测试方法，还可以具有这样的特征：颗粒粒径与浓度参数同步反演算法是建立在不同波长激光经待测羽流后的衰减程度符合比尔兰伯特定律得到的，不同波长激光经待测羽流后的衰减程度关系如下：
下标λi表示不同波长；t为透射率，是透射光强i与初始光强i0之比；qext为比例常数，与激光波长、颗粒参数等有关；l为羽流厚度；nd为颗粒浓度，f(d)为颗粒粒径分布函数。由此，通过实验测量不同波长激光透射光强i与初始光强i0获得羽流透射率t。
从而通过实验测量不同波长激光经待测羽流后衰减得到线性方程组：
e＝af
另外，本发明提供的发动机羽流特征信号测试方法，还可以具有这样的特征：颗粒组分反演算法是建立在发动机高温羽流中颗粒发射出足够强的紫外、可见或红外波段辐射特征谱线，通过特征谱线确定颗粒组分。
羽流中颗粒的原子的外层电子正常状态下处于基态，当受到高温环境外界激发后，激发态的原子处于一种极不稳定的状态，外层电子会自发地从高能级跃迁到低能级，同时释放出光子。原子自发辐射频率ν与能级差(e1-e2)有关，满足：
hν＝e1-e2
h为普朗克常数。
当系统处于热平衡状态时，原子各能量定态间的分布服从玻尔兹曼分布：
nn和n1分别为激发态和基态的原子数目，gn和g1分别为激发态和基态的原子数和统计权重，e1n为基态到激发态所需的激发能，k为玻尔兹曼常数，t为原子所处的温度。由此通过特征谱线波长与强度的分析可确定颗粒组分并得到组分浓度。
另外，本发明提供的发动机羽流特征信号测试方法，还可以具有这样的特征：颗粒来源识别算法主要基于羽流辐射光谱聚类分析的k-均值聚类算法得到。
k-均值聚类的基本思想为从含有大量固体颗粒物辐射光谱样本的数据集中随机选取k个数据样本作为初始聚类中心，统计出每个光谱样本与k个初始聚类中心的距离，将所有光谱数据划分到与其距离最近的聚类中心代表的类别中，根据新生成的各类中光谱样本的均值更新k个聚类中心。如果相邻迭代次数内聚类中心值的变化超过所设定的阈值，则依据新的聚类中心对所有光谱样本进行重新类别划分；若相邻迭代次数内聚类中心值的变化小于规定的阈值，则算法收敛，输出聚类结果。
k-均值聚类算法流程如下：
(a)选择k-均值聚类的原始数据集，从中随机选取k个光谱样本作为初始聚类中心z1,z2,…,zk；
(b)对所有光谱样本数据逐一计算它到k个凝聚点的距离(通常用欧氏距离作为样品到聚类中心的距离)，根据距离的大小将n个样品(或变量)分成k类，欧氏距离计算公式如下：
xi为样本x的第i个变量的变量值，yi为样本y的i个变量的变量值。若光谱样本到它原来所在类的距离最近，则它仍在原类，否则将它移动到和它距离最近的那一类；
(c)计算k类中每一类数据的聚类中心，若该聚类中心与初始聚类中心不重合则以该聚类中心为新的聚类中心并重复步骤(b)直到所有的光谱样本都不能移动为止，或者说每个聚类中心不再变化为止，则计算过程终止，由此识别发动机羽流颗粒物来源。
通过大量羽流辐射光谱聚类分析，可获得颗粒来源识别的特定波长特征，从而不需要获取所有波段的辐射光波长强度数据，只需要若干确定波长的数据即可，还可以进一步简化测试装置与颗粒来源识别算法。
另外，本发明提供的发动机羽流特征信号测试方法，还可以具有这样的特征：羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法是基于普朗克辐射定律参数拟合方法建立的。
测得的羽流不同波长辐射强度为：
ε为羽流的平均辐射率，值为介于0～1的一个常数；t为视场平均热力学温度，k为不同波长探测响应修正系数，该系数与光电探测响应、光纤传输以及测试系统相关参数有关。
根据测量工况与计算范围，在λt<<2000μmt的情况下，可以将普朗克辐射定律简化为维恩关系式：
对上式的等号两端同时取对数，令ε’＝lnε，t＝1/t，并将ε’、t代入上式可得：
建立多元函数f(ε’,t)利用多项式yi进行曲线拟合：
yi是实验测量所得到的波长为λi时辐射强度的对数。由最小二乘法可知，当上式中偏差的平方和最小时，计算得到对应的ε’和t值，代入回公式ε’＝lnε，t＝1/t，即可得到实验测量得到的平均温度和辐射率参数。
在此获得羽流辐射温度、辐射率参数的基础上，根据普朗克定律便可计算出紫外、可见与红外波段等全波段不同波长的羽流辐射强度，并可以通过全波段积分得到辐射总强度。
本发明提供了发动机羽流特征信号测试方法，具有这样的特征：发动机羽流特征信号测试装置具有辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式：
