等離子體速度測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子體速度測量方法及系統(tǒng)，該方法包括：待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點標定；對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線；根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。本發(fā)明基于激光誘導(dǎo)熒光進行等離子體速度測量，通過測量待測流場中離子受激激發(fā)的多普勒效應(yīng)來測量離子運動速度，是一種全新的非接觸式測量技術(shù)，不存在對待測流場的擾動，且不會受到電推力器中廣泛存在的電、磁干擾的影響，具有精度高、抗干擾性強、適用性廣的優(yōu)點，可廣泛推廣應(yīng)用。
【專利說明】
等離子體速度測量方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電推進等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種等離子體速度測量方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在太空飛行器噴氣推進技術(shù)領(lǐng)域，以靜電力加速離子或者以洛倫茲力加速等離子體的電推力器占據(jù)越來越重要的地位，其技術(shù)發(fā)展空間還很大。電推力器所噴射的工質(zhì)是低溫等離子體，具有15000m/s-40000m/s甚至更高的宏觀速度，同時壓力較低，一般僅為數(shù)Pa到數(shù)百Pa的壓強。為評定推力矢量、工質(zhì)利用效率及羽流污染等特征，需要精確測量射流宏觀速度的空間分布。
[0003]迄今對上述低溫等離子體宏觀速度分布的測量還是一項需要繼續(xù)完善的技術(shù)。目前已有的方法主要包括兩種:(I)馬赫探針法。這是一種接觸式測量方法，探針本身會對流場產(chǎn)生干擾;另一方面，馬赫探針的測量精度受磁場影響，在磁場較強的條件下測量結(jié)果存在較大誤差，而在電推力器中磁場的影響常常是不可忽略的。(2)NPLS方法。在流場中引入納米顆粒作為示蹤粒子，通過追蹤粒子運動測算本底流場的速度等信息，這種方法只反映中性氣體的速度場。由于電推力器通過徹體力加速帶電粒子，且其自身氣體密度低，中性示蹤粒子的運動與帶電粒子有很大差異。因此，亟需發(fā)展一種新型的適用于電推力器低壓等離子體射流宏觀速度精細化測量的方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種等離子體測量方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的馬赫探針的接觸式測量導(dǎo)致的流場擾動及測量精度受到磁場限制、NPLS方法引入納米粒子無法直接應(yīng)用至電推力器流場的等離子體速度測量的技術(shù)問題。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種等離子體速度測量方法，該方法包括:
[0007]待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點標定，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點；
[0008]對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線；
[0009]根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。
[0010]進一步地，對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量包括:
[0011]采用激光器作為熒光激發(fā)光源，激發(fā)光經(jīng)光路系統(tǒng)進入流場內(nèi)部待測點上與粒子發(fā)生作用并向外輻射熒光；
[0012]熒光信號經(jīng)相敏檢波以從背景噪聲中提取并經(jīng)處理器采集，處理器以預(yù)定頻率掃描激光器的輸出頻率，得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。
[0013]進一步地，根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布包括:
[0014]對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型；
[0015]對實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量；
[0016]以頻率起算點對多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種等離子體速度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0018]標定裝置，用于標定待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點；
[0019]測量裝置，用于對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線；
[0020]后處理裝置，用于根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。
[0021]進一步地，測量裝置包括:作為熒光激發(fā)光源的激光器，激光器的輸出端連接光路系統(tǒng)，激發(fā)光經(jīng)光路系統(tǒng)進入流場內(nèi)部待測點上與粒子發(fā)生作用并向外輻射熒光；
