气体温度场的四种光学测量方法

谈到温度测量，人们自然会想到温度计，热电偶，红外热像仪等装置。但这些方法要么是介入式测量，要么是近似的，难以严格定量的测量。红外热像仪用的很多，但红外热像仪的问题在于只能测量物体表面的温度，并且因其测量原理基于普朗克黑体辐射定律，所以定量测量的准确度和被测对象的材料属性高度相关，需要复杂的标定修正过程。故这些方法，一般难于用到燃烧，流体等空气动力学研究对象的温度场测量中。气体温度场的光学非介入式测量具有广泛的应用需求。

       这里概要介绍四种非介入式温度场测量方法--瑞利散射测温(Rayleigh)，激光诱导苯甲醚荧光（LIF)，激光诱导BAM:Eu磷光（LIP）和背景指向纹影（BOS）。

实验测量对象如下图所示加热空气喷射：

      该喷嘴的加热空气温度范围在300-800K。实验在500K和800K两个温度上进行。

1.激光瑞利散射测温：

测量装置如下图所示：

       激光照明采用Quantel Q-smart 850型三倍频355 nm 输出。采用在线能量监视器实时监测激光能量。相机采用12比特2百万像素的CMOS相机(M-lite 2M)。配备25毫米大孔径图像增强器(IRO)。镜头选用85毫米焦距高分辨率紫外镜头。数值孔径2.8。成像测量视场为20mmX13mm。空间分辨率为10.5微米/像素。成像测量结果需经过消除暗背景，片光畸变矫正，平场修正，脉冲间能量起伏修正，最后经过求倒数，获得和温度成正比的相对温度场图像，再经过标定获得定量温度场。下图为测量结果：

2.背景指向纹影（BOS）

下图为BOS测量装置示意图：

       测量的核心部件为一台5百万像素的M-lite 5M型CMOS相机和一块具有随机分布点阵图案的背景板。成像视场为144mmX173mm。空间分辨率为70 微米/像素。采用脉冲宽度为200微秒的LED光照明以避免图像模糊。

       数据处理过程包括点阵位置空间比例尺标定，用最小二乘法匹配（LSM）算法，问询域设置为41x41个像素，进行点阵偏移变形量追踪计算。通过偏移变形量，计算折射率场。最后通过折射率场，和二次空间标定并利用洛伦兹-洛伦茨方程求出温度。

3. 激光诱导BAM:Eu磷光（LIP）

测量装置如下图所示：

       激光光源采用和瑞利散射测温相同的激光器型号。输出激光波长355nm。单脉冲能量80毫焦/脉冲。需要一台粒子发生器将粒子注入到被测空气流中。用一台分光器，将波长短于440nm的光分量反射到一台相机中，长于这个波长的光分量进入到另外一台相机中。两台相机的型号都是M-Lite2M。测量视场为180mm x113mm。空间分辨率92μm/像素。

        数据处理过程包括，消除暗背景。两通道图像空间标定，应用阈值滤波，白图像修正。最后经过温度曲线标定，得到温度场分布。

4.激光诱导苯甲醚荧光测温

测量装置如下图所示：

       测量装置和LIP方法很类似，依然用的是相同的脉冲激光器，但选用的是其4倍频266nm输出。单脉冲输出能量15毫焦@266nm。两台M-lite 2M 相机测量分光片分开的两个波段的苯甲醚荧光信号。测量视场为148 mm X 175 mm。空间分辨率72 微米/像素。

        数据处理包含暗背景消除，双相机图像空间标定，白场修正，荧光室温本地修正以及温度标定过程。

四种测量方法所得结果比较：

空气喷嘴温度设置为700K时，四种测量方法给出的全场2D温度分布

温度700K空气喷嘴近喷口区域两维平均温度场（左）和均方根偏差图（右）

       温度500 K (左) 和 700 K (右),平均值 (上行) 和相对标准偏差(下行)在距离喷嘴上方5毫米处穿过喷嘴的空间分布曲线。

总结及展望：
        瑞利方法能给出精确的结果。LIF方法和LIP方法可以有效应用在温度不高于500K的场合。瑞利方法和BOS方法对测温上限无限制。瑞利和LIF方法均可给出优于100微米的测量空间分辨率。但BOS方法的最大特点是简单，设备造价低，易于实现。
        在标定方面，瑞利和BOS方法的标定简单而直接。但瑞利方法在有混合过程，多种组分和反应过程的时候，其标定变得复杂。LIF和LIP方法则需要对测量的全部温度范围进行标定。
        LIF,BOS和LIP都可以测量较大视场，但瑞利散射方法由于其信号特别微弱，所以只能测量几个厘米宽的光带上的信号。
        BOS方最新的进展是采用多台相机从多个角度获得多个BOS成像结果，并利用层析重构原理，得到非对称体视温度场分布。下面图像显示的是LaVision公司和法国的ONERA合作所获得的初步结果：

层析3D-BOS测量500K空气喷嘴的3D-等温面图