紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是复杂流动、传热和燃烧测试技术，特别涉及在高速高温环境下磷 光示踪粒子的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息的同步测试方法 及其试验系统。
【背景技术】
[0002] 激光诊断技术已经广泛应用于湍流流动、传热及其燃烧过程的分析，而湍流和化 学反应之间存在强相互作用，非常需要速度和其他标量的多参数同步测量。随着激光器和 相机等关键设备技术水平的发展，跨帧成像开始成为可能，促进了对流动和标量场高分辨 率的同步测量的技术需求。但是，高时空分辨率的激光和成像设备经济成本高，现有测量技 术的测试能力和应用范围上还存在一定的局限性，难以满足速度和温度等多物理场参数的 同步测量需求。
[0003] 与常用的激光诱导荧光技术相比，激光诱导磷光具有以下特点：波长长、寿命长， 磷光寿命和辐射强度对重原子和顺磁性离子敏感。荧光往往只有纳秒-微秒范围的寿命， 而磷光由单基态向多激发态转变过程的持续时间可以达到微秒-亚秒级。但是，能产生磷 光的物质种类很少，磷光分析在应用上还远不及荧光分析普遍，而且燃烧测量时需在高温 下进行。因此，除了极少数大分子燃烧产物或添加物之外，在气态流场中添加固态耐高温磷 光粒子已经成为燃烧火焰和发动机测温技术发展的必然趋势。这些磷光示踪粒子可用于温 度和速度测量，这些材料敏感度范围宽、发射光明显、利于空间和时间背景滤波。还可以作 为示踪粒子测量速度场，这种特性明显优于激光诱导荧光技术，因为激光诱导荧光技术中 组份荧光极大依赖于未知的当地气体构成。
[0004] 磷光示踪粒子要满足一定的要求：具有良好的光散射性、能够很好地跟随流体流 动、易于生成、无磨蚀、无腐蚀、无毒、不挥发或蒸发得慢、清洁、化学性质稳定、便宜。除了具 有高温稳定性、不参与化学反应，最重要的是能够跟随流体流动以及具有良好的光散射性， 即示踪粒子和流体之间的相对运动尽可能小，且能够充分散射照明光便于成像系统成像。 在湍流气相测量中，时间分辨率必须足以捕捉到关注尺度的脉动变化，限制瞬态测量的积 分时间，示踪粒子必须保证高速流动中的跟随性和运动响应特性，粒径应该保持在纳米量 级大小。而微粒示踪粒子易于潮结和聚团，目前常用的粒子布撒装置都很难满足在高速气 流中实现粒子均匀布撒的需要。
[0005] 在图像处理算法上，基于磷光衰减寿命周期的的比分法相比于常用的双色法，对 温度变化更为敏感，而且测量原理简单直接，仅需要1台相机，可以用适用于大范围温度测 量。而且双色法必须采用2台相机采集不同发射波长的磷光图像，成本高昂。另外，目前还 没有合适的算法分析2幅图像示踪粒子磷光光强之间的相关性，以确定示踪粒子的运动轨 迹、位移以及它们之间随时间历程的相关信息。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种紫外激光诱导磷光成像同 步测速和测温方法及系统，结合当前硬件设备和分析方法的发展水平，基于磷光光强衰减 周期大小随温度变化的特性，从一个全新的角度提出高分辨率、多参数同步的激光诊断方 法和图像处理算法，适用于大范围速度和温度测量，测量速度可以达到l〇〇〇m/ S、温度范围 可以达到2000K。具有高精度、高信号产生率、无碰撞猝灭现象、无多普勒加宽效应等特点。 本发明提供的测试系统，操作简单、经济成本低且具有高时间分辨能力，将进一步推动激光 成像技术在复杂流动、传热和燃烧研宄中的发展，特别是高精度高分辨率的多物理场定量 化测试技术的实现。
[0007] 为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，利用磷光的长时间衰减特性和 温度敏感特性，采用图像互相关算法和磷光光强衰减比分法形成高精度的图像处理算法， 通过分析测试区域中均匀分布的磷光示踪粒子受紫外激光激发而形成的磷光灰度图像，计 算磷光示踪粒子表征的运动轨迹、位移和速度场以及对应的温度场等多物理场信息。
[0009] 所述图像互相关算法是利用自适应步长和大规模并行算法对磷光灰度图像进行 非线性信号分析和分级渐进分析，快速实现一个激光脉冲周期内2幅图像之间的高精度匹 配，计算磷光示踪粒子表征的速度场及其互相关信息。
[0010] 所述非线性信号分析和分级渐进算法，用于确定时间序列磷光灰度图像之间的互 相关性。首先，采用非线性信号分析方法对磷光灰度图像进行特征提取与量化；其次，通过 抗噪声干扰能力强的归一化算法处理时间相关的2幅图像；最后，设计自适应步长的分级 渐进互相关分析过程，采用大规模并行直至确定示踪粒子之间的最优互相关性。
