非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法及装置与流程

1.本发明涉及非平衡流场非接触测量技术领域，具体地，涉及非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法及装置。


背景技术：

2.非平衡和化学反应流中，如高超声速飞行器外流场和燃烧室内流场，气体分子内部产生激发、离解、电离、复合等高温真实气体效应以及化学键断裂、生成等化学反应，这些效应与湍流相互作用，直接影响边界层稳定性以及燃烧稳定性。利用气体分子/原子复杂动力学过程中的光谱特性，可以对流动的非平衡特性进行表征。研究高温气体的辐射光谱诊断对飞行器再入段空气分子电解解离的组分及化学反应程度进行空间场角度的研究、发动机燃烧室的燃烧程度诊断、燃烧光强场重建和燃烧产物分析、高焓风洞的空间流场诊断具有重要意义。
3.如今对高温非平衡流场的辐射光谱的测量方式主要还是路径上的线积分的点测量方式，得到的信息有限，如今高温气体的研究主要以cfd模拟为主，对模拟温度等参数结果缺乏场诊断验证结果。
4.近年来发展的光谱层析技术，利用光谱分析技术结合二三维场层析反演重建，在非接触的前提下重建光强场以及物理参数场，为全流场诊断提供直观的参数大小、梯度等空间分布信息，实现在三维空间进行等离子诊断，已经应用于火焰燃烧领域。而高温流场的真实气体效应所体现出的光学特性可以被光谱仪接收，高温非平衡辐射光谱结合层析技术可以在空间场角度对高温气体非平衡特性进行空间场诊断，反映高温非平衡气体的关键物理量（温度、中间产物等）大小变化及空间场分布变化，因此，利用辐射光谱实现高温非平衡流场的空间场诊断具有很高的适用性。


技术实现要素：

5.传统的场辐射光谱测量技术以线积分的点测量为主，相比于场测量得到的空间信息有限，已无法满足实际应用需求。
6.为解决上述问题，本发明提供了非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法，所述方法包括：步骤1：测量得到待测流场的全波段谱线，从全波段谱线中挑选出氧原子不被其他谱线强度干扰的m条特征谱线，基于挑选出的m条特征谱线获取待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽，基于待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽确定滤波片参数，包括中心波长和带宽，m为大于1的整数；步骤2：将滤波片安装到相机镜头处；步骤3：对相机进行标定，获得标定信息；步骤4：收集待测流场的发散光，生成与光轴平行的待测流场对应的平行光，光轴为滤波片法线；
步骤5：设置平行光相对光轴的垂直入射偏转角为0，采集与光轴偏转角度为0的待测流场特征谱线平行光，获得第一平行光；步骤6：设置平行光相对光轴的垂直入射偏转角为，采集与光轴偏转角度为的待测流场特征谱线对应迹线处平行光，获得第二平行光，基于第一平行光和第二平行光获得第一平行光组；步骤7：更换滤波片和更换的取值，返回执行步骤5，直至获得m组第一平行光组，；步骤8：基于每组第一平行光组中的第一平行光和对应的第二平行光，获得第三平行光，即将表示谱线强度与迹线强度的第一平行光和表示迹线强度的第二平行光相抵消，共计获得m个第三平行光，基于m个第三平行光和标定信息重建氧原子不同特征谱线的光强场；步骤9：基于重建获得的光强场计算获得离散点的电子温度，基于所有离散点的计算结果获得待测流场的电子温度场。
