[发明专利]激光诱导荧光测速的自标定方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及流场测速领域，特别地，涉及一种激光诱导荧光测速的自标定方法及系统。

背景技术

采用激光诱导荧光(Laser induced fluorescence，LIF)测量运动流体中选定粒子的多普勒效应，进而得到目标流场的粒子速度分布函数，是一种非接触、高灵敏度、高选择性的技术，在涉及等离子体诊断的技术领域(材料处理、流动控制、太空电火箭推进)具有非常广泛的应用前景。为了得到所测量速度的绝对值，在LIF测速的过程中需要标定绝对速度的零点，即得到绝对速度为零时对应的激光频率。

目前，国内外文献中均采用元素灯法对LIF测量中的速度零点进行标定，即采用充有待测流场中选定激发元素的元素灯作为参考等离子体源，在相同的光路和分析电路下测量参考源的LIF光谱，并以荧光光谱的中心值作为速度零点的起算频率，以此为参考计算测量的绝对速度分布。封闭元素灯中的等离子体为静止状态，所以其宏观速度可以认为等于零。

但现有的元素灯法在实际应用中存在以下不足：实验中使用较多的元素灯是可透视空心阴极，为了获得较好的测量效果，这列元素灯在构型上需要重新设计，以保证激励激光能够自由通过而不被电极遮挡，并且这类元素灯一般需要高压电源驱动，整体成本较高；另一方面，等离子体中的局部电场效应(或斯塔克效应)会造成荧光光谱的频移，且频移量随着等离子体密度的升高而增大，但通常情况下很难找到与待测等离子体密度相同的元素灯，因此在测量上会引入一定误差，导致测量精度受到影响。

发明内容

本发明提供了一种激光诱导荧光测速的自标定方法及系统，以解决现有的激光诱导荧光测速中采用元素灯法对绝对速度零点对应的激光频率进行标定导致的测量成本高、且测量精度受限的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种激光诱导荧光测速的自标定方法，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定。本发明自标定方法包括：

调制激励激光在待测流场中以两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号强度得到实测荧光光谱线型；

对实测荧光光谱线型进行拟合，得到与两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值得到绝对速度零点对应的激光频率。

进一步地，两束方向相反的激光分别为入射激光和经反射镜反射后与入射激光在待测流场中路径重合的反射激光。

进一步地，入射激光强度，按照高饱和激发策略设定，用于避免反射激光的强度由于入射激光被路径上的待测粒子吸收而发生明显下降。

进一步地，采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行拟合，拟合过程采用迭代最小二乘法。

根据本发明的另一方面，还提供一种激光诱导荧光测速的自标定系统，用于对激光诱导荧光测速中待测流场的绝对速度零点对应的激光频率进行标定。本发明自标定系统包括：

激光调制装置，用于在待测流场中形成两束方向相反的激光作用于待测流场中的待测粒子；

荧光光谱测量装置，用于测量激光路径上的待测粒子被激发的荧光信号，得到实测荧光光谱线型；

数据分析装置，连接荧光光谱测量装置，用于对实测荧光光谱线型进行拟合，得到与两束方向相反的激光分别对应的第一荧光光谱线型、第二荧光光谱线型，并对第一、第二荧光光谱线型的中心频率点求算数平均值得到绝对速度零点对应的激光频率。

进一步地，激光调制装置包括激光生成单元及设于入射激光的路径末端的激光反射镜，激光反射镜用于将入射激光反射生成与入射激光的路径重合的反射激光，激光反射镜设有用于调节其俯仰及偏转自由度的调整架。

进一步地，激光生成单元包括用于出射激光的激光器，激光器的出射端依次设置的折转镜、用于聚焦的长焦透镜、用于防止来流粒子轰击侵蚀折转镜与长焦透镜的光学保护窗口。

进一步地，激光生成单元出射的入射激光与待测流场中待测粒子的来流方向的夹角不大于10°。

进一步地，荧光光谱测量装置，包括用于采集荧光信号的荧光采集镜组，以及用于将荧光信号记录和转换为实测荧光光谱线型的转换处理模块。

进一步地，数据分析装置，包括采用双高斯分布对实测荧光光谱线型进行迭代最小二乘法拟合的处理模块。

本发明具有以下有益效果：