[0022]測量裝置還包括:用于將熒光信號耦合入光纖的光纖準直器，光纖準直器經(jīng)光纖連接光纖單色儀、光電倍增管及鎖相放大器，鎖相放大器的輸出端連接用于數(shù)據(jù)采集的處理器，處理器掃描激光頻率且記錄鎖相放大器經(jīng)相敏檢波檢測的熒光信號強度以得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。
[0023]進一步地，光路系統(tǒng)包括設(shè)于激光器出口的分束鏡，激發(fā)光經(jīng)分束鏡反射的部分光進入波長計以監(jiān)測激光頻率，波長計連接處理器;激發(fā)光經(jīng)分束鏡透射的部分光依次經(jīng)斬波器、多面反射鏡、聚焦透鏡進入待測流場內(nèi)部以與粒子發(fā)生作用使之受激吸收并向外福射焚光。
[0024]進一步地，激光器為可調(diào)諧激光器。
[0025]進一步地，聚焦透鏡的焦距不小于2m，經(jīng)聚焦透鏡出射的聚焦光斑直徑不超過Imm0
[0026]進一步地，標定裝置采用可透視空心陰極燈作為參考源。
[0027]進一步地，后處理裝置包括:
[0028]第一處理模塊，用于對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型；
[0029]第二處理模塊，用于對實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量；
[0030]第三處理模塊，用于以頻率起算點對多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。
[0031]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0032]本發(fā)明等離子體速度測量方法及系統(tǒng)，基于激光誘導(dǎo)熒光進行等離子體速度測量，通過測量待測流場中離子受激激發(fā)的多普勒效應(yīng)來測量離子運動速度，是一種全新的非接觸式測量技術(shù)，不存在對待測流場的擾動，且不會受到電推力器中廣泛存在的電、磁干擾的影響，具有精度高、抗干擾性強、適用性廣的優(yōu)點，可廣泛推廣應(yīng)用。
[0033]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0034]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:
[0035]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例等離子體速度測量方法的流程示意圖；
[0036]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例中激光誘導(dǎo)熒光能級躍迀示意圖；
[0037]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中實測光譜線型的多種效應(yīng)疊加的原理示意圖；
[0038]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中后處理的原理示意圖；
[0039]圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例等離子體速度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例等離子體速度測量系統(tǒng)中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ]附圖標記說明:
[0042]100、標定裝置；
[0043]200、測量裝置；
[0044]300、后處理裝置;310、第一處理模塊;320、第二處理模塊;330、第三處理模塊；
[0045]201、激光器;202、分束鏡;203、波長計;204、斬波器;205、第一反射鏡；
[0046]206、第二反射鏡;207、第三反射鏡;208、聚焦透鏡;209、第一保護窗口 ；
[0047]210、第二保護窗口 ；211、光纖準直器;212、光纖單色儀；
[0048]213、光電倍增管;214、鎖相放大器;215、處理器;216、光纖;217、激光束；
[0049 ]400、待測流場;401、待測點。
【具體實施方式】
[0050]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
[0051 ]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種等離子體速度測量方法，本實施例基于激光誘導(dǎo)焚光(Laser induced fluorescence,LIF)方法對電推力器中等離子體射流宏觀速度進行測量，利用激光與目標粒子的相互作用使其受激吸收后自發(fā)輻射出熒光，通過測量熒光的多普勒展寬來對粒子的速度分布進行測算。參照圖1，本實施例方法包括:
[0052]步驟SlOl，待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點標定，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點；
[0053]由于本實施例測算的等離子體速度是宏觀速度和微觀熱運動速度的疊加，要得到宏觀速度的絕對值，應(yīng)當確定宏觀速度的頻率起算點，本實施例通過如下方法實現(xiàn):以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光線型。由于參考源等離子體宏觀速度為零，可以選擇此時熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點。頻率起算點的意義在于標定了宏觀速度為O的激光頻率絕對位置，粒子的多普勒效應(yīng)以頻率起算點為中心值呈熱力學統(tǒng)計線型分布。
