一种高频动态火焰温度测量方法与系统

摘要

本发明涉及一种高频动态火焰温度测量方法及系统。本方法采用两个不同波长的种子激光，通过光纤耦合器注入固体激光器进行能量放大；通过光开关快速切换注入的激光波长，得到快速切换波长的激光脉冲，通过同一个相机进行双脉冲激光成像。脉冲信号的延迟与脉冲宽度等时序参数由一个时间精确度达到皮秒级的延时发生器提供，并通过光开关与成像系统之间的时序配合实现对二维温度场激光诱导荧光信号的同步捕捉与干扰排除功能。相较于之前采用两套不同波长成像的传统双线测温方法，本发明具有单相机成像质量高、控制系统简约、光路设置简单等优点。

权利要求

1.一种高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，包括第一种子激光发生器和第二种子激光发生器、第一声光调制模块和第二声光调制模块、第一数字延时信号发生器、光纤耦合器、光强测量装置、固体激光器、点—面光路转换组件、高速相机、像增强器和计算机，所述第一种子激光发生器和所述第二种子激光发生器分别用于产生不同波长的第一种子激光和第二种子激光，并通过相应光纤分别与所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的进口连接，所述第一数字延时信号发生器用于对所述第一声光调制模块和第二声光调制模块进行通断控制，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的出口通过相应光纤连接至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述固体激光器的入口，所述固体激光器用于将所述光纤耦合器输出的激光倍频、调制并放大成总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述光强测量装置在所述固体激光器的出光口附近并与所述计算机电连接，用于测量所述双脉冲激光信号的光强，所述点—面光路转换组件布置在所述固体激光器的出光口附近，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光信号；所述高速相机与所述点—面光路转换组件分别布置在待测火焰的两侧上，位于火焰中心平面上；

所述高速相机用于拍摄荧光信号，所述高速相机和所述像增强器与所述计算机电连接，所述计算机用于根据光强信息和平面激光诱导荧光信号计算得到火焰的二维温度场分布。

2.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，第一种子激光和第二种子激光的波长分别是1064.1nm和1064.2nm。

3.如权利要求1或2所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，第一种子激光发生器和第二种子激光发生器具有相应控制器，所述控制器用于改变种子激光器的控制温度和控制电流，以得到所需波长的种子激光。

4.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述第一数字延时发生器具有AB出口和CD出口，所述AB出口和CD出口分别与所述第一声光调制模块和所述第二声光调制模块电连接。

5.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述固体激光器为Nd:YAG高频脉冲激光器，并且包括第三声光调制模块、第四声光调制模块、光纤放大器和第二数字延时信号发生器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述第三声光调制模块，所述第三声光调制模块连接至所述第四声光调制模块，所述第四声光调制模块连接至所述光纤放大器，所述第二数字延时信号发生器用于对所述第三声光调制模块和第四声光调制模块进行通断控制，以再次对第一种子激光和第二种子激光的脉冲信号进行调制，产生总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号通过所述Nd:YAG高频脉冲激光器的晶体倍频和光学参量放大器处理后成为用于激发自由基荧光信号的激光；所述光纤放大器用于将双脉冲激光信号进行放大处理，提高其能量。

6.如权利要求5所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述第二数字延时信号发生器的一路信号输出给所述高速相机，作为拍摄触发信号，SYNC信号输出给所述高速相机作为快门信号，以及所述高速相机输出一路信号给所述像增强器，使得二者的触发信号与快门信号相同步，并且所述双脉冲激光信号包络在像增强器快门和高速相机快门时间之内。

7.如权利要求5所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，还包括226/283/

355nm滤波片，其布置在所述Nd:YAG高频脉冲激光器的出光口与所述点—面光路转换组件之间。

8.如权利要求5所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述光强测量装置包括光电二极管探测器、示波器和数据采集卡，所述光电二极管探测器布置在所述光纤放大器的出光口附近，用于探测光强信号，其信号输出端口接入所述示波器的采样通道，同时用所述数据采集卡实时采集每一次脉冲后所述示波器上的光强信号并传送至所述计算机。

9.一种高频动态火焰温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：提供如权利要求1‑8中任一项所述的高频动态火焰温度测量系统；

