发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法
【专利摘要】本发明提供了一种发光流场的诊断系统。所述发光流场的诊断系统包括沿光轴依次直线排列的探测光源、发光流场和莫尔条纹生成装置，以及分别与计算机通信连接的第一图像传感器和第二图像传感器；所述探测光源提供的光束经过所述发光流场，并在所述莫尔条纹生成装置中形成莫尔条纹，所述第一图像传感器记录所述发光流场的亮度分布，所述第二图像传感器记录所述莫尔条纹生成装置中形成的莫尔条纹，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示和根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布。本发明还提供一种发光流场的结构显示和参数测量方法。
【专利说明】
发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学探测技术领域，具体地涉及一种发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法。
【【背景技术】】
[0002]高温发光流场的流动物理现象和结构的3-D全场显示、温度和气体组分以及电子数密度的精确测定对飞行器的设计与研制、材料选择、测控、制导、告警以及与地面间的通讯问题等都显得尤为基础而关键。除了在现代航空、航天以及军事中具有普遍性外，在工业与民用方面也有着广泛存在，如:能源工程、高温切割、加工、焊接、表面处理以及冶炼等。
[0003]然而，此类温度高达数千度甚至上万度，时间上非稳定、空间分布非均匀的发光流场的3-D全场显示和关键参数(例如:温度等)测量至今尚未得到很好的解决。而且，很多时候这类场本身发出的光还可能会影响实验测量。
[0004]因此，有必要提供一种联合莫尔效应和发射层析技术的发光流场的诊断系统，以及基于所述诊断系统的3-D结构显示和关键参数测量方法。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于提供一种发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法。
[0006]本发明的技术方案如下:一种发光流场的诊断系统，包括沿光轴依次直线排列的探测光源、发光流场和莫尔条纹生成装置，以及分别与计算机通信连接的第一图像传感器和第二图像传感器;所述探测光源提供的光束经过所述发光流场，并在所述莫尔条纹生成装置中形成莫尔条纹，所述第一图像传感器记录所述发光流场的亮度分布，所述第二图像传感器记录所述莫尔条纹生成装置中形成的莫尔条纹，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示和根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布。
[0007]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，根据所述亮度分布和所述立体折射率分布的空间匹配对所述发光流场进行参数重建。
[0008]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，根据所述发光流场内部的空间分布对所述发光流场进行分区参数重建。
[0009]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，在所述探测光源和所述发光流场之间还设置有扩束准直装置，所述扩束准直装置与所述探测光源和所述发光流场同光轴设置。
[0010]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，所述莫尔条纹生成装置包括沿所述光轴依次直线排列的光栅组件、成像透镜组件和莫尔条纹接收屏。
[0011]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，所述成像透镜组件包括相对间隔设置的第一透镜和第二透镜，且在所述第一透镜和所述第二透镜之间还设置有滤波器，所述滤波器与所述第一透镜和所述第二透镜同光轴设置。
[0012]在本发明实施例提供的发光流场的诊断系统中，在所述第一图像传感器的镜头前加设用于保护所述第一图像传感器的衰减片。
[0013]—种根据上述内容所述的发光流场的诊断系统的发光流场的结构显示和参数测量方法，包括如下步骤:
[0014]采集发光流场的亮度分布，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示;及
[0015]采集光束在所述莫尔条纹生成装置形成的莫尔条纹，并根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布。
[0016]在本发明实施例提供的发光流场的结构显示和参数测量方法中，对所述亮度分布和所述立体折射率分布进行空间匹配操作，并对所述发光流场进行参数重建。
[0017]在本发明实施例提供的发光流场的结构显示和参数测量方法中，根据所述发光流场内部的空间分布对所述发光流场进行分区参数重建。
