[發明專利]激光誘導熒光測速的自標定方法及系統

有效

• 申請號: 201610944005.9
• 申請日: 2016-11-02
• 公開（公告）號: CN106526228B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 程謀森;楊雄;王墨戈;李小康
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26;G01P21/02
• 代理公司: 長沙智嶸專利代理事務所43211
• 代理人: 胡亮

技術領域

本發明涉及流場測速領域，特別地，涉及一種激光誘導熒光測速的自標定方法及系統。

背景技術

采用激光誘導熒光(Laser induced fluorescence，LIF)測量運動流體中選定粒子的多普勒效應，進而得到目標流場的粒子速度分布函數，是一種非接觸、高靈敏度、高選擇性的技術，在涉及等離子體診斷的技術領域(材料處理、流動控制、太空電火箭推進)具有非常廣泛的應用前景。為了得到所測量速度的絕對值，在LIF測速的過程中需要標定絕對速度的零點，即得到絕對速度為零時對應的激光頻率。

目前，國內外文獻中均采用元素燈法對LIF測量中的速度零點進行標定，即采用充有待測流場中選定激發元素的元素燈作為參考等離子體源，在相同的光路和分析電路下測量參考源的LIF光譜，并以熒光光譜的中心值作為速度零點的起算頻率，以此為參考計算測量的絕對速度分布。封閉元素燈中的等離子體為靜止狀態，所以其宏觀速度可以認為等于零。

但現有的元素燈法在實際應用中存在以下不足：實驗中使用較多的元素燈是可透視空心陰極，為了獲得較好的測量效果，這列元素燈在構型上需要重新設計，以保證激勵激光能夠自由通過而不被電極遮擋，并且這類元素燈一般需要高壓電源驅動，整體成本較高；另一方面，等離子體中的局部電場效應(或斯塔克效應)會造成熒光光譜的頻移，且頻移量隨著等離子體密度的升高而增大，但通常情況下很難找到與待測等離子體密度相同的元素燈，因此在測量上會引入一定誤差，導致測量精度受到影響。

發明內容

本發明提供了一種激光誘導熒光測速的自標定方法及系統，以解決現有的激光誘導熒光測速中采用元素燈法對絕對速度零點對應的激光頻率進行標定導致的測量成本高、且測量精度受限的技術問題。

本發明采用的技術方案如下：

根據本發明的一個方面，提供一種激光誘導熒光測速的自標定方法，用于對激光誘導熒光測速中待測流場的絕對速度零點對應的激光頻率進行標定。本發明自標定方法包括：

調制激勵激光在待測流場中以兩束方向相反的激光作用于待測流場中的待測粒子；

測量激光路徑上的待測粒子被激發的熒光信號強度得到實測熒光光譜線型；

對實測熒光光譜線型進行擬合，得到與兩束方向相反的激光分別對應的第一熒光光譜線型、第二熒光光譜線型，并對第一、第二熒光光譜線型的中心頻率點求算數平均值得到絕對速度零點對應的激光頻率。

進一步地，兩束方向相反的激光分別為入射激光和經反射鏡反射后與入射激光在待測流場中路徑重合的反射激光。

進一步地，入射激光強度，按照高飽和激發策略設定，用于避免反射激光的強度由于入射激光被路徑上的待測粒子吸收而發生明顯下降。

進一步地，采用雙高斯分布對實測熒光光譜線型進行擬合，擬合過程采用迭代最小二乘法。

根據本發明的另一方面，還提供一種激光誘導熒光測速的自標定系統，用于對激光誘導熒光測速中待測流場的絕對速度零點對應的激光頻率進行標定。本發明自標定系統包括：

激光調制裝置，用于在待測流場中形成兩束方向相反的激光作用于待測流場中的待測粒子；

熒光光譜測量裝置，用于測量激光路徑上的待測粒子被激發的熒光信號，得到實測熒光光譜線型；

數據分析裝置，連接熒光光譜測量裝置，用于對實測熒光光譜線型進行擬合，得到與兩束方向相反的激光分別對應的第一熒光光譜線型、第二熒光光譜線型，并對第一、第二熒光光譜線型的中心頻率點求算數平均值得到絕對速度零點對應的激光頻率。

進一步地，激光調制裝置包括激光生成單元及設于入射激光的路徑末端的激光反射鏡，激光反射鏡用于將入射激光反射生成與入射激光的路徑重合的反射激光，激光反射鏡設有用于調節其俯仰及偏轉自由度的調整架。

進一步地，激光生成單元包括用于出射激光的激光器，激光器的出射端依次設置的折轉鏡、用于聚焦的長焦透鏡、用于防止來流粒子轟擊侵蝕折轉鏡與長焦透鏡的光學保護窗口。

進一步地，激光生成單元出射的入射激光與待測流場中待測粒子的來流方向的夾角不大于10°。

進一步地，熒光光譜測量裝置，包括用于采集熒光信號的熒光采集鏡組，以及用于將熒光信號記錄和轉換為實測熒光光譜線型的轉換處理模塊。

進一步地，數據分析裝置，包括采用雙高斯分布對實測熒光光譜線型進行迭代最小二乘法擬合的處理模塊。

本發明具有以下有益效果：