对标准平面扩散火焰进行拍摄与信号采集处理，得到像素点光强信息与温度场的关联信息作为标定数据；

保持光纤放大器和像增强器的参数不变，对高速脉动的湍流火焰进行拍摄，结合荧光信息、激光光强信息与标定数据，即可获得高速湍流的温度场分布信息。

10.如权利要求9所述的高频动态火焰温度测量方法，其特征在于，还包括步骤：调节第一种子激光发生器和第二种子激光发生器的控制温度和控制电流，以产生1064.1nm的第一种子激光和1064.2nm的第二种子激光。

说明书

一种高频动态火焰温度测量方法与系统

技术领域

[0001] 本发明涉及火焰温度测量技术，具体地涉及一种高频动态火焰温度测量方法与系统。

背景技术

[0002] 燃气轮机作为热‑功转换的重要设备，也是一种可以实现低污染燃烧的主要手段。研究燃气轮机的燃烧机理对于提高燃烧效率减少污染物排放具有重要意义，而温度又是燃
烧过程中的关键参数。对火焰温度测量技术的研究与改进，无论对燃烧过程中反应机理的
理论研究，还是对开发新型低污染机型，以及研究燃气轮机工作稳定性都具有重要的实用
价值。

[0003] 近年来研究人员将PLIF技术应用于燃烧场测温的方案主要是双线PLIF测温方法，PLIF技术能够获得燃烧场中某些基团(CH2O，NO，CH，OH)等的二维成像，因此能够实现具有
时空分辨率的温度场测量，且在理论上能够避免压力、自由基浓度与荧光猝灭效应的影响。
该方法原理是使用两束不同波长的激光几乎在同时激发某种基团处于同一振动能级的不
同转动能级上，计算相应荧光信号的比率就可以获得火焰温度，将每个像素点进行荧光信
号‑温度转化后就可以得到二维整场温度。双线PLIF测温方法的公式为：
其中，ΔE12为下能级上两个被激发的转动能级1和2之间的能级间隔；k为玻尔兹曼常数；R为
两能级对应荧光信号的比率；I1与I2分别为对应两个转动能级激发波长的能量。因此，只要
测得两条不同激发线的PLIF图像和激光能量信号就能够处理得到火焰中的二位温度场分
布。

[0004] 传统的双线PLIF测温一般采用两种方案实现过程，第一种方案是采用两台不同波长的激光器，使得其波长分别固定在基团两个转动能级的吸收峰位置进而实现短时间间隔
内的荧光信号测量，但这一过程存在着光路耦合困难、多台仪器实验状态难以调节一致、以
及双波长激光器控制系统冗杂的问题；第二种方案是采用可调谐激光器进行快速波长扫
描，从而实现短时间内两个峰位置的波长切换，此过程存在的问题是无法保证在极短时间
内完成波长切换从而无法完成双峰同步测量，从而无法实现状态变化极快的高度湍流温度
场测量。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高频动态火焰温度测量方法与系统，以解决上述问题。为此，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 根据本发明的一方面，提供了一种高频动态火焰温度测量系统，其可包括第一种子激光发生器和第二种子激光发生器、第一声光调制模块和第二声光调制模块、第一数字
延时信号发生器、光纤耦合器、光强测量装置、固体激光器、点—面光路转换组件、高速相
机、像增强器和计算机，所述第一种子激光发生器和所述第二种子激光发生器分别用于产
生第一种子激光和第二种子激光，并通过相应光纤分别与所述第一声光调制模块和第二声
光调制模块的进口连接，所述第一数字延时信号发生器用于对所述第一声光调制模块和第
二声光调制模块进行通断控制，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的出口通过相
应光纤连接至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述固体激光器的入
口，所述固体激光器用于将所述光纤耦合器输出的激光倍频、调制并放大成总频率为40KHZ
的双脉冲激光信号，所述光强测量装置在所述固体激光器的出光口附近并与所述计算机电
连接，用于测量所述双脉冲激光信号的光强，所述点—面光路转换组件布置在所述固体激
光器的出光口附近，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光
信号；所述高速相机与所述点—面光路转换组件分别布置在待测火焰的两侧上，位于火焰
中心平面上；所述高速相机用于拍摄荧光信号，所述高速相机和所述像增强器与所述计算
机电连接，所述计算机用于根据光强信息和平面激光诱导荧光信号计算得到火焰的二维温
度场分布。