[0011] 所述磷光光强衰减周期的比分法，直接利用了磷光示踪材料在紫外激光诱导下， 磷光光强在不同温度下呈现不同的衰减寿命周期，根据2个不同时刻采集到的磷光灰度图 像中互相关示踪粒子的光强比计算寿命周期，与寿命周期-温度标定曲线进行对比来获得 激光脉冲周期时间序列的动态温度场。
[0012] 一种紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温系统，该系统用于完成上述的紫外激 光诱导磷光成像同步测速和测温方法，主要由1台激光器、1台成像系统、1套示踪粒子均匀 布撒装置和1种高热稳定的纳米级磷光示踪粒子组成。
[0013] 所述激光器是单脉冲紫外固定波长激光器，对基于532nm的双腔NchYAG激光器进 行三/四倍频光路设计，输出355nm/266nm的单脉冲单波长激光，能够用于实现紫外激光诱 导特定的磷光示踪粒子成像。
[0014] 所述成像系统采用高速芯片和超大容量存储技术，满足长时间图像采集需要，用 于实现高热稳定示踪粒子受紫外激光诱导磷光的图像采集。
[0015] 所述示踪粒子均匀布撒装置，包括一次性旋转成型的示踪粒子容器，其底部采用 流化床设计，结合高速旋流器导引，利用高压驱动气体形成高速射流，增强磷光热像示踪粒 子和周围气流的混合，能够使磷光热像示踪粒子浓度高度均匀化，实现磷光示踪粒子的快 速和均匀布撒。
[0016] 所述纳米级磷光示踪粒子具有在单脉冲266nm/355nm紫外激光激发下诱导磷光 的能力，其磷光光强的长寿命周期及其对温度敏感的特性满足跨帧相机进行图像采集的需 要。
[0017] 所述激光器是可调谐染料激光器或跨帧激光器。
[0018] 所述成像系统是高频相机、高分辨率相机或光谱成像仪。
[0019] 本发明的紫外激光诱导磷光成像同步测速和测温方法，（1)利用旋流导引式 高压纳米粒子布撒装置，在测试区域均匀布撒专用的纳米级磷光示踪粒子；(2)利用 355nm/266nm紫外波长激光器激发在测试区域中均匀布撒的纳米级磷光示踪粒子，产生具 有长时衰减和温度敏感特性的磷光；（3)利用跨帧相机对粒子发射磷光进行脉冲周期时间 序列的2幅紫外激光诱导磷光成像采集；(4)利用非线性信号分析和分级渐进算法，基于磷 光光强衰减周期的比分法，计算示踪粒子的运动轨迹、位移、速度和温度等多物理场信息。
[0020] 本发明技术方案所带来的有益效果如下：
[0021] 本发明充分利用磷光示踪材料的长余辉特性和温度敏感特性，实现了运动轨迹、 位移、速度和温度的同步测量。采用单脉冲紫外激光，提高流场和燃烧场的瞬时冻结能力； 基于激光片光技术，提高空间分辨率并得到测试区域的信息；采用高分辨率跨帧相机，提高 成像能力和高速流动捕捉能力。
[0022] 具体的，首先，本发明充分利用了磷光示踪材料的长余辉和温敏特性，将试验系 统简化为单脉冲激光器和跨帧相机的组合，直接通过跨帧相机获得高时空分辨率的磷光 图像，节省了应用跨帧激光器的高昂成本；其次，本发明设计的纳米级磷光示踪粒子可 以在355nm/266nm波长激光下激发产生长时衰减磷光，这些激光可以通过三/四倍频 532nmNd:YAG激光器实现，进一步降低了成本；再次，本发明设计的自适应步长和大规模并 行的非线性信号分析和分级渐进算法，使其提供示踪粒子的互相关信息；最后，本发明设计 的磷光衰减比分法，不必像双色法需要2台相机采集图像进行对比，而仅需要1台跨帧相机 采集时间序列图像以实现示踪粒子之间的运动轨迹、位移、速度和温度等多物理场同步数 据的计算功能，又一次降低了成本。
[0023] 本发明重点描述的测试系统仅是其中某个经济性版本，而测试原理本身的高分辨 率和多物理场同步测试能力并不受此限制，只决定于所采用的激光设备和成像系统的技术 水平和经济成本，可以在本发明方案基础上拓展以实现更多功能。如，采用可调谐染料激光 器标记荧光、跨帧激光器实现更高时间分辨率、光谱成像仪采集多光谱图谱等。
[0024] 同时，本发明提供了在紫外波长激光诱导下具有长时磷光发射特性的纳米级磷光 示踪粒子及其粒子布撒装置。
[0025] 本发明提供了非线性信号分析和分级渐进算法，设计了基于磷光光强衰减周期的 比分法同步测速和测温运行模式，设计了单脉冲激光器和跨帧相机组合的测试系统具有竞 争力，操作简单、经济成本低且具有高时间分辨能力，从而获得高温传热和燃烧场的速度和 温度动态特性。
【附图说明】
[0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0027] 图1是本发明所提供的测试系统一实施例的组成示意图；
[0028] 图2是本发明所提供的测试方法示意图；
[0029] 图3是时序控制图；
[0030] 图4是磷光衰减曲线和比分法示意图；
[0031] 图5是磷光寿命曲线；
[0032] 图6是磷光寿命-温度标定曲线图；
[0033] 图7是互相关算法原理图；
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