[发明专利]大范围激光诱导荧光浓度测量系统的标定方法

说明书

本发明大范围激光诱导荧光浓度测量系统的标定方法，属于环境试验测量领域。该方法包括以下步骤：(1)激光行扫描灰度值与标准溶液标定；(2)浓度曲线标定；(3)灰度浓度换算；(4)浓度校正。本发明的优点在于：能够大幅度提高大范围激光诱导荧光浓度测量系统的准确性和测量范围。

技术领域

本发明涉及一种大范围浓度场测量系统的标定方法，具体而言是一种基于激光诱导荧光的水体浓度场测量系统的标定方法，属于环境测量领域。

背景技术

激光诱导荧光(简称LIF)技术是一种新的测量方法。激光诱导荧光是指荧光物质如荧光素钠，在激光的诱发下吸收特征频率的光子发出荧光，由于低浓度时荧光强度和浓度成线性关系，因此，可以通过检荧光强度达到测量浓度的目的。

PLIF技术利用激光片光照研究区域从而获得平面二维信息。激光片光一般通过半圆柱透镜将很细的激光光束扩束获得，这就给定量测量带来两个影响测量精度的问题：一是沿着激光光程方向，由于荧光物质对激光的吸收使激光强度沿程衰减，从而导致荧光强度的相应衰减；二是片光光强存在着不均匀分布，如激光TEM模式为高斯分布，从而导致荧光强度的不均匀分布。

LIF适用于大量分子和原子，用于燃烧、喷雾和各种流体机械流动研究。原子种类的LIF检测也称为激光激发原子荧光(LEAF)。火焰自由基和大多数燃料物可以直接使用LIF进行可视化。

LIF发射分布在许多波长(发射光谱)上，其中大部分发射从激光线发生红移。由于LIF发射的这种光谱偏移，可以有效抑制杂散光或米氏散射造成的有害干扰。

现有技术中的LIF浓度测量都是基于片光源的测量。由于片光源高斯分布特征明显，其最大测量面积一般不大于30×30cm。对于模型试验中大尺度的浓度场测量一直没有有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于LIF方法测量大范围水体中浓度场的系统标定方法，提高基于LIF方法测量的面积。

具体而言，大范围激光诱导荧光浓度测量系统包含以下装置：激光光源，激光扫描单元，图像采集单元和时钟同步单元，以上三种装置通过电缆进行星形连接，其中时钟同步单元为中心节点，信号电缆分别连接激光光源、激光扫描单元和图像采集单元。作为端节点的激光光源，激光扫描单元和图像采集单元在时钟同步单元的控制下协同工作。

上述装置安装方式为：

(1)激光扫描单元发射的激光与铅垂线之间的夹角介于±30°；

(2)激光扫描单元垂直在测量平面上的投影位于测量范围几何中心；

(3)图像采集单元和激光扫描单元安装在同一高程上，并且图像采集单元和激光扫描单元的安装距离d与安装高度H之间的关系为H/d≥50；

发明人经过大量试验发现，当图像采集单元与激光扫描单元之间安装关系不符合上述条件时，图像采集单元将会采集到部分光柱单元，而不是从相同入射角获得的平面图像，这样的图像无法进行浓度标定。

(4)激光器能量稳定性≤1％，发散角1.5mrad；

发明人经过大量激光器试验发现：当激光器发散角≥1.5mrad时，造成激光在水面上形成椭圆形光斑，而即使在(2)条件能够达到时，获取的返回图像上仍由于椭圆光斑无法获得准确的浓度标定，只有当图像采集单元与激光扫描单元完全重合时才能不考虑激光器的发散角。

(5)激光扫描单元工作频率为：

发明人分别采用激光逐行扫描和激光隔行扫描，同时还使用了双激光器同步隔行扫描等方式，最终发现采用单激光器逐行扫描的工作效果最佳。

其具体工作方式为：