[0007] 在较佳实施例中，第一种子激光和第二种子激光的波长分别是1064.1nm和1064.2nm。

[0008] 在较佳实施例中，第一种子激光发生器和第二种子激光发生器具有相应控制器，所述控制器用于改变种子激光器的控制温度和控制电流，以得到所需波长的种子激光。

[0009] 在较佳实施例中，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块为声光调制器。

[0010] 在较佳实施例中，所述第一数字延时发生器具有AB出口和CD出口，所述AB出口和CD出口分别与所述第一声光调制模块和所述第二声光调制模块电连接。

[0011] 在较佳实施例中，所述固体激光器为Nd:YAG高频脉冲激光器，并且包括第三声光调制模块、第四声光调制模块、光纤放大器和第二数字延时信号发生器，所述光纤耦合器通
过出口光纤连接至所述第三声光调制模块，所述第三声光调制模块连接至所述第四声光调
制模块，所述第四声光调制模块连接至所述光纤放大器，所述第二数字延时信号发生器用
于对所述第三声光调制模块和第四声光调制模块进行通断控制，以再次对第一种子激光和
第二种子激光的脉冲信号进行调制，产生总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述双脉冲激
光信号通过所述Nd:YAG高频脉冲激光器的晶体倍频和光学参量放大器处理后成为可用于
激发自由基荧光信号的激光；所述光纤放大器用于将双脉冲激光信号进行放大处理，提高
其能量。

[0012] 在较佳实施例中，所述第二数字延时信号发生器的一路信号输出给所述高速相机，作为拍摄触发信号，SYNC信号输出给所述高速相机作为快门信号，以及所述高速相机输
出一路信号给所述像增强器，使得二者的触发信号与快门信号相同步，并且所述双脉冲激
光信号包络在像增强器快门和高速相机快门时间之内。

[0013] 在较佳实施例中，所述光强测量装置包括光电二极管探测器、示波器和数据采集卡，所述光电二极管探测器布置在所述光纤放大器的出光口附近，用于探测光强信号，其信
号输出端口接入所述示波器的采样通道，同时用所述数据采集卡实时采集每一次脉冲后所
述示波器上的光强信号并传送至所述计算机。

[0014] 在较佳实施例中，该系统还包括226/283/355nm滤波片，其布置在所述Nd:YAG高频脉冲激光器的出光口与所述点—面光路转换组件之间。

[0015] 根据本发明的另一方面，还提供了一种高频动态火焰温度测量方法，其可包括以下步骤：

[0016] 提供如上所述的高频动态火焰温度测量系统；

[0017] 对标准平面扩散火焰进行拍摄与信号采集处理，得到像素点光强信息与温度场的关联信息作为标定数据；

[0018] 保持光纤放大器和像增强器的参数不变，对高速脉动的湍流火焰进行拍摄，结合荧光信息、激光光强信息与标定数据，即可获得高速湍流的温度场分布信息。

[0019] 进一步地，该方法还包括步骤：调节第一种子激光发生器和第二种子激光发生器的控制温度和控制电流，以产生1064.1nm的第一种子激光和1064.2nm的第二种子激光。

[0020] 本发明采用声光调制模块对波长进行快速切换，简化系统布置结构，解决多台激光器的复杂光路耦合问题，并且采用40KHz的超高频脉冲激光器，能够实现湍流场的快速动
态测温。

附图说明

[0021] 图1是本发明的一种高频动态火焰温度测量系统的示意图；

[0022] 图2是调整时序后的高速相机门信号、像增强器开关信号和双脉冲激光信号的耦合示意图；

[0023] 图3是采用本发明的高频动态火焰温度测量系统和方法进行实验得到的湍流燃烧瞬态温度场分布图，其中，a‑f分别示出时间t＝0、50μs、100μs、400μs、900μs和1ms的湍流燃
烧瞬态温度场分布图。

[0024] 附图标记：1、第一种子激光发生器，2、第二种子激光发生器，3、第一声光调制模块，4、第二声光调制模块，5、第一数字延时信号发生器，6、光纤耦合器，7、Nd:YAG高频脉冲
激光器，71、第三声光调制模块，72、第四声光调制模块，73、光纤放大器，74、第二数字延时
信号发生器，8、光强测量装置(光电二极管探测器)，9、点—面光路转换组件，10、高速相机，
11、像增强器，12、计算机。