发动机羽流特征信号测试装置辐射测量工作方式中，激光光源部采用关闭工作模式，光接收部采用无滤光工作模式，光接收部用于汇聚获取羽流辐射光，相应地，光电探测部直接探测紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光的强度，用来获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；
发动机羽流特征信号测试装置颗粒测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收部采用滤光工作模式，光接收部用于过滤羽流辐射光并汇聚不同波长的透射激光，相应地，光电探测部探测过滤羽流辐射光后的不同波长透射激光的强度，用来获得羽流颗粒粒径与浓度参数，进而评估发动机羽流特征信号；
发动机羽流特征信号测试装置同步测量工作方式中，激光光源部采用开启工作模式，光接收部采用无滤光工作模式，光接收部用于汇聚获取羽流辐射光与透射激光混合光，相应地，光电探测部探测不同波长辐射光与透射激光混合光的强度，用来同步获得羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。
本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试方法，具有这样的特征：发动机羽流特征信号测试装置的工作方式要结合发动机测试需要，根据上述工作方式能够获得的参数种类来确定，相应的确定激光光源部与光接收部工作模式；
激光光源部多个激光器的激光波长与光接收部滤波衰减器滤波波长范围的选择通常在蓝紫光波段，为了消除羽流辐射光的影响；
多个激光器强度、滤波衰减器衰减率以及激光的光束截面直径的选择需要根据保证透射激光衰减程度在10-90％范围，这与羽流颗粒粒径与浓度造成的衰减程度有关，衰减越强，激光器强度提高，滤波衰减器衰减率减少，光束截面直径增大，其中，激光的光束截面直径通过激光光源部的准直器与光接收部的滤波衰减器面积参数进行调整。
光电探测部数据波长的选取结合测试需要分析数据的波长确定。
光电探测部光栅可以为一个、两个或者多个，光栅数量、工作波段以及相应的多个光电探测器的数量、工作波段都是根据接收部获取的光波长范围、测试需要分析数据的波长范围以及光栅工作波段特性决定。
本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，具有这样的特征：发动机羽流特征信号测试装置测试的羽流中颗粒可以是发动机燃料燃烧产生颗粒，也可以是发动机在地面试验和飞行过程中，由于恶劣的工作条件，发动机涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免损伤产生的颗粒。
本发明提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，用于测量发动机羽流辐射能量分布以及不同波长激光经待测羽流后的衰减程度，其特征在于，包括：烟道，设置在发动机和发动机羽流的外部，用于收集发动机试验过程中产生的烟雾，烟道上对称设置有两个光学窗口，激光光源部，位于一个光学窗口一侧，用于产生不同波长的入射激光；光接收部，位于另一个光学窗口一侧，用于过滤、汇聚及接收辐射光或透射激光；光电探测部，通过光纤与光接收部连接，用于探测光接收部接收汇聚的不同波长的光的强度；以及特征信号测试处理部，用于控制激光光源部的工作方式，其中，特征信号测试处理部与激光光源部、光电探测部分别通信连接，处理、保存与显示发动机羽流特征信号参数。
发明的作用与效果
本发明所涉及的发动机羽流特征信号测试装置与方法，具有的发明作用与效果有：
(1)本发明通过测量羽流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测羽流后的衰减程度，建立发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号，而不需要多个测试装置获得不同波长上的发动机羽流特征信号，进一步简化了发动机羽流特征信号测试装置与方法。
(2)本发明有羽流直接测试与烟道测试等多种布置形式，并通过对激光光源部和光接收部工作模式的控制，形成辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，十分方便的满足不同测试需求下的同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数测试，进而评估发动机羽流特征信号。
