一种点线融合标记的FLEET测速方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种点线融合标记的FLEET测速方法及装置，涉及气体流场测速技术领域，该方法包括以下步骤：获取气体流场位置，将输出的激光分成线激发激光和点激发激光；线激发激光在测量区域聚焦产生荧光标记线；将点激发激光调制为线光束组，线光束组与荧光标记线相交得到荧光标记点；获取先后两个时刻下点线融合标记的荧光信号得到两幅荧光图像；提取荧光标记线在两幅荧光图像中的空间位置，实现荧光线标记分子团在两幅荧光图像中的成功匹配，利用荧光标记线在两幅荧光图像中的空间位置差值与两个不同时刻差值的比值，计算荧光标记线处的流场速度。本方法利用点线融合增强标记，通过提高示踪分子空间位置匹配精度，提升气体流场的速度测量精度。场的速度测量精度。场的速度测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种点线融合标记的FLEET测速方法及装置


[0001]本专利技术涉及气体流场测速
，具体地，涉及一种点线融合标记的FLEET测速方法及装置。

技术介绍

[0002]流体的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于流场速度的获得，发展气体流场速度测量技术，为实验空气动力学提供可靠的速度测量结果，对先进飞行器、武器装备的快速发展和推进空气动力学科不断进步具有十分重要的意义。随着现代航空、航天技术及空气动力学科的迅速发展，高超声速以及复杂模型近壁区域的流场速度测量需求变得更为迫切，同时也对流场速度测量技术提出了新的挑战。目前热线、皮托管等接触测量技术在高超复杂流场测量中会严重干扰磁场，且测点有限。粒子图像测速(Particle Imaging Velocimetry，PIV)、激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry，LDV)等基于粒子示踪的测速技术广泛使用，但这类技术在流场速度测量时需要向流场中添加示踪粒子，受粒子添加技术及示踪粒子本身跟随性的影响，其在高超声速复杂流动中受到较多的限制，甚至无法测量。近年来新发展的激光电子激发标记测速(Femtosecond laser electronic excitation tagging velocimetry，FLEET)技术，通过激光对流场中存在的分子进行激发示踪，具有跟随性好、不干扰流场、系统相对简单等突出优点，有望成为能够满足高超声速复杂流动速度精细测量需求的方法，与现有技术形成互补。目前，基于线激发的FLEET技术在应用中，由于线激发技术是用一束激光在流场中激发出一条荧光线，待荧光线在流场中运动一定时间后，测量其运动距离，来计算流场速度，这就需要对荧光线的特征位置进行匹配，而前后两条荧光线几乎一样，就很难对两条荧光线的同一特征位置进行匹配，导致示踪分子空间位置匹配困难，从而严重影响速度测量精度，无法满足科学研究及工程应用需求。

