發光流場的診斷系統及結構顯示和參數測量方法
【專利摘要】本發明提供了一種發光流場的診斷系統。所述發光流場的診斷系統包括沿光軸依次直線排列的探測光源、發光流場和莫爾條紋生成裝置，以及分別與計算機通信連接的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器；所述探測光源提供的光束經過所述發光流場，并在所述莫爾條紋生成裝置中形成莫爾條紋，所述第一圖像傳感器記錄所述發光流場的亮度分布，所述第二圖像傳感器記錄所述莫爾條紋生成裝置中形成的莫爾條紋，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示和根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布。本發明還提供一種發光流場的結構顯示和參數測量方法。
【專利說明】
發光流場的診斷系統及結構顯示和參數測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學探測技術領域，具體地涉及一種發光流場的診斷系統及結構顯示和參數測量方法。
【【背景技術】】
[0002]高溫發光流場的流動物理現象和結構的3-D全場顯示、溫度和氣體組分以及電子數密度的精確測定對飛行器的設計與研制、材料選擇、測控、制導、告警以及與地面間的通訊問題等都顯得尤為基礎而關鍵。除了在現代航空、航天以及軍事中具有普遍性外，在工業與民用方面也有著廣泛存在，如:能源工程、高溫切割、加工、焊接、表面處理以及冶煉等。
[0003]然而，此類溫度高達數千度甚至上萬度，時間上非穩定、空間分布非均勻的發光流場的3-D全場顯示和關鍵參數(例如:溫度等)測量至今尚未得到很好的解決。而且，很多時候這類場本身發出的光還可能會影響實驗測量。
[0004]因此，有必要提供一種聯合莫爾效應和發射層析技術的發光流場的診斷系統，以及基于所述診斷系統的3-D結構顯示和關鍵參數測量方法。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明的目的在于提供一種發光流場的診斷系統及結構顯示和參數測量方法。
[0006]本發明的技術方案如下:一種發光流場的診斷系統，包括沿光軸依次直線排列的探測光源、發光流場和莫爾條紋生成裝置，以及分別與計算機通信連接的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器;所述探測光源提供的光束經過所述發光流場，并在所述莫爾條紋生成裝置中形成莫爾條紋，所述第一圖像傳感器記錄所述發光流場的亮度分布，所述第二圖像傳感器記錄所述莫爾條紋生成裝置中形成的莫爾條紋，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示和根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布。
[0007]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，根據所述亮度分布和所述立體折射率分布的空間匹配對所述發光流場進行參數重建。
[0008]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，根據所述發光流場內部的空間分布對所述發光流場進行分區參數重建。
[0009]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，在所述探測光源和所述發光流場之間還設置有擴束準直裝置，所述擴束準直裝置與所述探測光源和所述發光流場同光軸設置。
[0010]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，所述莫爾條紋生成裝置包括沿所述光軸依次直線排列的光柵組件、成像透鏡組件和莫爾條紋接收屏。
[0011]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，所述成像透鏡組件包括相對間隔設置的第一透鏡和第二透鏡，且在所述第一透鏡和所述第二透鏡之間還設置有濾波器，所述濾波器與所述第一透鏡和所述第二透鏡同光軸設置。
[0012]在本發明實施例提供的發光流場的診斷系統中，在所述第一圖像傳感器的鏡頭前加設用于保護所述第一圖像傳感器的衰減片。
[0013]—種根據上述內容所述的發光流場的診斷系統的發光流場的結構顯示和參數測量方法，包括如下步驟:
[0014]采集發光流場的亮度分布，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示;及
[0015]采集光束在所述莫爾條紋生成裝置形成的莫爾條紋，并根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布。
[0016]在本發明實施例提供的發光流場的結構顯示和參數測量方法中，對所述亮度分布和所述立體折射率分布進行空間匹配操作，并對所述發光流場進行參數重建。
[0017]在本發明實施例提供的發光流場的結構顯示和參數測量方法中，根據所述發光流場內部的空間分布對所述發光流場進行分區參數重建。
[0018]本發明的有益效果在于:所述發光流場的診斷系統及結構顯示和參數測量方法中，分別采集發光流場的亮度分布和所述莫爾條紋生成裝置形成的莫爾條紋，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示和根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布，充分利用了發射層析診斷技術和莫爾偏折層析技術進行所述發光流場的結構顯示和參數診斷，從而為能夠較好地解決各類高溫發光流場的顯示和關鍵參數的測量提供理論基礎和實驗依據。