[0018]本发明的有益效果在于:所述发光流场的诊断系统及结构显示和参数测量方法中，分别采集发光流场的亮度分布和所述莫尔条纹生成装置形成的莫尔条纹，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示和根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布，充分利用了发射层析诊断技术和莫尔偏折层析技术进行所述发光流场的结构显示和参数诊断，从而为能够较好地解决各类高温发光流场的显示和关键参数的测量提供理论基础和实验依据。
[0019]此外，在对所述发光流场进行参数重建过程中，采用分区参数重建的方式，可以进一步地提高所述发光流场参数重建的准确度和精确度。
【【附图说明】】
[0020]图1为本发明实施例提供的发光流场的诊断系统的结构示意图；
[0021 ]图2为本发明的实施例提供的发光流场的结构显示和参数测量方法的流程框图；
[0022]图3为丙烷-空气燃烧流场的立体亮度分布示意图；
[0023]图4为丙烷-空气燃烧流场的立体折射率分布示意图；
[0024]图5为图3所示立体亮度分布和图4所示立体折射率分布的匹配示意图；
[0025]图6为根据图5所示亮度和折射率的空间匹配而获得的丙烷-空气燃烧流场的温度分布示意图。
【【具体实施方式】】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
[0027]除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。
[0028]请同时参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的发光流场的诊断系统正面的结构示意图；图2为本发明的实施例提供的发光流场的诊断系统反面的结构示意图。
[0029]本发明提供的发光流场的诊断系统100适合对一定规模的高温发光流场进行结构显示和参数诊断。所述发光流场的诊断系统100包括沿光轴依次直线排列的探测光源10、扩束准直装置20、发光流场30和莫尔条纹生成装置40，以及分别与计算机通信连接的第一图像传感器50和第二图像传感器60。其中，所述发光流场30是高温的复杂发光流场，例如丙烷-空气燃烧流场等可压缩的高温流场。而且，所述探测光源10提供的光束依次通过所述扩束准直装置20、所述发光流场30和所述莫尔条纹生成装置40。
[0030]所述探测光源10提供所述发光流场的诊断系统100的激发光束，优选地，所述探测光源10是提供激光光束的激光探测光源10。可选择地，所述探测光源10还可以是提供红外线或其他合适光束的探测光源，这需要根据所述发光流场的诊断系统100的要求而确定，本发明对此不做限定。
[0031]所述扩束准直装置20可以在长距离上提供平行度较高的圆形光斑的光束，并且在距离远近发生变化时光斑尺寸保持基本不变。在本实施例中，所述扩束准直装置20用于对所述探测光源10提供的光束进行调整，并保证经过所述发光流场30内的光束具有高平行度和低发散度的特点。
[0032]所述莫尔条纹生成装置40可以利用通过所述发光流场30的光束生成莫尔条纹。在本实施例中，所述莫尔条纹生成装置40包括沿所述光轴依次直线排列的光栅组件41、成像透镜组件42和莫尔条纹接收屏43。其中，所述光栅组件41包括相对间隔设置的第一光栅411和第二光栅412，所述成像透镜组件42包括相对间隔设置的第一成像透镜421和第二成像透镜422。优选地，为了能够获得清洗准确的莫尔条纹分布，所述莫尔条纹生成装置40是典型的4-f系统。
[0033]而且，在所述莫尔条纹生成装置40中，为了去除杂散光对莫尔条纹的影响，所述第一成像透镜421和第二成像透镜422之间还设置有用于消除杂散光的滤波器44，所述滤波器44与所述第一透镜421和所述第二透镜422同光轴设置。
[0034]所述第一图像传感器50对应所述发光流场30设置，用于记录所述发光流场30的亮度分布;所述第二图像传感器60对应所述莫尔条纹生成装置40，用于记录所述莫尔条纹生成装置40中形成的莫尔条纹。在本实施例中，所述第一图像传感器50和所述第二图像传感器60均是CCD图像传感器。而且，由于所述发光流场30可能会发出强光，为了保护所述第一图像传感器50，在所述第一图像传感器50的镜头前加设用于保护所述第一图像传感器的衰减片(图未示)。
[0035]在所述发光流场的诊断系统100中，由于所述发光流场30本身具有发光的特性，则所述第一图像传感器50可以记录所述发光流场30的亮度分布，并将其记录的所述亮度分布发送至所述计算机，并在所述计算机中利用发射层析诊断技术实现对所述发光流场30的立体结构显示。而且，所述第二图像传感器60记录所述莫尔条纹接收屏43上的莫尔条纹，并将其记录的所述莫尔条纹发送至所述计算机，并在所述计算机中利用莫尔偏折层析技术得到所述发光流场30的立体折射率分布。
[0036]进一步地，还在所述计算机中根据所述亮度分布和所述立体折射率分布的空间匹配对所述发光流场30进行参数重建。例如，根据所述发光流场30内部的空间分布不同，而对所述发光流场30进行分区参数重建，然后在组合构成所述发光流场30的全场参数重建。
[0037]本发明实施例提供的基于所述发光流场的诊断系统100的发光流场的结构显示和参数测量方法200，其包括如下步骤:
[0038]步骤S1、采集发光流场的亮度分布，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示；