具体实施方式

[0025] 以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为
了说明本发明技术方案的实质精神。

[0026] 如图1所示，一种高频动态火焰温度测量系统可包括第一种子激光发生器1、第二种子激光发生器2、第一声光调制模块3、第二声光调制模块4、第一数字延时信号发生器5、
光纤耦合器6、固体激光器7、光强测量装置8、点—面光路转换组件9、高速相机10、像增强器
11、计算机12等。第一种子激光发生器1和第二种子激光发生器2为常规激光器，分别用于产
生1064.1nm的第一种子激光和1064.2nm的第二种子激光。第一种子激光发生器1和第二种
子激光发生器2与其对应控制器相连接，通过改变控制器的温度与电流两项参数，可以改变
第一种子激光发生器1和第二种子激光发生器2的控制温度和控制电流，从而得到所需波长
的种子激光。

[0027] 第一种子激光器1和第二种子激光器2通过相应光纤分别与第一声光调制模块3和第二声光调制模块4的进口连接，使得第一种子激光和第二种子激光能够分别进入第一声
光调制模块3和第二声光调制模块4。第一声光调制模块3和第二声光调制模块4为市场上可
购得的声光调制器，例如F‑tone Networks公司提供的型号为FT‑OAM‑AOM‑O1。

[0028] 第一数字延时信号发生器5的时间精确度可以达到皮秒级，具有的AB、CD两组信号输出端口。第一数字延时信号发生器通过其AB、CD两组信号输出端口输出高低电平信号对
第一声光调制模块3和第二声光调制模块4进行通断控制，进而对第一种子激光和第二种子
激光进行延迟时间、脉宽长度等时序控制，从而将连续信号的第一种子激光和第二种子激
光“切割”成脉冲信号。

[0029] 第一声光调制模块3和第二声光调制模块4的出口通过相应光纤连接至光纤耦合器6，从而将两路脉冲信号(第一种子激光和第二种子激光)耦合在一起。接着，光纤耦合器5
通过出口光纤连接至固体激光器7的入口。具体地，固体激光器7可以是市场上可购得的Nd:
YAG高频脉冲激光器7，其可包括第三声光调制模块71、第四声光调制模块72、光纤放大器73
和第二数字延时信号发生器74等，光纤耦合器6通过出口光纤连接至第三声光调制模块71，
所述第三声光调制模块71连接至第四声光调制模块72，所述第四声光调制模块72连接至光
纤放大器73，第二数字延时信号发生器74对第三声光调制模块71和第四声光调制模块72进
行通断控制，以再次对第一种子激光和第二种子激光的脉冲信号进行调制，从而产生总频
率为40KHZ的双脉冲激光信号。所述双脉冲激光信号经过Nd:YAG高频脉冲激光器7通过晶体
倍频和光参量放大器处理后成为可用于激发自由基荧光信号的激光(例如，波长为226/
283/355nm等的紫外激光)。在所示实施例中，Nd:YAG高频脉冲激光器7将波长为1064.1nm和
1064.2nm的双脉冲激光信号倍频成波长为354.794nm和354.805nm的双脉冲激光信号。光纤
放大器73用于将双脉冲激光信号进行放大处理，以提高其能量，确保诱导出的荧光信号强
度足够。

[0030] 光强测量装置8布置在Nd:YAG高频脉冲激光器7(具体地，光纤放大器73)的出光口附近并与所述计算机12电连接，用于测量Nd:YAG高频脉冲激光器7输出的双脉冲激光信号
的光强。具体地，光强测量装置8可包括光电二极管探测器8、示波器(未示出)和数据采集卡
(未示出)等，其中，光电二极管探测器8布置在Nd:YAG高频脉冲激光器7(具体地，光纤放大
器73)的出光口附近，用于探测光强信号，其信号输出端口接入所述示波器的采样通道，同
时用所述数据采集卡实时采集每一次脉冲后所述示波器上的光强信号并传送至所述计算
机12。所述数据采集卡可以集成在计算机12中。或者，光强测量装置8直接是数字光强计，可
以将光强以数字信号的形式传送给计算机12。

[0031] 点—面光路转换组件9布置在所述Nd:YAG高频脉冲激光器7的出光口附件，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光信号。点—面光路转换组件9
的结构是公知的，这里不再进行描述。为了提高所诱导出的荧光信号的信噪比，通常在Nd:
YAG高频脉冲激光器7的出光口和点—面光路转换组件9之间布置有355nm滤波片。355nm是
适合于火焰中甲醛产生激光诱导荧光(LIF)信号的波长值。