[0019]此外，在對所述發光流場進行參數重建過程中，采用分區參數重建的方式，可以進一步地提高所述發光流場參數重建的準確度和精確度。
【【附圖說明】】
[0020]圖1為本發明實施例提供的發光流場的診斷系統的結構示意圖；
[0021 ]圖2為本發明的實施例提供的發光流場的結構顯示和參數測量方法的流程框圖；
[0022]圖3為丙烷-空氣燃燒流場的立體亮度分布示意圖；
[0023]圖4為丙烷-空氣燃燒流場的立體折射率分布示意圖；
[0024]圖5為圖3所示立體亮度分布和圖4所示立體折射率分布的匹配示意圖；
[0025]圖6為根據圖5所示亮度和折射率的空間匹配而獲得的丙烷-空氣燃燒流場的溫度分布示意圖。
【【具體實施方式】】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。除非上下文另有特定清楚的描述，本發明中的元件和組件，數量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發明并不對此進行限定。本發明中的步驟雖然用標號進行了排列，但并不用于限定步驟的先后次序，除非明確說明了步驟的次序或者某步驟的執行需要其他步驟作為基礎，否則步驟的相對次序是可以調整的。可以理解，本文中所使用的術語“和/或”涉及且涵蓋相關聯的所列項目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組合。
[0027]除非上下文另有特定清楚的描述，本發明中的元件和組件，數量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發明并不對此進行限定。
[0028]請同時參閱圖1和圖2，圖1為本發明實施例提供的發光流場的診斷系統正面的結構示意圖；圖2為本發明的實施例提供的發光流場的診斷系統反面的結構示意圖。
[0029]本發明提供的發光流場的診斷系統100適合對一定規模的高溫發光流場進行結構顯示和參數診斷。所述發光流場的診斷系統100包括沿光軸依次直線排列的探測光源10、擴束準直裝置20、發光流場30和莫爾條紋生成裝置40，以及分別與計算機通信連接的第一圖像傳感器50和第二圖像傳感器60。其中，所述發光流場30是高溫的復雜發光流場，例如丙烷-空氣燃燒流場等可壓縮的高溫流場。而且，所述探測光源10提供的光束依次通過所述擴束準直裝置20、所述發光流場30和所述莫爾條紋生成裝置40。
[0030]所述探測光源10提供所述發光流場的診斷系統100的激發光束，優選地，所述探測光源10是提供激光光束的激光探測光源10。可選擇地，所述探測光源10還可以是提供紅外線或其他合適光束的探測光源，這需要根據所述發光流場的診斷系統100的要求而確定，本發明對此不做限定。
[0031]所述擴束準直裝置20可以在長距離上提供平行度較高的圓形光斑的光束，并且在距離遠近發生變化時光斑尺寸保持基本不變。在本實施例中，所述擴束準直裝置20用于對所述探測光源10提供的光束進行調整，并保證經過所述發光流場30內的光束具有高平行度和低發散度的特點。
[0032]所述莫爾條紋生成裝置40可以利用通過所述發光流場30的光束生成莫爾條紋。在本實施例中，所述莫爾條紋生成裝置40包括沿所述光軸依次直線排列的光柵組件41、成像透鏡組件42和莫爾條紋接收屏43。其中，所述光柵組件41包括相對間隔設置的第一光柵411和第二光柵412，所述成像透鏡組件42包括相對間隔設置的第一成像透鏡421和第二成像透鏡422。優選地，為了能夠獲得清洗準確的莫爾條紋分布，所述莫爾條紋生成裝置40是典型的4-f系統。
[0033]而且，在所述莫爾條紋生成裝置40中，為了去除雜散光對莫爾條紋的影響，所述第一成像透鏡421和第二成像透鏡422之間還設置有用于消除雜散光的濾波器44，所述濾波器44與所述第一透鏡421和所述第二透鏡422同光軸設置。
[0034]所述第一圖像傳感器50對應所述發光流場30設置，用于記錄所述發光流場30的亮度分布;所述第二圖像傳感器60對應所述莫爾條紋生成裝置40，用于記錄所述莫爾條紋生成裝置40中形成的莫爾條紋。在本實施例中，所述第一圖像傳感器50和所述第二圖像傳感器60均是CCD圖像傳感器。而且，由于所述發光流場30可能會發出強光，為了保護所述第一圖像傳感器50，在所述第一圖像傳感器50的鏡頭前加設用于保護所述第一圖像傳感器的衰減片(圖未示)。
[0035]在所述發光流場的診斷系統100中，由于所述發光流場30本身具有發光的特性，則所述第一圖像傳感器50可以記錄所述發光流場30的亮度分布，并將其記錄的所述亮度分布發送至所述計算機，并在所述計算機中利用發射層析診斷技術實現對所述發光流場30的立體結構顯示。而且，所述第二圖像傳感器60記錄所述莫爾條紋接收屏43上的莫爾條紋，并將其記錄的所述莫爾條紋發送至所述計算機，并在所述計算機中利用莫爾偏折層析技術得到所述發光流場30的立體折射率分布。
[0036]進一步地，還在所述計算機中根據所述亮度分布和所述立體折射率分布的空間匹配對所述發光流場30進行參數重建。例如，根據所述發光流場30內部的空間分布不同，而對所述發光流場30進行分區參數重建，然后在組合構成所述發光流場30的全場參數重建。
[0037]本發明實施例提供的基于所述發光流場的診斷系統100的發光流場的結構顯示和參數測量方法200，其包括如下步驟:
[0038]步驟S1、采集發光流場的亮度分布，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示；