[0039]步骤S2、采集光束在所述莫尔条纹生成装置形成的莫尔条纹，并根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布;及
[0040]步骤S3、对所述亮度分布和所述立体折射率分布进行空间匹配操作，并对所述发光流场进行参数重建。
[0041]其中，在所述发光流场的结构显示和参数测量方法200中，为了快速获得所述发光流场的参数重建，所述步骤SI和所述步骤S2同时进行。当然，不限于本实施例，所述步骤SI和所述步骤S2也可以分步骤进行。
[0042]而且，由于所述发光流场30的成分种类和成分的空间分布不同，因此可以根据所述发光流场30内部的空间分布不同，而对所述发光流场30进行分区参数重建，然后在组合构成所述发光流场30的全场参数重建。
[0043]以丙烷-空气燃烧流场为例对所述发光流场的结构显示和参数测量方法200进行描述。
[0044]首先，如图3所示，采集所述丙烷-空气燃烧流场的立体亮度分布，并根据所述立体亮度分布得到所述丙烷-空气燃烧流场的立体结构显示。
[0045]接着，如图4所示，采集光束在所述莫尔条纹生成装置形成的莫尔条纹，并根据所述莫尔条纹得到所述丙烷-空气燃烧流场的立体折射率分布。
[0046]最后，如图5和图6所示，对所述亮度分布和所述立体折射率分布进行空间匹配操作，并对所述丙烷-空气燃烧流场进行参数重建，从而获得所述丙烷-空气燃烧流场的温度分布O
[0047]相较于现有技术，本发明提供的发光流场的诊断系统100及结构显示和参数测量方法200中，分别采集发光流场30的亮度分布和所述莫尔条纹生成装置40形成的莫尔条纹，并根据所述亮度分布得到所述发光流场30的立体结构显示和根据所述莫尔条纹得到所述发光流场30的立体折射率分布，充分利用了发射层析诊断技术和莫尔偏折层析技术进行所述发光流场30的结构显示和参数诊断，从而为能够较好地解决各类高温发光流场的显示和关键参数的测量提供理论基础和实验依据。
[0048]此外，在对所述发光流场30进行参数重建过程中，采用分区参数重建的方式，可以进一步地提高所述发光流场30参数重建的准确度和精确度。
[0049]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0050]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种发光流场的诊断系统，其特征在于，包括沿光轴依次直线排列的探测光源、发光流场和莫尔条纹生成装置，以及分别与计算机通信连接的第一图像传感器和第二图像传感器;所述探测光源提供的光束经过所述发光流场，并在所述莫尔条纹生成装置中形成莫尔条纹，所述第一图像传感器记录所述发光流场的亮度分布，所述第二图像传感器记录所述莫尔条纹生成装置中形成的莫尔条纹，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示和根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布。2.根据权利要求1所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:根据所述亮度分布和所述立体折射率分布的空间匹配对所述发光流场进行参数重建。3.根据权利要求3所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:根据所述发光流场内部的空间分布对所述发光流场进行分区参数重建。4.根据权利要求1所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:在所述探测光源和所述发光流场之间还设置有扩束准直装置，所述扩束准直装置与所述探测光源和所述发光流场同光轴设置。5.根据权利要求1所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:所述莫尔条纹生成装置包括沿所述光轴依次直线排列的光栅组件、成像透镜组件和莫尔条纹接收屏。6.根据权利要求5所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:所述成像透镜组件包括相对间隔设置的第一透镜和第二透镜，且在所述第一透镜和所述第二透镜之间还设置有滤波器，所述滤波器与所述第一透镜和所述第二透镜同光轴设置。7.根据权利要求1所述的发光流场的诊断系统，其特征在于:在所述第一图像传感器的镜头前加设用于保护所述第一图像传感器的衰减片。8.—种根据权利要求1所述的发光流场的诊断系统的发光流场的结构显示和参数测量方法，其特征在于:包括如下步骤: 采集发光流场的亮度分布，并根据所述亮度分布得到所述发光流场的立体结构显示；及 采集光束在所述莫尔条纹生成装置形成的莫尔条纹，并根据所述莫尔条纹得到所述发光流场的立体折射率分布。9.根据权利要求8所述的发光流场的结构显示和参数测量方法，其特征在于:对所述亮度分布和所述立体折射率分布进行空间匹配操作，并对所述发光流场进行参数重建。10.根据权利要求9所述的发光流场的结构显示和参数测量方法，其特征在于:根据所述发光流场内部的空间分布对所述发光流场进行分区参数重建。
【文档编号】G01N21/45GK105842197SQ201610160869
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】陈云云, 邵绍峰, 于洋, 钟霞
【申请人】南京信息工程大学