(3)本发明采用同步测量工作方式时，探测获得不同波长的辐射光与透射激光混合光强度数据，通过数据转换，可获得准确混合光内透射激光光强数据，从而实现羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数的同步测试。
(4)本发明激光光源部多个激光器的激光波长、强度、工作模式、光接收部滤波衰减器滤波波长范围、衰减率、工作模式、光电探测部数据波长的选取等，需要结合发动机羽流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与羽流辐射光谱等参数进行选择确定，激光器波长通常选用蓝紫光，可以保证激光光强测量不受辐射光影响，提高颗粒粒径与浓度参数测试精度。
附图说明
图1为实施例中发动机羽流特征信号测试装置羽流直接测试布置形式示意图；
图2为实施例中发动机羽流特征信号测试装置烟道测试布置形式示意图；
图3为实施例中发动机羽流特征信号三种工作方式典型数据处理示意图；
图4为实施例中发动机羽流特征信号测试方法中颗粒粒径与浓度参数测试的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的发动机羽流特征信号测试装置与方法作具体阐述。
实施例中提供的发动机羽流特征信号测试装置，具有辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，通过测量羽流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测羽流后的衰减程度，建立发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号，测试装置的工作时序根据发动机试验测试需求，与发动机试验同步进行测试，或者在发动机试验结束后一定时间内进行测试，可以用于航空发动机、火箭发动机、冲压发动机及新型发动机等发动机排气羽流或尾喷流特征信号测试，有羽流直接测试与烟道测试布置两种实施方式。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，包括：激光光源部2、光接收部3、光电探测部4、特征信号测试处理部5、电缆25、51、52、53、433、443及光纤26、28、30。
测试装置激光光源部2和光接收部3对应布置在发动机11出口附近的发动机羽流12的待测区域13两侧。
其中，激光光源部2位于发动机羽流12一侧，用于产生不同波长的入射激光20。
光接收部3位于发动机羽流12另一侧，用于汇聚接收经待测羽流后的透射激光、羽流12辐射光。
光电探测部4，分别与特征信号测试处理部5、光接收部3连接，用于探测光接收部3接收和汇聚的不同波长的光的强度。
特征信号测试处理部5与光接收部3、光电探测部4分别连接，用以控制激光光源部2。
激光光源部2包括激光控制器21、多个激光器22、23、24、光纤耦合器27、准直器29。
特征信号测试处理部5通过控制信号电缆71控制激光控制器21的工作模式、激光器22、23、24波长及激光输出强度参数，激光控制器21具有开启和关闭两种工作模式。
其中，激光控制器21与激光器22、23、24分别通过电缆25并联连接，用于控制不同波长的激光器22、23、24产生激光。
激光器22、23、24产生的激光经光纤26输出至光纤耦合器27中，光纤耦合器27接收激光器22、23、24产生的激光并将激光耦合到输出光纤28，并与准直器29连接，准直器29输出激光20照射测量区13。
光接收部3包括滤波衰减器31与汇光光纤耦合器32。
滤波衰减器31有滤光与无滤光两种可控工作模式，并且衰减程度可调，由特征信号测试处理部5通过控制信号电缆52控制。
羽流12辐射光、激光光源部2产生的激光或两者混合光经滤波衰减器31后进入光纤耦合器32并由光纤30输出。
光电探测部4包括准直器41、多个光栅42、43、44、多个光电探测器432、442与光电探测处理器45。
准直器41与光接收部3的光纤耦合器32通过光纤30连接，将光接收部3获取的光准直后照射具有紫外、可见、红外波段多个不同波长范围的光栅42、43、44，光栅42、43、44接收光后按照波长分成多束分光431、441，光栅有粗分光栅42与细分光栅43、44两种，多个光电探测器432、442分别接收多束分光431、441后将光信号转变为电信号通过电缆433、443输出到光电探测处理器45中，光电探测处理器45将电信号转变为数字信号，获得不同波长光的强度，并经数字信号通讯电缆53输出至特征信号测试处理部5。
