[發(fā)明專利]用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統(tǒng)及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911303203.7
• 申請(qǐng)日: 2019-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN111024663A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李亞暉;高貴龍;何凱;田進(jìn)壽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01N21/64
• 分類號(hào): G01N21/64;G01M10/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 董娜

本發(fā)明提供了一種用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有熒光壽命成像技術(shù)成像時(shí)間分辨率低和幀率低的問題。該系統(tǒng)包括脈沖激光器、片光整形裝置、流場發(fā)生裝置、濾波片、分幅相機(jī)及數(shù)據(jù)處理裝置；脈沖激光器同時(shí)發(fā)射激光脈沖和電信號(hào)，片光整形裝置用于將激光脈沖整形為片光；流場發(fā)生裝置用于提供待測目標(biāo)流場，待測目標(biāo)流場經(jīng)片光照射后發(fā)射熒光信號(hào)；濾波片用于透過熒光信號(hào)并濾除雜散信號(hào)；分幅相機(jī)包括同步控制裝置和四臺(tái)門控相機(jī)，同步控制裝置控制四臺(tái)門控相機(jī)的曝光時(shí)間門及延時(shí)；電信號(hào)觸發(fā)分幅相機(jī)進(jìn)行曝光獲得四分幅圖像；數(shù)據(jù)處理裝置用于接收分幅相機(jī)捕獲的四分幅圖像并處理四分幅圖像，得到熒光壽命圖像并顯示。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及流場診斷技術(shù)，具體涉及一種用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

流場包括氣流、燃燒、等離子體以及多相流場，對(duì)流場診斷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究可為流場模型的建立和驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐，從而為相關(guān)工程的應(yīng)用提供理論依據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升。傳統(tǒng)的流場診斷技術(shù)多為侵入式，其會(huì)對(duì)流場產(chǎn)生擾動(dòng)，從而導(dǎo)致流場參量的測量存在誤差。

目前，最先進(jìn)的流場診斷技術(shù)為光學(xué)診斷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)流場的非侵入式測量；其中，平面激光誘導(dǎo)熒光壽命成像(PLIF)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，可實(shí)現(xiàn)主要/微量組份濃度、溫度、壓力及速度等流場參量的測量。PLIF可通過將激發(fā)光整形為片光來對(duì)待探測目標(biāo)進(jìn)行二維切片寬場成像，然而，在濃度測量方面，雖然PLIF熒光信號(hào)強(qiáng)度攜帶熒光劑濃度信息，但是由于碰撞淬滅效應(yīng)的存在，使其無法實(shí)現(xiàn)濃度的定性及定量化測量，只能實(shí)現(xiàn)組份的可視化測量。

為了實(shí)現(xiàn)流場組份濃度的定量化測量，需要測量碰撞淬滅率，而熒光壽命成像(FLI)技術(shù)可以通過測量壽命來得到碰撞淬滅率，從而實(shí)現(xiàn)組份濃度的定量化測量。

傳統(tǒng)的熒光壽命成像(FLI)技術(shù)，包括時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)(TCSPC)和門控?zé)晒鈮勖上?TG-FLI)技術(shù)成像等，時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)(TCSPC)使用光電倍增管對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描成像，單幅熒光壽命圖像的獲取時(shí)間在分鐘量級(jí)，門控?zé)晒鈮勖上?TG-FLI)使用單個(gè)ICCD對(duì)目標(biāo)進(jìn)行寬場成像，需要多次延遲ICCD的時(shí)間門獲取多張圖像來計(jì)算得到壽命圖像，獲取時(shí)間在秒量級(jí)，例如公開號(hào)為CN 109253992 A的中國專利，專利名稱為一種等離子體熒光壽命測量裝置及方法。Lund大學(xué)Ehn.等人利用兩臺(tái)ICCD結(jié)合門控?zé)晒鈮勖上竦姆椒ㄊ状螌?shí)現(xiàn)了層流火焰中甲醛(CH₂O)的單發(fā)熒光壽命寬場成像(A.Ehn,O.Johansson,A.Arvidsson,M.Alden,and J.Bood,“Single-laser shot fluorescencelifetime imaging on the nanosecond timescale using a Daul Image and ModelingEvaluation algorithm,”O(jiān)pt.Express 20(3),3044–3056(2012).)，該方法使用兩臺(tái)具有不同時(shí)間門的ICCD同時(shí)對(duì)流場進(jìn)行曝光，由得到的兩張熒光強(qiáng)度圖像可計(jì)算得到一張熒光壽命圖像。這種方法可在單指數(shù)衰減模型下實(shí)現(xiàn)流場的單發(fā)熒光壽命成像，但無法在雙指數(shù)衰減模型下實(shí)現(xiàn)流場的單發(fā)熒光壽命成像，且無法實(shí)現(xiàn)高幀率的熒光壽命成像。

由于高速復(fù)雜流場組分濃度的定性及定量化測量需要快速的熒光壽命成像技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)流場的凍結(jié)和高速流場的監(jiān)測，因此，目前亟需一種新的熒光壽命成像技術(shù)，滿足復(fù)雜流場診斷所需的高時(shí)間分辨率及高成像幀率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有熒光成像技術(shù)速度較慢、熒光壽命測量精度較低，不能滿足復(fù)雜流場的高時(shí)間分辨率、高成像幀率要求的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統(tǒng)及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括脈沖激光器、片光整形裝置、流場發(fā)生裝置、濾波片、分幅相機(jī)及數(shù)據(jù)處理裝置；