[0054]步驟S103，對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線；
[0055]在本技術(shù)方案下，針對不同的待測粒子應(yīng)制定各自合適的激發(fā)策略。圖2示出了激光誘導(dǎo)熒光形成過程中粒子能級躍迀示意圖。參照圖2，處于能級I的粒子受到激光的作用吸收光子能量發(fā)生受激吸收作用被激發(fā)到高能級(即能級2)，而后通過自發(fā)輻射效應(yīng)向下躍迀到另一低能級(即能級3)，多余的能量以焚光的形式向外福射。其中hvi為入射光子能量，對應(yīng)的激光波長為A1 ； hv2為熒光光子能量，對應(yīng)的熒光波長為λ2。為了使熒光具有較高的強度利于探測，必須保證能級I具有較高的粒子數(shù)密度。優(yōu)選地，將能級I選定為粒子的亞穩(wěn)態(tài)。
[0056]本實施例中，優(yōu)選地，對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量包括:
[0057]采用激光器作為熒光激發(fā)光源，激發(fā)光經(jīng)光路系統(tǒng)進入流場內(nèi)部待測點上與粒子發(fā)生作用并向外輻射熒光;本實施例中，采用可調(diào)諧染料激光器作為激發(fā)光源，入射激光經(jīng)光路系統(tǒng)傳導(dǎo)和聚焦到流場待測點上，與目標粒子發(fā)生作用使之受激吸收并向外輻射熒光；
[0058]熒光信號經(jīng)相敏檢波以從背景噪聲中提取并經(jīng)處理器采集，處理器以預(yù)定頻率掃描激光器的輸出頻率，得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。具體地，熒光經(jīng)信號采集光路收集并通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)相敏檢波以從背景噪聲中提取，以預(yù)定頻率掃描可調(diào)諧染料激光器的輸出頻率，通過以上兩步得到激光頻率與熒光信號強度對應(yīng)關(guān)系O
[0059]步驟S105，根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。
[0060]其中，測量結(jié)果為熒光信號強度隨激光頻率變化曲線，通過積分歸一化后得到實測光譜線型。實測光譜線型是多種效應(yīng)的疊加效果，參照圖3，包括超精細結(jié)構(gòu)、自然展寬、能量飽和效應(yīng)、以及多普勒效應(yīng)。其中，超精細結(jié)構(gòu)是由原子核自旋以及同位素分裂形成的基本線型，自然展寬和能量飽和效應(yīng)屬于均勻展寬效應(yīng)，多普勒效應(yīng)是與待測點所有粒子相關(guān)的頻移與頻展效應(yīng)。在計算中，通過計算激光的飽和度對自然展寬的洛倫茲線型進行修正，將二者統(tǒng)一為折合均勻加寬進行處理。
[0061]本實施例根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布包括:
[0062]對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型；
[0063]對實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量；
[0064]以頻率起算點對多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。
[0065]本實施例中，對測量結(jié)果進行后處理的目的在于從實測光譜線型當中分離出多普勒展寬效應(yīng)分量，再通過多普勒代換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度信息。優(yōu)選地，本實施例中采用高斯濾波器的反卷積濾波算法進行多普勒效應(yīng)的分離。高斯濾波器的濾波參數(shù)帶寬限是一個對結(jié)果影響較大的參數(shù)，過高的帶寬限使得噪聲分離不徹底，過低的帶寬限會使線型發(fā)生失真，故高斯濾波器的濾波參數(shù)帶寬限應(yīng)根據(jù)實際的信噪比來確定。
[0066]在本實施例中，采用如下方法確定高斯濾波器的帶寬限:通過對待測流場的多次測量分析其信噪比SNR值，作為后面步驟中添加噪聲的依據(jù)。計算實際激光能量在待測等離子體中的飽和度，折合進洛倫茲線型擬合出均勻加寬效應(yīng)，通過與超精細結(jié)構(gòu)作卷積得到冷等離子體線型。一方面，將冷等離子體線型與擬合的多普勒效應(yīng)進行卷積，添加適當白噪聲得到與前面實測信號等信噪比的模擬線型，對模擬線型進行傅里葉變換得到K ω);另一方面，對冷等離子體線型作傅里葉變換得到C(co)，二者進入高斯反卷積濾波器程序，以初始帶寬限Ω分離出多普勒效應(yīng)。將分離得到的多普勒效應(yīng)與之前擬合得到的理論多普勒效應(yīng)經(jīng)行比較，若信噪比和失真度的要求不滿足，調(diào)整帶寬限的值重新迭代;若滿足要求，輸出帶寬限的值。圖4中，fft為傅里葉變換，C(V)為冷等離子體線型，C(co)為冷等離子體線型的頻域空間變換值，K ω )為等信噪比模擬線型的頻域空間變換值。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種等離子體速度測量系統(tǒng)，參照圖5，本實施例測量系統(tǒng)包括:
[0068]標定裝置100，用于標定待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點；
[0069]測量裝置200，用于對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線；