技术实现思路

[0003]为解决现有FLEET技术中存在的示踪分子空间位置匹配困难的问题和提升FLEET技术在高超声速复杂流场速度测量中的速度测量精度，本专利技术提供了一种点线融合标记的FLEET测速方法，所述方法包括以下步骤：
[0004]获取需要测量的气体流场位置，将激光器输出的激光分成线激发激光和点激发激光，所述线激发激光的强度大于所述点激发激光的强度；
[0005]所述线激发激光在测量区域聚焦产生荧光标记线；
[0006]将所述点激发激光调制为多条彼此平行、共面和间距相等线光束组，所述线光束组与所述荧光标记线相交得到若干荧光标记点，实现对气体流场的点线融合标记；
[0007]获取先后两个时刻下点线融合标记的荧光信号得到两幅荧光图像；
[0008]提取所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的空间位置，并实现荧光线标记分子团在所述两幅荧光图像中的成功匹配，利用所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的空间
位置差值与所述两个不同时刻差值的比值，计算获得所述荧光标记线处的流场速度。
[0009]本专利技术原理：获取需要测量的气体流场位置，将激光器发出的激光分成线激发激光和点激发激光，线激发激光的强度大于点激发激光的强度，线激发激光和点激发激光源于同一束激光，线激发激光与点激发激光之间干扰较小，因此线激发激光和点激发激光的同步性和稳定性也更好；线激发激光在气体流场区域聚焦产生荧光标记线，点激发激光调制为多条彼此平行、共面和间距相等的线光束组，线光束组内的多束激光彼此平行、共面和间距相等，一是让线光束组的每束激光和荧光标记线相交得到若干荧光标记点，实现对气体流场的点线融合标记，二是利于提取若干荧光标记点的空间位置和后续计算气体流场速度；由于线激发激光的强度大于点激发激光的强度，因此在不影响荧光标记线信号强度的前提下，荧光标记点处的荧光信号强度会增强(荧光标记点会受到两束激光共同激发)。获取先后两个时刻下的荧光信号得到两幅荧光图像，由于增强了荧光标记点的荧光信号强度，所以能利于提取荧光标记线在两幅荧光图像中空间位置，利用荧光标记线在两幅荧光图像中的空间位置差值与两个不同时刻差值的比值，再计算获得荧光标记线处的流场速度。采用本方法对气体流场速度进行测量，具有以下有益效果：实现了气体流场速度分布非接触精确测量；无需外加示踪粒子，应用范围广；利用点线融合增强标记，提高示踪分子空间位置匹配精度，提升气体流场速度的测量精度。
[0010]优选的，所述方法还包括：提取所述荧光标记点在所述两幅荧光图像中的空间位置，并实现荧光点标记分子团在所述两幅荧光图像中的成功匹配，利用所述荧光标记点在所述两幅荧光图像中的空间位置差值与所述两个不同时刻差值的比值，计算获得所述荧光标记点处的速度；基于所述若干荧光标记点的匹配结果，对所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的匹配结果进行修正和约束；基于所述若干荧光标记点处的速度计算结果，对所述荧光标记线处的流场速度结果进行修正和约束。
[0011]其中，由于荧光标记点彼此独立且荧光标记点的荧光信号强度高于荧光标记线除荧光标记点外其他荧光信号强度，所以能利于提取荧光标记点在两幅荧光图像中的空间位置，实现荧光标记点标记分子团在两幅荧光图像中的成功匹配，再利用荧光标记点在两幅荧光图像中的空间位置差值与两个不同时刻差值的比值，计算获得荧光标记点处的速度。因为线光束组和荧光标记线产生若干荧光标记点，若干荧光标记点也都在同一条荧光标记线上，利用荧光标记点在荧光图像中空间位置匹配结果能约束荧光标记线在荧光图像中的空间位置匹配结果，利用荧光标记点的速度计算结果能约束荧光标记线处的流场速度计算结果。计算荧光标记点的速度是为了将同一条荧光标记线上的多个点整合起来更准确地分析流场运动状态(包括速度、方向等)，利用荧光标记点的匹配结果来修正和约束荧光标记线的匹配结果，就是按照荧光标记点的对应位置变化来匹配出荧光标记线的运动状态，从而使得对流场速度计算和运动方向判断更准确。
[0012]优选的，所述线激发激光与所述点激发激光的强度比为9:1。其中，激光器输出的激光分成线激发激光和点激发激光，线激发激光与点激发激光的强度比为9:1，仅利用能量极小的部分激光来产生线光束组，实现荧光标记点的信号增强，且几乎不影响荧光标记线的长短和信号强度。
[0013]优选的，所述激光器为飞秒脉冲激光器。其中，飞秒脉冲激光器具有超高的峰值功率，能激发流场中的N2分子产生荧光，且该荧光寿命较长，通过对被激发的N2分子进行示踪
来计算流场速度。
[0014]优选的，本方法通过相机采集所述两幅荧光图像。其中，通过相机来采集两幅荧光图像，再通过计算机来呈现两幅荧光图像。
[0015]优选的，本方法通过所述相机采集所述两幅荧光图像包括：所述相机视场范围能覆盖所有所述若干荧光标记点；所述若干荧光标记点在所述两幅荧光图像上的位置彼此独立。其中，确保相机能覆盖所有被激发的荧光标记点和每个荧光标记点在拍摄的图像上没有重合，这样才能满足后续根据荧光标记点来对两幅荧光图像进行匹配本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种点线融合标记的FLEET测速方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取需要测量的气体流场位置，将激光器输出的激光分成线激发激光和点激发激光，所述线激发激光的强度大于所述点激发激光的强度；所述线激发激光在测量区域聚焦产生荧光标记线；将所述点激发激光调制为多条彼此平行、共面和间距相等的线光束组，所述线光束组与所述荧光标记线相交得到若干荧光标记点，实现对气体流场的点线融合标记；获取先后两个时刻下点线融合标记的荧光信号得到两幅荧光图像；提取所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的空间位置，并实现荧光线标记分子团在所述两幅荧光图像中的成功匹配，利用所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的空间位置差值与所述两个不同时刻差值的比值，计算获得所述荧光标记线处的流场速度。2.根据权利要求1所述的一种点线融合标记的FLEET测速方法，其特征在于，所述方法还包括：提取所述荧光标记点在所述两幅荧光图像中的空间位置，并实现荧光点标记分子团在所述两幅荧光图像中的成功匹配，利用所述荧光标记点在所述两幅荧光图像中的空间位置差值与所述两个不同时刻差值的比值，计算获得所述荧光标记点处的速度；基于所述若干荧光标记点的匹配结果，对所述荧光标记线在所述两幅荧光图像中的匹配结果进行修正和约束；基于所述若干荧光标记点处的速度计算结果，对所述荧光标记线处的流场速度结果进行修正和约束。3.根据权利要求1所述的一种点线融合标记的FLEET测速方法，其特征在于，所述线激发激光与所述点激发激光的强度比为9:1。4.根据权利要求1所述的一种点线融合标记的FLEET测速方法，其特征在于，所述激光器为飞秒脉冲激光器。5.根据权利要求1所述的一种点线融合标...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈力，殷一民，陈爽，周全，杨文斌，李猛，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：