【摘 要】
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气体流场的二维(2D)高空间分辨率测量对于燃烧诊断和泄漏定位非常重要。本文提出了一种激光吸收成像技术,将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与带电子滚动快门(ERS)的小型化互补金属氧化物半导体(CMOS)相机成像技术相结合,实现流场2D高空间分辨率测量,主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种用于实现气体流场2D高空间分辨测量的方法。全面总结梳理了激光吸收光谱技术在2D检测的研究现状,针对
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气体流场的二维(2D)高空间分辨率测量对于燃烧诊断和泄漏定位非常重要。本文提出了一种激光吸收成像技术,将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与带电子滚动快门(ERS)的小型化互补金属氧化物半导体(CMOS)相机成像技术相结合,实现流场2D高空间分辨率测量,主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种用于实现气体流场2D高空间分辨测量的方法。全面总结梳理了激光吸收光谱技术在2D检测的研究现状,针对现有气体流场检测方法空间分辨率低、系统结构复杂、成本高等问题,提出了一种气体流场激光吸收成像(LAI)方法,使用带ERS的CMOS相机取代传统TDLAS中的光电二极管探测器,对调谐激光进行时空采样,实现简单系统下流场2D高空间分辨率测量。(2)设计搭建了LAI系统并进行了参数优化。基于模块集成的思想,使用764nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)、扩束元件、自制气体池和CMOS相机并结合自主设计制作的支架和转接件等光机元件集成一套结构简单、低成本的LAI系统。由于环境对相机成像效果影响较大,根据实际测量环境通过大量实验分别对激光光源调谐参数、相机曝光时间、窗口尺寸、采集帧率等参数进行了优化,实验结果表明在激光器电流调谐频率f=150Hz,偏置电流Ioffset=5.3m A条件下,CMOS相机曝光时间texp=400μs,窗口尺寸R=3472×3648,采集帧率F=15fps时,光强信号信噪比相较于优化前提高约4.07倍,且节约计算机资源约36.55%。(3)实验验证了LAI高空间分辨率2D测量方法。为了高效且准确地得到气体浓度2D分布,提出了针对本系统的图像处理方案,使用该方案能够从相机采集的原始图像中提取出激光波长扫描信号,并且使图像数据处理效率提升约77.89%,信噪比提高约8.94倍。利用校准网格和光电探测器对LAI系统性能进行评价,该系统水平和竖直方向空间分辨率分别约为28μm和800μm,浓度测量误差为±3%。以O2作为目标气体,分别在稳定均匀和动态非均匀流场环境下进行实验,在1Hz时间分辨率下实现了气体流场2D高空间分辨率测量。本文提出的LAI方法相较于传统测量技术,空间分辨率提高了约2个数量级,该方法在燃烧场的2D和3D重建方面展现出巨大潜力。
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