特征信号测试处理部5通过控制信号电缆51连接激光控制器21控制入射激光的产生与关闭、波长及强度，通过控制信号电缆52连接滤波衰减器31控制有滤光与无滤光工作模式，并通过数字信号通讯电缆53连接光电探测处理器45获取紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光强度、不同波长透射激光强度，以及不同波长辐射光与透射激光混合光强度，基于建立的发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒与辐射参数，进而评估发动机羽流12特征信号。
发动机羽流特征信号测试装置辐射测量工作方式中，激光光源部2采用关闭工作模式，光接收部3采用无滤光工作模式，光接收部3用于汇聚获取羽流辐射光，相应地，光电探测部4直接探测紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光的强度，用来获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。
进一步，发动机羽流特征信号测试装置颗粒测量工作方式中，激光光源部2采用开启工作模式，光接收部3采用滤光工作模式，光接收部3用于过滤羽流辐射光并汇聚不同波长的透射激光，相应地，光电探测部4探测过滤羽流辐射光后的不同波长透射激光的强度，用来获得羽流颗粒粒径与浓度参数，进而评估发动机羽流特征信号。
进一步，发动机羽流特征信号测试装置同步测量工作方式中，激光光源部2采用开启工作模式，光接收部3采用无滤光工作模式，光接收部3用于汇聚获取羽流辐射光与透射激光混合光，相应地，光电探测部4探测不同波长辐射光与透射激光混合光的强度，用来同步获得羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。
进一步，测试装置的工作方式要结合发动机测试需要，根据上述工作方式能够获得的参数种类来确定，相应的确定激光光源部与光接收部工作模式。
激光光源部2多个激光器22、23、24的激光波长与光接收部3滤波衰减器31滤波波长范围的选择通常在蓝紫光波段，是为了消除羽流辐射光的影响。
多个激光器强度、滤波衰减器衰减率以及激光20的光束截面直径的选择需要根据保证透射激光衰减程度在10-90％范围，这与羽流颗粒粒径与浓度造成的衰减程度有关，衰减越强，激光器强度提高，滤波衰减器衰减率减少，光束截面直径增大，其中，激光20的光束截面直径通过激光光源部2的准直器29与光接收部3的滤波衰减器31面积参数进行调整。
光电探测部4数据波长的选取结合测试需要分析数据的波长确定。
光电探测部4光栅42、43、44可以为一个、两个或者多个，光栅数量、工作波段以及相应的多个光电探测器432、442的数量、工作波段都是根据接收部获取的光波长范围、测试需要分析数据的波长范围以及光栅工作波段特性决定。
进一步，羽流中颗粒可以是发动机11燃料燃烧产生颗粒，也可以是发动机在地面试验和飞行过程中，由于恶劣的工作条件，发动机涡轮叶片、轮盘等关键结构部件因碰磨或涂层脱落不可避免损伤产生的颗粒。
本实施例还提供了一种发动机羽流特征信号测试方法，测试步骤包括：
s1：布置发动机羽流特征信号测试装置；
s2：确定发动机羽流特征信号测试装置工作方式，打开测试装置，记录、处理、保存试验前光电探测部探测的光初始信号；
s3：根据发动机羽流特征信号测试装置工作方式和测试需求，设定试验时序，并按照时序开展羽流特征信号测试，记录、处理、保存光电探测部探测的光信号；
s4：基于建立的羽流特征信号反演算法来获得发动机羽流颗粒参数与辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的辐射测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部4获得的羽流紫外、可见、红外波段不同波长羽流辐射光强度数据，如图3(a)所示，数据曲线具有羽流辐射连续特征与颗粒辐射特征谱线两种特征，将两种特征剥离：
根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源；
