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CN108088481A - 一种基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法 - Google Patents

一种基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法 Download PDF

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CN108088481A CN201711236156.XA CN201711236156A CN108088481A CN 108088481 A CN108088481 A CN 108088481A CN 201711236156 A CN201711236156 A CN 201711236156A CN 108088481 A CN108088481 A CN 108088481A
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Ezhou Industrial Technology Research Institute of Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

一种基于流场非接触式多参数激光测量系统，其包括如下组件：激光发射子系统、散射光接收子系统和数据处理子系统；所述激光发射子系统用于发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；所述散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F‑P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；数据处理子系统用于对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。本发明与传统的信号接收处理系统相比有较好的实时性，且可以实现多参数同步测量，并且由于该技术是一种频谱检测技术，因而具有良好的抗噪性。

Description

一种基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法
技术领域
本发明涉及大气环境参数探测技术领域，特别涉及一种基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法。
背景技术
激光与气体介质相互作用后产生的散射频谱包含有介质的诸多信息，因此可以通过激光非接触测量方式实现对高超声速流体环境场信息的测量。基于多普勒频移原理，通过测量散射光与入射光的中心波长差可实现对多普勒频移的测量，进而得出流体场的流速信息。基于瑞利布里渊散射频谱线宽与温度之间的联系，通过测量瑞利布里渊散射谱线宽得出流体场的温度信息。通过整体散射强度信息与气体密度之间的联系，基于激光雷达方程和理想气体状态方程得到流体场的密度信息。基于以上原理，采用基于频谱检测的激光测量设备实现对流体的速度、温度以及密度等流场信息的多参数综合立体检测。
脉冲激光器发射出激光脉冲穿过高超声速低密度流场，该脉冲激光与气体相互作用后产生散射光谱，经光学接收系统后进入散射光谱检测系统，然后进行后续数据处理以获取流速、温度和密度等信息。
为了将激光雷达的回波能量信号转换为频谱信号，需要在信号接收设备中增加频谱信号检测设备。在目前的方法中，边缘探测技术通过检测信号强度的方式测量频移，由于受限于测量原理，所以不能获得散射回波信号的整体频谱。其他两种能够获得散射光谱的方法中，扫描F-P干涉仪由于对入射光的平行度要求很高，同时较长的扫描周期而不能实现实时检测。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种能够结合激光散射谱理论模型和核心反演算法，实现高超声速低密度流场多参数同步测量的基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法。
一种基于流场非接触式多参数激光测量系统，其包括如下组件：
激光发射子系统、散射光接收子系统和数据处理子系统；
所述激光发射子系统用于发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
所述散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
数据处理子系统用于对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
所述激光发射子系统包括中心波长为532nm的脉冲激光器。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
所述的散射光接收子系统包括接收望远镜，F-P标准具，聚焦透镜和ICCD。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
一种基于流场非接触式多参数激光测量方法，包括如下步骤：
S1、通过所述激光发射子系统发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
S2、通过散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
S3、通过数据处理子系统对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
实施本发明提供的基于流场非接触式多参数激光测量系统及方法与现有技术相比具有以下有益效果：本发明与传统的信号接收处理系统相比有较好的实时性，且可以实现多参数同步测量，并且由于该技术是一种频谱检测技术，因而具有良好的抗噪性。。
附图说明
图1是本发明实施例的基于流场非接触式多参数激光测量系统结构框图；
图2是本发明实施例的基于流场非接触式多参数激光测量方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于流场非接触式多参数激光测量系统，其包括如下组件：
激光发射子系统、散射光接收子系统和数据处理子系统；
所述激光发射子系统用于发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
所述散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
数据处理子系统用于对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。所述数据处理系统包括运算处理单元以及数据处理计算机。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
所述激光发射子系统包括中心波长为532nm的脉冲激光器。还包括脉冲发生与延时器、控制器等。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
所述的散射光接收子系统包括接收望远镜，F-P标准具，聚焦透镜和ICCD。F-P标准具对入射光的平行度无要求，能够实时输出频谱干涉等倾圆环，能够做到真正意义上的实时监测，更适合在实际环境中应用。但是标准具输出的是二维干涉图像，并不是真正的回波信号频谱，因此需要进一步对干涉图像进行数据处理。在图1中系统核心处理框图，以解决获取高分辨率频谱的数据处理方法，高精度的布里渊谱参数测量方法以及高精度的介质参数反演模型三大核心技术。在对激光与气体介质散射产生机理与测量原理进行研究基础上，设计了整体核心信号处理方案，从而结合激光散射谱理论模型和核心反演算法，实现高超声速低密度流场多参数同步测量。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数，其值为下表。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统中：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
如图2所示，一种基于流场非接触式多参数激光测量方法，包括如下步骤：
S1、通过所述激光发射子系统发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
S2、通过散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
S3、通过数据处理子系统对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
在本发明所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法中：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于，其包括如下组件：
激光发射子系统、散射光接收子系统和数据处理子系统；
所述激光发射子系统用于发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
所述散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
数据处理子系统用于对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。
2.如权利要求1所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于，
所述激光发射子系统包括中心波长为532nm的脉冲激光器。
3.如权利要求1所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于，
所述的散射光接收子系统包括接收望远镜，F-P标准具，聚焦透镜和ICCD。
4.如权利要求1所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数。
5.如权利4所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;v</mi> <mi>D</mi> </msub> </mrow>
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
6.如权利4所述的基于流场非接触式多参数激光测量系统，其特征在于：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>z</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
7.一种基于流场非接触式多参数激光测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过所述激光发射子系统发射出激光来探测目标流场的温度、流速和密度物理参量；
S2、通过散射光接收子系统用于接收目标流场的后向散射光，后向散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
S3、通过数据处理子系统对数据的处理得到高精度瑞利布里渊整体线宽、多普勒频移以及回波散射光能量信息信息，通过经典的反演模型，分别得到流场温度、流体速度、密度物理参量值。
8.如权利要求7所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法，其特征在于，
采用瑞利布里渊整体线宽反演流场温度的反演模型为：
T(l,p)＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，T(l,p)为带测量的流体温度，l为瑞利布里渊散射谱整体线宽，p为流场压强，ci为常数。
9.如权利8所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法，其特征在于：采用多普勒频移反演流场流速的反演模型为：
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;v</mi> <mi>D</mi> </msub> </mrow>
其中，vn为待测量的流体速度，λ为激光入射波长，ΔvD为从信号中提取的多普勒频移值。
10.如权利9所述的基于流场非接触式多参数激光测量方法，其特征在于：
所述的采用测量回波信号能量来反演流场流速的反演模型为：
<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>z</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，ρ(z)为z高度上的大气密度，ρ(z0)为z0高度上的大气密度，z0为参考高度；P(z)为z高度上的流体回波能量，P(z0)为z0高度上的流体回波能量。
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