[0032] 应该理解，第一种子激光和第二种子激光的波长不限于1064.1nm和1064.2nm，其可以根据实际应用场合设定。相应地，固体激光器7输出的双脉冲激光的波长也不限于
355nm左右(354.794nm和354.805nm)，其也可以是226nm或283nm等的紫外激光。

[0033] 高速相机10布置在待测火焰温度的另一侧(即，与点—面光路转换组件9相反的一侧)上，位于火焰中心平面上。Nd:YAG高频脉冲激光器7的第二数字延时信号发生器74的一
路信号输出给高速相机10，作为拍摄触发信号，SYNC信号输出给高速相机作为门信号，以及
所述高速相机输出一路信号给像增强器11，使得二者的触发信号与快门信号相同步，并且
所述双脉冲激光信号包络在像增强器11快门和高速相机10快门时间之内，如图2所示。控制
脉冲激光的开关，位于两个波峰对应波长的激光几乎在同时触发相机和像增强器快门进行
荧光信号拍摄记录，从而实现在极短时间内完成波长切换，完成双峰同步测量。

[0034] 在高速相机10拍摄到荧光信号之后，可将相邻两组照片中的荧光信号进行比值处理，结合光强信息，反演之后可得目标火焰平面内的二维温度场分布。也就是说，根据公式
可知，只需要得到两束脉冲激光的光强信号(I1和I2)以及相应脉冲激光所
诱导出的荧光信号后作出的比值(R)，就可根据上式计算得到每个像素点的温度。

[0035] 为了避免确定量子级别参数的困难，采用标准平面扩散火焰(coflow)的温度场作为标定。在特定的工况下标准平面扩散火焰的温度场信息是已知的。对其进行光强信号和
图像荧光信号采集后与已知的标准温度对比，可以对荧光信号表示的温度场进行标定。标
定结束后，保持相机与像增强器等装置的参数不变，对高速脉动的湍流火焰进行拍摄，结合
荧光光强信息、激光光强信息与标定信号，即可获得高速湍流的温度场分布信息。

[0036] 因此，在本发明的实施例中，提供了一种高频动态火焰温度测量方法，包括以下步骤：

[0037] 提供如上所述的高频动态火焰温度测量系统；

[0038] 调节第一种子激光发生器1和第二种子激光发生器2的控制温度和控制电流，以产生1064.1nm的第一种子激光和1064.2nm的第二种子激光；

[0039] 对标准平面扩散火焰进行拍摄与信号采集处理，得到像素点光强信息与温度场的关联信息作为标定数据；

[0040] 保持光纤放大器和像增强器的参数不变，测量高速脉动的湍流火焰的甲醛荧光信号与光强信息，依靠40KHz的高频激光可以捕捉到极短时间内的湍流温度场变化信息，结合
温度分布稳定的层流标定火焰信息可以得到每一帧(间隔25微秒)的温度分布信息，从而实
现高频湍流无侵入式测温的功能。

[0041] 图3示出了采用本发明的高频动态火焰温度测量系统和方法进行实验得到的湍流燃烧瞬态温度场分布图，其中，a‑f分别示出时间t＝0、50μs、100μs、400μs、900μs和1ms的湍
流燃烧瞬态温度场分布图。由此可见，本发明能够实现微秒级别的火焰温度场信息的测量，
可以应用于需要精确控制火焰温度的场合中。

[0042] 综上，本方法采用两个不同波长(1064.1nm和1064.2nm)的种子激光，通过光纤耦合器注入固体激光器进行能量放大；通过光开关(第一至第四声光调制模块)快速切换注入
的激光波长，得到快速切换波长的激光脉冲，通过同一个相机进行双脉冲激光成像。脉冲信
号的延迟与脉冲宽度等时序参数由一个时间精确度达到皮秒级的延时信号发生器(即，第
二数字延时信号发生器)提供，并通过光开关与成像系统(高速相机10和像增强器11)之间
的时序配合实现对二维温度场激光诱导荧光信号的同步捕捉与干扰排除功能。相较于之前
采用两套不同波长成像的传统双线测温方法，本发明具有双波长切换速度快、单相机成像
质量高、控制系统简约、光路设置简单等优点。

[0043] 以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本
申请所附权利要求书所限定的范围。