7.为实现上述发明目的，本发明还提供了非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构装置，所述装置包括：光谱仪，用于测量得到待测流场的全波段谱线；处理单元，用于从全波段谱线中挑选出氧原子不被其他谱线强度干扰的m条特征谱线，基于挑选出的m条特征谱线获取待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽，基于待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽确定滤波片参数，m为大于1的整数；测量单元，用于测量获得相机镜头通光口径，基于相机镜头的通光口径获得滤波片通光口径范围；标定单元，用于在滤波片安装到相机镜头处后对相机进行标定，获得标定信息；光学系统，用于收集待测流场的发散光，生成与光轴平行的待测流场平行光，光轴为滤波片法线；平行光处理模块，用于设置平行光相对光轴的垂直入射偏转角，采集与光轴偏转角度为预设角度的待测流场特征谱线平行光；图像采集模块，用于获得m组平行光组；图像处理模块，用于将每组平行光组中的平行光进行抵消处理，获得抵消后的平行光，共计获得m个抵消后的平行光；基于m个抵消后的平行光和标定信息重建氧原子不同特征谱线的光强场；计算单元，用于基于重建获得的光强场采用离散方法计算获得离散点的电子温度，基于所有离散点的计算结果获得待测流场的电子温度场。
8.其中，申请人研究发现利用光谱分析技术结合二三维场层析反演重建，在非接触的前提下重建光强场以及物理参数场，为全流场诊断提供直观的参数大小、梯度等空间分布信息，实现在三维空间进行等离子诊断，已经应用于火焰燃烧领域。而高温流场的真实气体效应所体现出的光学特性可以被光谱仪接收，高温非平衡辐射光谱结合层析技术可以在空间场角度对高温气体非平衡特性进行空间场诊断，反映高温非平衡气体的关键物理量
（温度、中间产物等）大小变化及空间场分布变化，因此，利用辐射光谱实现高温非平衡流场的空间场诊断具有很高的适用性。
9.申请人进一步研究发现，对非平衡流场，氧原子的非平衡性表现在平动温度与电子温度不相等，获取电子温度场可以表示流场的热非平衡性，对空气流场，氧气的开始离解温度低，氧原子辐射光谱特征谱线强度大，信噪比高，氧原子谱线作为计算电子温度的特征谱线有良好的效果。
10.因此，本发明提出一种非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法及装置，利用氧原子的特征谱线特性确定窄带滤波片参数，利用滤波片性质消除特征谱线迹线噪声以提高信噪比，结合多维层析重建技术获取非平衡流场的电子温度场。
11.其中，光学系统能够获得与光轴方向平行的待测流场的平行光；平行光处理模块可产生一定相对滤波片法线的入射偏移角度，将处理后的平行光传到图像采集模块；图像采集模块用于获取多个摄像机滤波片后图像，并传到图像处理模块；图像处理模块和计算单元用于获取电子温度场结果。
12.其中，本方法和平行光处理模块通过获取相对窄带滤波片法线一定偏转角度的平行光来获得待测流场的氧原子特征谱线迹线处的连续背景辐射。
13.为了获取待测流场氧原子辐射光强场，本方法和图像采集模块结合窄带滤波片透过率与入射角度的关系得到不同镜头下特征谱线的辐射场。
14.为了获取相机镜头与待测流场的空间映射关系，本方法和图像采集系统利用标定方法获得标定信息，再传到图像处理模块，获得镜头与待测场的空间映射关系，标定信息包括：相机镜头在世界坐标系中的坐标、相机镜头相对待测流场的方位角和相机镜头硬件参数。
15.为了提高信噪比，本方法和图像处理模块消除待测流场的氧原子特征谱线迹线处辐射强度，抵消获得信噪比更高的氧原子特性谱线强度光强场图像。
16.为了获得待测流场的电子温度场，包括光强场重建与电子温度计算，先利用标定方法对镜头位置与镜头参数进行标定，再利用重建算法将不同角度的光强图像重建得到光强场，同样方法可重建连续背景辐射场，提高图像信噪比，再利用相对光强场计算得到电子温度场。
17.重建算法按照类型可以分为变换类算法和迭代类算法，变换类算法有二维傅里叶逆变换法、直接反投影算法、卷积滤波反投影算法等，适合全视角范围、投影数据较多且角度均匀的情况，迭代类算法有代数迭代重建算法（art）、乘性代数重建算法（mart）、同时迭代重建算法（sirt）等算法，适合在光学窗口大小和镜头数量限制下投影角度和数量有限的情况。
18.其中，本装置的原理为：待测流场发出自发辐射，光学系统捕获流场的辐射光强中与窄带滤波片法线平行的光，获取特征谱线的辐射光强；平行光处理模块改变平行光相对窄带滤波片法线的垂直入射偏转角，从而获取氧原子特征谱线迹线处的连续背景辐射；图像采集模块获取特征谱线辐射光强与迹线处的连续背景辐射光强图像，先进行采集系统的标定，再采集经过平行光处理模块后不同镜头位置、不同参数的窄带滤波片后的光强图像；图像处理模块处理标定数据，对图像重构成光强场数据，提高信噪比，再根据相对光强关系计算得到电子温度场。