根据羽流辐射连续特征，通过羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数；进而评估发动机羽流特征信号。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的颗粒测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部4获得的过滤羽流辐射光的不同波长透射激光的强度数据，如图3(b)所示，实线为试验前光电探测部探测4获得的光初始信号，虚线为试验中光电探测部探测4获得的光信号，即为不同波长透射激光的强度，对于激光光源部2的多个激光器，便有多个信号峰值，从而得到不同波长λi激光透射光强i与初始光强i0，通过上述颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，同步获得羽流颗粒粒径与浓度参数，进而评估发动机羽流特征信号。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，对应发动机羽流特征信号测试测量装置采用的同步测量工作方式，发动机羽流特征信号测试方法采用光电探测部4获得的不同波长的辐射光与透射激光混合光的强度数据，如图3(c)所示，实线为试验前光电探测部探测4获得的光初始信号，虚线为试验中光电探测部探测4获得的光信号，即为不同波长的辐射光与透射激光混合光的强度，具有羽流辐射连续特征、颗粒辐射特征谱线与透射激光三种特征，图3(c)中，i’为试验测试光电探测部获得的对应波长的光强度，ir通过周边波长辐射光的强度数据插值得到的辐射基准光强。
根据颗粒辐射特征谱线得到谱线波长、谱线强度参数，通过颗粒组分反演算法确定颗粒组分及浓度，根据辐射特征谱线波长、谱线强度、颗粒组分及浓度信息，通过颗粒来源识别算法分析得到颗粒来源。
根据羽流辐射连续特征，通过羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法，获得羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数。
根据透射激光特征，为激光光源部2的多个激光器造成的透射激光，从而可得到不同波长λi对应的混合光叠加光强i’，需要扣除混合光中的辐射光强度，从而得到准确的透射激光光强i：
i＝i’-ir
i’为试验测试光电探测部获得的对应波长的光强度，ir通过周边波长辐射光的强度数据插值得到的辐射基准光强，再结合初始光强i0，通过上述颗粒粒径与浓度参数同步反演算法，获得羽流颗粒粒径与浓度参数。
由此，同步获得羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，上述颗粒粒径与浓度参数同步反演算法是建立在不同波长激光经待测羽流后的衰减程度符合比尔兰伯特定律得到的，如图4所示，不同波长激光经待测羽流后的衰减程度关系如下：
下标λi表示不同波长；t为透射率，是透射光强i与初始光强i0之比；qext为比例常数，与激光波长、颗粒参数等有关；l为羽流厚度；nd为颗粒浓度，f(d)为颗粒粒径分布函数。由此，通过实验测量不同波长激光透射光强i与初始光强i0获得羽流透射率t。
从而通过实验测量不同波长激光经待测羽流后衰减得到线性方程组：
e＝af
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，上述颗粒组分反演算法是建立在发动机高温羽流中颗粒发射出足够强的紫外、可见或红外波段辐射特征谱线，通过特征谱线确定颗粒组分。
羽流中颗粒的原子的外层电子正常状态下处于基态，当受到高温环境外界激发后，激发态的原子处于一种极不稳定的状态，外层电子会自发地从高能级跃迁到低能级，同时释放出光子。原子自发辐射频率ν与能级差(e1-e2)有关，满足：
hν＝e1-e2
h为普朗克常数。
当系统处于热平衡状态时，原子各能量定态间的分布服从玻尔兹曼分布：
nn和n1分别为激发态和基态的原子数目，gn和g1分别为激发态和基态的原子数和统计权重，e1n为基态到激发态所需的激发能，k为玻尔兹曼常数，t为原子所处的温度。由此通过特征谱线波长与强度的分析可确定颗粒组分并得到组分浓度。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，上述颗粒来源识别算法主要基于羽流辐射光谱聚类分析的k-均值聚类算法得到。
k-均值聚类的基本思想为从含有大量固体颗粒物辐射光谱样本的数据集中随机选取k个数据样本作为初始聚类中心，统计出每个光谱样本与k个初始聚类中心的距离，将所有光谱数据划分到与其距离最近的聚类中心代表的类别中，根据新生成的各类中光谱样本的均值更新k个聚类中心。如果相邻迭代次数内聚类中心值的变化超过所设定的阈值，则依据新的聚类中心对所有光谱样本进行重新类别划分；若相邻迭代次数内聚类中心值的变化小于规定的阈值，则算法收敛，输出聚类结果。
k-均值聚类算法流程如下：
(a)选择k-均值聚类的原始数据集，从中随机选取k个光谱样本作为初始聚类中心z1,z2,…,zk；
