基于视觉辅助的等离子体射流三维电子温度光谱诊断方法

本发明属于等离子体诊断领域，具体涉及一种基于视觉辅助的等离子体射流三维电子温度光谱诊断方法。

背景技术：

1、当高超声速飞行器进入大气层时，飞行器表面与大气层产生剧烈的摩擦，从而导致飞行器表面及其周围空气温度及压力急剧升高。在高温高压的环境影响下，将产生一系列化学反应，大量的分子和原子中的电子产生能级跃迁，从而电离产生离子和自由电子，在飞行器外围形成等离子体鞘套。等离子体鞘套中包含大量的带电粒子和自由电子，当电磁波穿过等离子体鞘套时，这些带电粒子和自由电子会对于电磁波产生部分吸收和反射，从而影响飞行器与地面间的通信，即“黑障”现象。为了解决该问题，需研究等离子体物理参数的三维分布对于电磁波传输的影响，为电磁波传输理论的研究提供信道环境参数。本发明适用于电感或者电容耦合装置产生的等离子射流的诊断。

2、目前，等离子体电子温度的诊断方法主要分为接触式方法和非接触式方法。

3、1)接触式方法主要采用静电探针实现。静电探针具有高空间分辨率、高时间分辨率、简单以及经济的优点，但是接触式测量会影响等离子体射流，并且，探针逐点测量等离子体，难以获得电子温度的三维分布。

4、2)非接触式方法主要有激光散射法、光谱法等。a.激光散射法的空间定位性好，只需要假设电子速度满足麦克斯韦尔分布，就可以得到准确、可靠的电子温度诊断数据。但激光散射法结构复杂，设备造价高，对光路的稳定性要求高，并且，只能对等离子体进行定点测量，不能获取等离子体电子温度的三维分布情况。b.光谱法通过等离子体发射光谱信息诊断电子温度，但是传统的光谱法获取的是光纤探头的镜头所汇集的几何空间范围内的积分发射系数，不能得到二维或者三维电子温度分布。有学者采用准直镜和阿贝尔算法获得了轴对称等离子体射流的电子温度二维和三维分布，但是该方法不能用于非轴对称等离子体。还有文献采用安装了单波长滤镜的相机进行电子温度三维诊断，但是其所使用的滤镜波长数量较少；滤镜的中心频率、带宽受加工工艺影响，其参数的一致性很差；并且没有考虑相机自身性能和参数对光谱响应的影响，所以该方法诊断精度较低。

5、因此，现有的等离子体电子温度的诊断方法存在难以获得等离子体电子温度的三维分布、不能用于非轴对称等离子体的诊断、诊断精度低的缺陷。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于视觉辅助的等离子体射流三维电子温度光谱诊断方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种基于视觉辅助的等离子体射流三维电子温度光谱诊断方法，包括步骤：