19.其中，为了获得待测流场的平行光，光学系统包括光学透镜与光阑，可以捕获待测流场的发散光中与光轴平行的平行光，所述光学透镜用于收集待测场发散光，所述光阑用于从收集的发散光中筛选与光轴平行的待测流场平行光。
20.其中，为了获取平行光入射的偏转角度，根据窄带滤波片性质，入射角度偏移会导致透过率函数以波长为变量的非线性移动，利用特征谱线峰值所在波长与该条特征谱线底部迹线所在波长的波长差确定平行光入射的偏移角度。
21.其中，为了获得特征谱线峰值所在波长与该条特征谱线底部迹线所在波长，以及窄带滤波片的参数，可在采集前进行光谱仪的点测量，挑选氧原子的特征谱线、记录迹线位置，从而设计窄带滤波片参数，包括中心波长和带宽；其中，为确定镜头位置，根据待测流场的开窗结构或试验台限制区域确定相机镜头摆放位置，然后将滤波片安装到相机镜头处。
22.其中，为了重构光强场，根据标定方法获取相机镜头内外参数标定矩阵，再基于标定处理后对多镜头拍摄的辐射光强图像进行场重构，借助重构算法获取重构后的特征谱线光强场；其中，为了获取电子温度场，利用各个窄带滤波片下重构的光强场，利用光强场同位置的相对光强关系用玻尔兹曼方法获得单个点的电子温度，同理获取电子温度场。
23.优选的，所述步骤2具体为根据待测流场的开窗结构或试验台限制区域确定相机镜头摆放位置，将滤波片安装到相机镜头处。
24.本方法具体包括：进行预先试验，利用光谱仪得到待测流场的全波段谱线，挑选出氧原子不被其他谱线强度干扰的特征谱线，从而获取流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽，该参数用来确定图像采集模块中的滤波片参数，测量图像采集模块中的镜头通光口径，滤波片通光口径不小于镜头通光口径；根据待测流场的开窗结构或试验台限制区域摆放镜头位置，将滤波片安装到镜头处；进行标定，标定镜头所在位置与硬件参数，位置包括镜头在世界坐标系中的坐标与相对待测场的方位角，硬件参数包括分辨率、焦距与镜头缺陷导致的非线性畸变等，用以图像处理模块重建场结果；光学系统收集待测流场的发散光，产生与镜头滤波片法线为光轴的待测流场平行光，平行光处理模块先设置偏移角度为0的情况，图像采集模块采集与滤波片法线偏转为0的待测流场在滤波片下得到的表示特征谱线光强的二维图像第一平行光；平行光处理模块再设置偏转角度，图像采集模块采集与滤波片法线偏转为的待测流场特征谱线迹线处光强的二维图像第二平行光；更换滤波片，重复上述2个步骤，获得待测流场氧原子不同特征谱线下光强图像；将采集图像传到图像处理模块，第一平行光与第二平行光相抵消，获得表示信噪比高的特征谱线光强的二维图像第三平行光，利用不同特征谱线的第三平行光结合层析重建技术可以重建氧原子不同特征谱线的光强场；根据离散方法，每个离散点对应不同波长的氧原子强度，从而计算获得离散点的
电子温度，所有的离散点的计算结果形成待测流场的电子温度场。
25.其中，本方法的原理为：光学系统接收待测流场光，并分离出与光轴平行的光，平行光处理模块处理光学系统分离的光，偏转角度为0时获取第i条特征谱线的光强强度第一平行光，偏转角度为获取第i条特征谱线的迹线强度第二平行光，相互抵消提高信噪比，获得第三平行光，利用第三平行光结合层析技术，重建第i条特征谱线的光强场，利用事先的标定处理获得镜头的内外参数矩阵，再利用玻尔兹曼原理，利用特征谱线表示的能级跃迁的辐射强度得到玻尔兹曼分布，从而获取电子温度，最终根据离散结构，根据各点计算结果形成待测流场的电子温度场。
26.其中滤波片的参数选择取决于光谱仪测量的流场谱线特征，挑选不被其他物质的分立谱或分子连续谱叠加的氧原子谱线，获得该氧原子的特征谱线的中心波长和展宽，设计滤波片参数；入射平行光相对滤波片法线的偏转角度的计算取决于滤波片透过率函数，滤波片透过率函数以波长为自变量，函数与偏转角度和带宽有关，在偏转角度为0时，待测流场的平行光在波段带通，即获取的为中心波长为，展宽为的第i条特征谱线的该带通波段的光强；由于窄带滤波片性质，透过率函数用中心波长和带宽表示，带宽大小为4倍展宽，中心波长受入射光与滤波片法线的偏转角度影响，导致透过率函数发生变化，迹线强度为波段或强度，因此为获得第i条特征谱线对应的迹线所在位置对应的偏转角，满足关系：