[0070]后處理裝置300，用于根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。
[0071]本實施例中，由于測算的等離子體速度包含宏觀速度和微觀熱運動速度的疊加，要得到宏觀速度的絕對值，應(yīng)當確定宏觀速度的頻率起算點，本實施例標定裝置100以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量參考源的激光誘導(dǎo)熒光線型。由于參考源等離子體宏觀速度為零，可以選擇此時熒光信號強度最高處的激光頻率為頻率起算點。頻率起算點的意義在于標定了速度為O的激光頻率絕對位置，粒子的多普勒效應(yīng)以頻率起算點為中心值進行分布。優(yōu)選地，采用充填同種待測氣體的可透視空心陰極燈作為參考源。且標定裝置100采用的光路與測量裝置200的測量光路盡可能保持一致，減少由空間效應(yīng)帶來的誤差。
[0072]參照圖6，本實施例測量裝置200包括:作為熒光激發(fā)光源的激光器201，激光器201的輸出端連接光路系統(tǒng)，熒光激發(fā)光源輸出的激光束217經(jīng)光路系統(tǒng)進入待測流場400內(nèi)部的待測點401上且與粒子發(fā)生作用向外輻射熒光;測量裝置200還包括:用于將熒光信號耦合入光纖的光纖準直器211，光纖準直器211經(jīng)光纖216連接光纖單色儀212、光電倍增管213及鎖相放大器214，鎖相放大器214的輸出端連接用于數(shù)據(jù)采集的處理器215，處理器215掃描激光頻率且記錄鎖相放大器214經(jīng)相敏檢波檢測的熒光信號強度以得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。優(yōu)選地，傳輸光纖216采用線徑為不低于200微米寬徑多模光纖。
[0073]可選地，參照圖6，本實施例光路系統(tǒng)包括設(shè)于激光器201出口的分束鏡202，熒光激發(fā)光源經(jīng)分束鏡202反射的部分光線進入波長計203以監(jiān)測激光頻率，波長計203連接處理器215，以便于處理器215采集激光頻率;熒光激發(fā)光源經(jīng)分束鏡202透射的部分光線依次經(jīng)斬波器204、第一反射鏡205、第二反射鏡206、第三反射鏡207、聚焦透鏡208進入待測流場400內(nèi)部。
[0074]優(yōu)選地，本實施例激光器201采用窄線寬可調(diào)諧染料激光器，要求受激吸收波段的出光功率不小于500mW，功率輸出波動幅值不高于3%，緩慢掃描激光頻率(推薦30MHz/s)，掃描過程中保證波長穩(wěn)定度為0.lpm，激光束經(jīng)過分束鏡202反射約5%的能量進入波長計203進行激光頻率的監(jiān)測，其余能量通過一定頻率(約IKHz)旋轉(zhuǎn)的斬波器204進行調(diào)制，而后經(jīng)多面反射鏡組進入真空系統(tǒng)，由聚焦透鏡208聚焦到等離子體內(nèi)部的待測點401上，光信號通過光纖準直器211耦合進入光纖216并從光纖單色儀212的入口狹縫進入，經(jīng)光柵分光后以約I Oym的狹縫寬度出射，然后進入光電倍增管(PMT) 213后轉(zhuǎn)化為電流信號，利用鎖相放大器214對該信號與斬波器204的斬波頻率進行相敏檢波，從而將激光誘導(dǎo)的微弱熒光信號從高背景噪聲提取，最后與PC通信進行采集記錄信號強度。
[0075]優(yōu)選地，為了使測量得到的熒光信號具有較高的強度，需要提高待測點的激光能量密度，本實施例利用聚集透鏡208對激光進行聚焦，使得激光的聚焦光斑直徑不超過1mm。由于長焦透鏡對激光的聚焦路徑在空間上具有更高的穩(wěn)定性，聚焦透鏡的焦距f>2m。在測量中需要在聚焦透鏡208和光纖準直器211之間加裝保護窗口防止高能粒子轟擊腐蝕。參照圖6，本實施例在聚焦透鏡208的出口設(shè)置第一保護窗口 209，在光纖準直器211的入口處設(shè)置第二保護窗口 210。
[0076]本實施例后處理裝置300包括:
[0077]第一處理模塊310，用于對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型；
[0078]第二處理模塊320，用于對實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量；
[0079]第三處理模塊330，用于以頻率起算點對多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。
[0080]本實施例后處理裝置300的具體處理過程請參照上述方法實施例，在此，不再贅述。
[0081]從以上的描述可以得知，本實施例基于激光誘導(dǎo)熒光進行等離子體速度測量，通過測量待測流場中離子受激激發(fā)的多普勒效應(yīng)來測量離子運動速度，是一種全新的非接觸式測量技術(shù)，不存在對待測流場的擾動，且不會受到電推力器中廣泛存在的電、磁干擾的影響，精度高且抗干擾性強。且在本發(fā)明技術(shù)方案中，激光被長焦透鏡聚焦到Imm以內(nèi)的極小光斑之內(nèi)與待測粒子發(fā)生作用，最終測量得到的粒子速度是光斑焦點區(qū)域內(nèi)的速度，即空間分辨率優(yōu)于1mm。理論上來說，只要合理選定激光誘導(dǎo)熒光的激發(fā)策略，本方案可以測量任意粒子的速度，且對于目標粒子是否帶電沒有選擇性，可以實現(xiàn)異地測量、光纖傳輸、光學實驗室分析，具有很強的實用拓展性。