(b)对所有光谱样本数据逐一计算它到k个凝聚点的距离(通常用欧氏距离作为样品到聚类中心的距离)，根据距离的大小将n个样品(或变量)分成k类，欧氏距离计算公式如下：
xi为样本x的第i个变量的变量值，yi为样本y的i个变量的变量值。若光谱样本到它原来所在类的距离最近，则它仍在原类，否则将它移动到和它距离最近的那一类；
(c)计算k类中每一类数据的聚类中心，若该聚类中心与初始聚类中心不重合则以该聚类中心为新的聚类中心并重复步骤(b)直到所有的光谱样本都不能移动为止，或者说每个聚类中心不再变化为止，则计算过程终止，由此识别发动机羽流颗粒物来源。
通过大量羽流辐射光谱聚类分析，可获得颗粒来源识别的特定波长特征，从而不需要获取所有波段的辐射光波长强度数据，只需要若干确定波长的数据即可，还可以进一步简化测试装置与颗粒来源识别算法。
进一步，本实施例提供的发动机羽流特征信号测试方法中，上述羽流辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数反演算法是基于普朗克辐射定律参数拟合方法建立的。
测得的羽流不同波长辐射强度为：
ε为羽流的平均辐射率，值为介于0～1的一个常数；t为视场平均热力学温度，k为不同波长探测响应修正系数，该系数与光电探测响应、光纤传输以及测试系统相关参数有关。
根据测量工况与计算范围，在λt<<2000μmt的情况下，可以将普朗克辐射定律简化为维恩关系式：
对上式的等号两端同时取对数，令ε’＝lnε，t＝1/t，并将ε’、t代入上式可得：
建立多元函数f(ε’,t)利用多项式yi进行曲线拟合：
yi是实验测量所得到的波长为λi时辐射强度的对数。由最小二乘法可知，当上式中偏差的平方和最小时，计算得到对应的ε’和t值，代入回公式ε’＝lnε，t＝1/t，即可得到实验测量得到的平均温度和辐射率参数。
在此获得羽流辐射温度、辐射率参数的基础上，根据普朗克定律便可计算出紫外、可见与红外波段等全波段不同波长的羽流辐射强度，并可以通过全波段积分得到辐射总强度。
实施例二
本实施例提供了一种发动机羽流特征信号测试装置，如图2所示，本实施例的其它结构与实施例一相同，只是在增加了烟道10，烟道10设置在发动机11和发动机羽流12外部。发动机11布置在烟道10内，烟道10用于避免外界环境对发动机羽流12的影响，并且收集发动机11试验过程中产生的烟雾，为减少烟道对发动机11工作的影响，烟道10设计成羽流尺寸20倍以上的尺寸，也可以是封闭的发动机试验舱或试验室，在发动机羽流待测区域13对应的烟道10上对称设置有光学窗口101、102。
光学窗口101、102外，分别布置相对应的发动机羽流特征信号测试装置激光光源部2和光接收部3。
实施例的作用与效果
实施例提供的发动机羽流特征信号测试装置与方法，具有的作用与效果有：
(1)实施例通过测量羽流紫外、可见、红外波段辐射能量分布，以及不同波长激光经待测羽流后的衰减程度，建立发动机羽流特征信号分析算法，同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数，进而评估发动机羽流特征信号，而不需要多个测试装置获得不同波长上的发动机羽流特征信号，进一步简化了发动机羽流特征信号测试装置与方法。
(2)实施例提供了羽流直接测试与烟道测试两种实施方式，并通过对激光光源部和光接收部工作模式的控制，形成辐射测量、颗粒测量与同步测量三种工作方式，十分方便的满足不同测试需求下的同步得到羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数测试，进而评估发动机羽流特征信号。
(3)实施例采用同步测量工作方式时，探测获得不同波长的辐射光与透射激光混合光强度数据，通过数据转换，可获得准确混合光内透射激光光强数据，从而实现羽流颗粒粒径、浓度、组分、来源识别等颗粒参数与辐射温度、辐射率、辐射强度等辐射参数的同步测试。
(4)实施例激光光源部多个激光器的激光波长、强度、工作模式、光接收部滤波衰减器滤波波长范围、衰减率、工作模式、光电探测部数据波长的选取等，需要结合发动机羽流颗粒粒径参数范围、颗粒浓度参数浓度与羽流辐射光谱等参数进行选择确定，激光器波长通常选用蓝紫光，可以保证激光光强测量不受辐射光影响，提高颗粒粒径与浓度参数测试精度。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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