27.其中，针对当前第i条特征谱线对应的滤波片，为第i条特征谱线对应的迹线所在位置对应的偏转角下透过率发生平移后对应的滤波片中心波长，为在偏转角为0时对应的滤波片中心波长，为第i条特征谱线的
展宽。
28.由于平行光偏转后的透过率函数发射平移，依旧在两端截止，带宽从偏移后缩短为，测量下的际线光强若与偏转角度为0时波段带通的待测场光强背景际线抵消，需要拓展为相同波段，即提高信噪比需要减去4倍平行光偏转后的测量际线强度。
29.重构光强场需要用到多张不同投影角度的图片与该角度的镜头内外参数，其中镜头的内外参数矩阵的获取是在图像处理模块中根据镜头的成像模型获得镜头的线性与非线性模型，线性表现为投影透视，非线性表现为镜头硬件做工导致的径向与切向畸变，对非线性畸变进行校正后，根据小孔成像原理获得镜头的内外参数矩阵，包括旋转矩阵r、平移矩阵t、镜头分辨率与焦距等镜头性能参数矩阵k；场重构用到层析重建算法，根据流场开窗条件设计镜头位置和投影角度，全视角、投影数多且角度均匀则使用变换类算法，否则使用迭代类。
30.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明提供的一种非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法及装置，通过提前挑选并测量氧原子的特征谱线中心波长与展宽，从而设计窄带滤波片参数，基于窄带滤波片的基本性质，降低噪声水平，获得高信噪比的光强图像，重构得到电子温度场，实现场角度分析待测流场，突破传统的辐射光谱沿测量路径积分的点测量手段，从多点测量分析到实现待测非平衡场的电子温度空间场分布变化等空间上的信息分析，并可结合其他测温方式获取待测流场某点的平动温度、振转温度，与电子温度场对比获取待测流场上该点的热非平衡状态，实现场角度的流场电子温度测量分析，适用于基于辐射光谱的非平衡流场的多维诊断方法。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；图1是本发明中非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构装置示意图；图2是本发明中处理和采集平行光过程示意图；图3是本发明中非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构方法示意图。
实施方式
32.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可
以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
34.实施例一
35.请参考图1-图3，本方法首先进行预先的试验准备，利用光谱仪得到待测流场的全波段谱线，挑选出氧原子不被其他谱线强度干扰的特征谱线777.4nm、844.6nm，从而获取流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽，该参数用来确定图像采集模块中的滤波片参数，测量图像采集模块中的镜头通光口径，滤波片通光口径设计为；1.根据待测流场的开窗结构或试验台限制区域摆放镜头位置，布置如图1所示，设计4个镜头，镜头等角度摆放，角度约为45
°
，实际情况下，为实现更好的重建效果，镜头数量应更多，对非轴对称流场应360度摆放，实例为轴对称待测流场的180度等角度镜头摆放示例；2.进行标定，放置标定板，镜头拍摄标定结果，用以图像处理模块确定镜头所在位置与硬件参数，位置包括镜头在世界坐标系中的坐标与相对待测场的方位角，硬件参数包括分辨率、焦距与镜头缺陷导致的非线性畸变等；3.选定的谱线总数，，将第条谱线对应的滤波片安装到镜头处，4个镜头前的滤波片的参数相同；如图2所示，光学系统收集待测流场的发散光，产生与镜头滤波片法线为光轴的待测流场平行光，平行光处理模块先设置偏移角度为0的情况，图像采集模块采集与滤波片法线偏转为0的待测流场特征谱线强度的二维图像第一平行光；4.滤波片透过率函数与光入射角度和带宽有关，在偏转角度为0时，待测流场的平行光在波段带通，即获取的为中心波长为，展宽为的第i条特征谱线的该带通波段的光强，由于窄带滤波片性质，透过率函数用中心波长和带宽表示，带宽大小为展宽，中心波长,受入射光与滤波片法线的偏转角度影响，导致透过率函数发生沿波长方向的平移，迹线强度为波段或强度，带宽