[0082]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種等離子體速度測量方法，其特征在于，包括: 待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點標定，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量所述參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為所述頻率起算點； 對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線； 根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以所述頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體速度測量方法，其特征在于，所述對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量包括: 采用激光器作為熒光激發(fā)光源，激發(fā)光經(jīng)光路系統(tǒng)進入流場內(nèi)部待測點上與粒子發(fā)生作用并向外福射焚光； 熒光信號經(jīng)相敏檢波以從背景噪聲中提取并經(jīng)處理器采集，所述處理器以預(yù)定頻率掃描所述激光器的輸出頻率，得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體速度測量方法，其特征在于， 所述根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以所述頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布包括: 對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型； 對所述實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量； 以所述頻率起算點對所述多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。4.一種等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 標定裝置(100)，用于標定待測流場等離子體宏觀速度的頻率起算點，以同種氣體的靜態(tài)等離子體源作為參考源，測量所述參考源的激光誘導(dǎo)熒光信號，選擇熒光信號強度最高處的激光頻率為所述頻率起算點； 測量裝置(200)，用于對待測流場等離子體基于激光誘導(dǎo)熒光測量，測量得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線； 后處理裝置(300)，用于根據(jù)測量結(jié)果分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量，以所述頻率起算點為基準進行代換得到待測流場等離子體的實際速度分布。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述測量裝置(200)包括:作為熒光激發(fā)光源的激光器(201)，所述激光器(201)的輸出端連接光路系統(tǒng)，激發(fā)光經(jīng)光路系統(tǒng)進入流場內(nèi)部待測點上與粒子發(fā)生作用并向外輻射熒光； 所述測量裝置(200)還包括:用于將熒光信號耦合入光纖的光纖準直器(211)，所述光纖準直器(211)經(jīng)光纖(216)連接光纖單色儀(212)、光電倍增管(213)及鎖相放大器(214)，所述鎖相放大器(214)的輸出端連接用于數(shù)據(jù)采集的處理器(215)，所述處理器(215)掃描激光頻率且記錄所述鎖相放大器(214)經(jīng)相敏檢波檢測的熒光信號強度以得到熒光信號強度隨激光頻率變化曲線。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述光路系統(tǒng)包括設(shè)于所述激光器(201)出口的分束鏡(202)，所述激發(fā)光經(jīng)所述分束鏡(202)反射的部分光進入波長計(203)以監(jiān)測激光頻率，所述波長計(203)連接所述處理器(215);所述激發(fā)光經(jīng)所述分束鏡(202)透射的部分光依次經(jīng)斬波器(204)、多面反射鏡、聚焦透鏡(208)進入待測流場(400)內(nèi)部以與粒子發(fā)生作用使之受激吸收并向外輻射熒光。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述激光器(201)為可調(diào)諧激光器。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述聚焦透鏡(208)的焦距不小于2m，經(jīng)所述聚焦透鏡(208)出射的聚焦光斑直徑不超過 Imm09.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述標定裝置(100)采用可透視空心陰極燈作為參考源。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體速度測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述后處理裝置(300)包括: 第一處理模塊(310)，用于對熒光信號強度隨激光頻率變化曲線通過積分歸一化得到實測光譜線型； 第二處理模塊(320)，用于對所述實測光譜線型進行多普勒效應(yīng)分離得到多普勒展寬效應(yīng)分量； 第三處理模塊(330)，用于以所述頻率起算點對所述多普勒展寬效應(yīng)分量進行多普勒變換得到目標區(qū)域粒子的速度-概率密度關(guān)系。
【文檔編號】G01N21/64GK106018878SQ201610303629
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】楊雄, 王墨戈, 程謀森
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學