[发明专利]一种实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法

说明书

本发明公开了一种实现发动机燃烧室SLIPI‑3DLIF测量的装置与方法，所述装置包括激光系统、整形调制系统、多分束传能光纤、传像光纤、相机，激光系统根据燃烧场待测物质确定输出照明光的波长；整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；多分束传能光纤采用1分N的模式，将结构片光分成N束子片光并传输至发动机燃烧室内部；所述传像光纤嵌入发动机燃烧室侧壁，将N束子片光纵向重叠照明区域的荧光图像传输至相机以成像。通过这种手段，可以解决由于发动机燃烧室极端环境限制导致无法实现三维LIF测量的问题。

技术领域

本发明属于激光光谱应用技术领域，涉及一种利用多分束传能光纤分束并传输片状激光、传像光纤传输图像来实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法。

背景技术

在发动机的研制过程中，了解其燃烧场燃烧机理是最基础、最重要的问题。湍流燃烧是一个复杂过程，涉及一系列物理和化学现象，而这些现象与反应一般发生在毫秒的时间尺度上，且具有非对称性的特点。因此对湍流燃烧进行高速、高时空分辨空间可视化是研制发动机的关键所在。3DLIF技术作为一种光学测量技术，因其非侵入性、高时空分辨等优势，可以用来实现湍流火焰的高速三维测量。

3DLIF技术的实现方式分为高速片光扫描式、体光束多视角成像式和结构光照明式。高速片光扫描式是将激光整形成片光并利用扫描振镜实现扫描激发，属于非瞬态测量，无法满足发动机高时间分辨成像的要求；体光束多视角成像式则是采用体光束激发、多相机多视角采集实现三维测量，对高能激光研制技术要求高，且多相机成本巨大系统繁杂不适合发动机燃烧室测量。而基于结构光照明的三维激光诱导荧光技术（Three-dimensionalLaser Induced Fluorescence based on Structured Laser Illumination PlanarImaging，SLIPI-3DLIF）则是集合上述两种方式的优点，既能实现瞬态测量，又有效地控制测量成本，简化整体系统，因此具有发动机三维可视化的发展潜力。SLIPI-3DLIF技术是通过空间调制技术将激光调制成空间余弦分布的片状激光，并将相同调制频率的多束片光在不同平行平面、以不同角度入射到待测场，然后利用相机采集垂直于片光方向的交叠部分的荧光图像，再利用多重曝光频率识别算法（FRAME）对图像进行解调就可以分离出不同平面的PLIF图像，进而采用三维重构算法重建出待测场三维图像，实现立体测量。

相较于光学被动成像系统，LIF系统更加复杂，对环境以及光学系统精度要求较高，而发动机燃烧室属于封闭狭小的高温高压环境，无法为光学测量技术提供大尺寸光学开窗，因此目前针对于发动机燃烧诊断的研究多集中在试验台架上，无法实现真实发动机的LIF测量，尤其是SLIPI-3DLIF测量。如果利用多分束传能光纤将调制好的结构片光分束后引入发动机燃烧室，并利用传像光纤传输图像至相机，就可以实现对发动机燃烧场的照明与采集，进而可以解决无法大尺寸光学开窗的问题，实现发动机燃烧室的SLIPI-3DLIF测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用传能-传像光纤实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置与方法，利用多分束传能光纤分束并传输片状激光、传像光纤传输图像来实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量，由此可以实现发动机燃烧场三维可视化。通过这种手段，可以解决由于发动机燃烧室极端环境限制导致无法实现三维LIF测量的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实现发动机燃烧室SLIPI-3DLIF测量的装置，包括激光系统、整形调制系统、多分束传能光纤、传像光纤、相机，其中：

所述激光系统根据燃烧场待测物质确定输出照明光的波长；

所述整形调制系统包括片光整形部分和结构光调制部分，片光整形部分对激光系统输出的激光束进行整形后经结构光调制部分调制为空间强度余弦分布的结构片光；