大小为展宽满足根据关系式，获得第i条特征谱线对应的迹线所在位置对应的偏转角；
36.5.平行光处理模块设置偏转角度，图像采集模块采集与滤波片法线偏转为的待测流场特征谱线迹线处表示迹线光强的二维图像第二平行光；6.更换滤波片，重复步骤3-5，获得待测流场氧原子第2条谱线下光强投影图像；7.将采集图像传到图像处理模块，第一平行光与4倍第二平行光即拓展到相同带宽4nm下的光相抵消，获得表示信噪比高的光强的二维图像第三平行光，利用m=2条谱线的第三平行光3重建氧原子m=2个谱线的光强场；8.对波长相离较近，波长差小于光谱仪分辨率，分离出条表示电子能态跃迁的特征谱线，如表1所示。
37.表1为在带宽范围内的特征谱线参数表
38.9.根据离散方法，每个离散点对应条特征谱线对应波长的氧原子强度，为激发电子从高能级到低能级跃迁的辐射光谱强度；为从能级的跃迁几率；为原子跃迁的辐射光子频率；为高能级的简并度；为高能级的激发电位；为玻尔兹曼常数；为电子温度；c为常数，根据玻尔兹曼原理，做直线拟合：
39.相同离散点的电子温度相同，激发能级近似相同，滤波片i=1下接收到的光强包括777.194、777.417、777.539nm的，分离光强公式为：
40.同理获得滤波片i=2下接收到的光强包括8444.625、844.639、844.676nm的，可计算得到、、。
41.最后利用6个波长及其对应参数，从而计算获得离散点的电子温度，所有的离散点的计算结果形成待测流场的电子温度场。
42.其中，本实施例还提供了非平衡流场氧原子辐射光谱的电子温度场重构装置，所述装置包括：光谱仪，用于测量得到待测流场的全波段谱线；处理单元，用于从全波段谱线中挑选出氧原子不被其他谱线强度干扰的m条特征谱线，即该氧原子的谱线不与其他分子原子谱交叠，在单个滤波片带宽范围内理论上只有单条或多条氧原子谱的情况。若单个滤波片带宽范围内有多条谱线，挑选条件为在滤波片带宽范围内相离较近，但是激发电位可近似相等，进而实现掺杂多条谱线的总强度分离成各个谱线的强度。基于挑选出的m条特征谱线获取待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽，基于待测流场氧原子特征谱线的中心波长与展宽确定滤波片参数，m为大于1的整数；测量单元，用于测量获得相机镜头通光口径，基于相机镜头的通光口径获得滤波片通光口径范围；其中，滤波片通光口径不小于镜头通光口径，滤波片通光口径比镜头的大能确保收光只受镜头通光口径限制，获取的光强信号更大，测量单元可以采用相机镜头通光口径测量设备实现。
43.标定单元，用于在滤波片安装到相机镜头处后对相机进行标定，获得标定信息，其中标定单元包括用于标定的标定板；光学系统，用于收集待测流场的发散光，生成与光轴平行的待测流场平行光，光轴为滤波片法线；平行光处理模块，用于设置平行光相对光轴的垂直入射偏转角，采集与光轴偏转角度为预设角度的待测流场特征谱线平行光；图像采集模块，用于获得m组平行光组；图像处理模块，用于将每组平行光组中的平行光进行抵消处理，获得抵消后的平行光，共计获得m个抵消后的平行光；基于m个抵消后的平行光和标定信息重建氧原子不同特征谱线的光强场；计算单元，用于基于重建获得的光强场采用离散方法计算获得离散点的电子温度，基于所有离散点的计算结果获得待测流场的电子温度场，其中计算单元可以用计算器或计算机或电脑实现。
44.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
45.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。