3、获取安装光束调整模块的光纤探头在等离子体射流的径向截面上围绕等离子体旋转时，多个探测位置的等离子体光谱发射系数积分值；

4、通过双目视觉原理从光纤探头图像中获取在不同探测位置时光纤探头的平面坐标和探测方向的直线方程；

5、根据所述平面坐标、所述探测方向的直线方程和所述径向截面的各个面元位置，确定各个面元到所述光纤探头的权重系数矩阵；

6、利用所述光谱发射系数积分值和所述权重系数矩阵，采用代数迭代方法计算不同激发波长的二维光谱发射系数分布；

7、通过所述不同激发波长的二维光谱发射系数分布，采用玻尔兹曼斜率法计算各个面元的电子温度，得到所述径向截面的二维电子温度分布；

8、将沿等离子体射流轴向的多个径向截面的二维电子温度分布按照几何位置叠放，得到等离子体射流的三维电子温度分布。

9、在本发明的一个实施例中，通过双目视觉原理从光纤探头图像中获取在不同探测位置下光纤探头的平面坐标和探测方向的直线方程，包括：

10、利用双目视觉原理，通过识别所述光纤探头图像中探头表面标志计算在不同探测位置时光纤探头的空间位置；

11、建立所述径向截面的平面坐标系，利用所述空间位置获得在不同探测位置下光纤探头的平面坐标和探测方向的直线方程。

12、在本发明的一个实施例中，根据所述平面坐标、所述探测方向的直线方程和所述径向截面的各个面元位置，确定各个面元到所述光纤探头的权重系数矩阵，包括：

13、将等离子体的径向截面划分为若干面元；

14、通过所述平面坐标和所述探测方向的直线方程计算得到探头光路与面元的重叠部分面积；

15、由所述重叠部分面积与对应面元总面积的比值形成各个面元到所述光纤探头的权重系数矩阵：

16、

17、

18、其中，w表示权重系数矩阵，n表示光纤探头的n个探测位置，m表示径向截面的m个面元，wnm表示第m个面元的发射光谱进入第n个位置的光纤探头的进光量的权重系数，snm为探头光路与面元的重叠部分面积，s为一个面元的总面积。

19、在本发明的一个实施例中，将等离子体的径向截面划分为若干面元，包括：

20、将等离子体的径向截面沿第一方向等距划分为第一数量等分，沿第二方向等距划分为第二数量等分，形成若干面元。

21、在本发明的一个实施例中，利用所述光谱发射系数积分值和所述权重系数矩阵，采用代数迭代方法计算不同激发波长的二维光谱发射系数分布，包括：

22、将所述光谱发射系数积分值用所述权重系数离散化表示，得到待求解方程，其中，所述待求解方程的离散化形式、矩阵形式和展开形式分别为：

23、

24、

25、

26、其中，表示光纤探头在导轨的n个位置上探测到的波长为λj的光谱发射系数积分值，为m个面元上的波长为λj的光谱发射系数，w表示权重系数矩阵，wnm表示第m个面元的发射光谱进入第n个位置的光纤探头的进光量的权重系数；

27、通过代数迭代方法求解所述待求解方程，得到激发波长λj的光谱发射系数进而得到不同激发波长的二维光谱发射系数分布。

28、在本发明的一个实施例中，通过所述不同激发波长的二维光谱发射系数分布，采用玻尔兹曼斜率法计算各个面元的电子温度，得到所述径向截面的二维电子温度分布，包括：

29、根据玻尔兹曼斜率法，在热力学平衡或者局部热力学平衡状态下，等离子体的光谱发射系数与等离子体电子温度存在目标关系：

30、

31、其中，表示第m个面元在波长λj下的光谱发射系数强度，λj表示光谱的波长，gj表示该波长对应谱线的上能级统计权重，aj表示跃迁概率，epj表示上能级能量，k表示boltzmann常数，tem表示等离子体截面上第m个面元处的电子温度，c是常数，tem和c为待求参数；

32、利用所述不同激发波长的二维光谱发射系数分布求解所述目标关系，得到所述径向截面的二维电子温度分布。

33、本发明的另一个实施例提供了一种基于视觉辅助的等离子体射流三维电子温度光谱诊断系统，包括：光谱仪、光纤探头、环形轨道和若干图像采集设备，其中，

34、所述环形轨道用于在等离子体射流的径向截面环绕；

35、所述光纤探头用于沿所述环形轨道在等离子体射流的径向截面上围绕等离子体旋转；

36、所述光纤探头的前端安装有光束调整模块，所述光束调整模块用于实现近似为平行直线型区域的探测范围；

37、所述光谱仪与所述光纤探头电连接，用于测量光纤探头在多个探测位置的等离子体光谱发射系数积分值；

38、所述若干图像采集设备分布在所述环形轨道的外周，用于拍摄光纤探头图像以获取在不同探测位置时光纤探头的空间位置。

39、在本发明的一个实施例中，所述光纤探头的旋转范围为0-180度。

40、在本发明的一个实施例中，所述若干图像采集设备包括第一图像采集设备和第二图像采集设备，所述第一图像采集设备和所述第二图像采集设备均包括相机；

41、所述光束调整模块包括准直镜。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果：

43、本发明的方法结合等离子体光谱发射系数积分值、光纤探头的平面坐标和探测方向的直线方程以及面元到光纤探头的权重系数矩阵，利用代数迭代方法和玻尔兹曼斜率法计算得到径向截面的二维电子温度分布，在等离子体射流的不同轴向位置重复多次，可获得多个轴向位置处径向平面的二维电子温度分布，将多个二维电子温度分布组合即得到等离子体射流的三维电子温度分布，具有无接触、不影响等离子体流动特性的特点，能用于非轴对称等离子体的诊断，诊断精度高。