[0039]步驟S2、采集光束在所述莫爾條紋生成裝置形成的莫爾條紋，并根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布;及
[0040]步驟S3、對所述亮度分布和所述立體折射率分布進行空間匹配操作，并對所述發光流場進行參數重建。
[0041]其中，在所述發光流場的結構顯示和參數測量方法200中，為了快速獲得所述發光流場的參數重建，所述步驟SI和所述步驟S2同時進行。當然，不限于本實施例，所述步驟SI和所述步驟S2也可以分步驟進行。
[0042]而且，由于所述發光流場30的成分種類和成分的空間分布不同，因此可以根據所述發光流場30內部的空間分布不同，而對所述發光流場30進行分區參數重建，然后在組合構成所述發光流場30的全場參數重建。
[0043]以丙烷-空氣燃燒流場為例對所述發光流場的結構顯示和參數測量方法200進行描述。
[0044]首先，如圖3所示，采集所述丙烷-空氣燃燒流場的立體亮度分布，并根據所述立體亮度分布得到所述丙烷-空氣燃燒流場的立體結構顯示。
[0045]接著，如圖4所示，采集光束在所述莫爾條紋生成裝置形成的莫爾條紋，并根據所述莫爾條紋得到所述丙烷-空氣燃燒流場的立體折射率分布。
[0046]最后，如圖5和圖6所示，對所述亮度分布和所述立體折射率分布進行空間匹配操作，并對所述丙烷-空氣燃燒流場進行參數重建，從而獲得所述丙烷-空氣燃燒流場的溫度分布O
[0047]相較于現有技術，本發明提供的發光流場的診斷系統100及結構顯示和參數測量方法200中，分別采集發光流場30的亮度分布和所述莫爾條紋生成裝置40形成的莫爾條紋，并根據所述亮度分布得到所述發光流場30的立體結構顯示和根據所述莫爾條紋得到所述發光流場30的立體折射率分布，充分利用了發射層析診斷技術和莫爾偏折層析技術進行所述發光流場30的結構顯示和參數診斷，從而為能夠較好地解決各類高溫發光流場的顯示和關鍵參數的測量提供理論基礎和實驗依據。
[0048]此外，在對所述發光流場30進行參數重建過程中，采用分區參數重建的方式，可以進一步地提高所述發光流場30參數重建的準確度和精確度。
[0049]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0050]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種發光流場的診斷系統，其特征在于，包括沿光軸依次直線排列的探測光源、發光流場和莫爾條紋生成裝置，以及分別與計算機通信連接的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器;所述探測光源提供的光束經過所述發光流場，并在所述莫爾條紋生成裝置中形成莫爾條紋，所述第一圖像傳感器記錄所述發光流場的亮度分布，所述第二圖像傳感器記錄所述莫爾條紋生成裝置中形成的莫爾條紋，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示和根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布。2.根據權利要求1所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:根據所述亮度分布和所述立體折射率分布的空間匹配對所述發光流場進行參數重建。3.根據權利要求3所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:根據所述發光流場內部的空間分布對所述發光流場進行分區參數重建。4.根據權利要求1所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:在所述探測光源和所述發光流場之間還設置有擴束準直裝置，所述擴束準直裝置與所述探測光源和所述發光流場同光軸設置。5.根據權利要求1所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:所述莫爾條紋生成裝置包括沿所述光軸依次直線排列的光柵組件、成像透鏡組件和莫爾條紋接收屏。6.根據權利要求5所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:所述成像透鏡組件包括相對間隔設置的第一透鏡和第二透鏡，且在所述第一透鏡和所述第二透鏡之間還設置有濾波器，所述濾波器與所述第一透鏡和所述第二透鏡同光軸設置。7.根據權利要求1所述的發光流場的診斷系統，其特征在于:在所述第一圖像傳感器的鏡頭前加設用于保護所述第一圖像傳感器的衰減片。8.—種根據權利要求1所述的發光流場的診斷系統的發光流場的結構顯示和參數測量方法，其特征在于:包括如下步驟: 采集發光流場的亮度分布，并根據所述亮度分布得到所述發光流場的立體結構顯示；及 采集光束在所述莫爾條紋生成裝置形成的莫爾條紋，并根據所述莫爾條紋得到所述發光流場的立體折射率分布。9.根據權利要求8所述的發光流場的結構顯示和參數測量方法，其特征在于:對所述亮度分布和所述立體折射率分布進行空間匹配操作，并對所述發光流場進行參數重建。10.根據權利要求9所述的發光流場的結構顯示和參數測量方法，其特征在于:根據所述發光流場內部的空間分布對所述發光流場進行分區參數重建。
【文檔編號】G01N21/45GK105842197SQ201610160869
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】陳云云, 邵紹峰, 于洋, 鐘霞
【申請人】南京信息工程大學