CN111024663A - 用于流场诊断的快速荧光寿命成像***及方法 - Google Patents
用于流场诊断的快速荧光寿命成像***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***及方法，解决现有荧光寿命成像技术成像时间分辨率低和帧率低的问题。该***包括脉冲激光器、片光整形装置、流场发生装置、滤波片、分幅相机及数据处理装置；脉冲激光器同时发射激光脉冲和电信号，片光整形装置用于将激光脉冲整形为片光；流场发生装置用于提供待测目标流场，待测目标流场经片光照射后发射荧光信号；滤波片用于透过荧光信号并滤除杂散信号；分幅相机包括同步控制装置和四台门控相机，同步控制装置控制四台门控相机的曝光时间门及延时；电信号触发分幅相机进行曝光获得四分幅图像；数据处理装置用于接收分幅相机捕获的四分幅图像并处理四分幅图像，得到荧光寿命图像并显示。
Description
技术领域
本发明涉及流场诊断技术，具体涉及一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***及方法。
背景技术
流场包括气流、燃烧、等离子体以及多相流场，对流场诊断技术的实验研究可为流场模型的建立和验证提供数据支撑，从而为相关工程的应用提供理论依据，如发动机性能的提升。传统的流场诊断技术多为侵入式，其会对流场产生扰动，从而导致流场参量的测量存在误差。
目前，最先进的流场诊断技术为光学诊断技术，可以实现流场的非侵入式测量；其中，平面激光诱导荧光寿命成像(PLIF)技术应用较为广泛，可实现主要/微量组份浓度、温度、压力及速度等流场参量的测量。PLIF可通过将激发光整形为片光来对待探测目标进行二维切片宽场成像，然而，在浓度测量方面，虽然PLIF荧光信号强度携带荧光剂浓度信息，但是由于碰撞淬灭效应的存在，使其无法实现浓度的定性及定量化测量，只能实现组份的可视化测量。
为了实现流场组份浓度的定量化测量，需要测量碰撞淬灭率，而荧光寿命成像(FLI)技术可以通过测量寿命来得到碰撞淬灭率，从而实现组份浓度的定量化测量。
传统的荧光寿命成像(FLI)技术，包括时间相关单光子计数技术(TCSPC)和门控荧光寿命成像(TG-FLI)技术成像等，时间相关单光子计数技术(TCSPC)使用光电倍增管对目标进行扫描成像，单幅荧光寿命图像的获取时间在分钟量级，门控荧光寿命成像(TG-FLI)使用单个ICCD对目标进行宽场成像，需要多次延迟ICCD的时间门获取多张图像来计算得到寿命图像，获取时间在秒量级，例如公开号为CN 109253992 A的中国专利，专利名称为一种等离子体荧光寿命测量装置及方法。Lund大学Ehn.等人利用两台ICCD结合门控荧光寿命成像的方法首次实现了层流火焰中甲醛(CH2O)的单发荧光寿命宽场成像(A.Ehn,O.Johansson,A.Arvidsson,M.Alden,and J.Bood,“Single-laser shot fluorescencelifetime imaging on the nanosecond timescale using a Daul Image and ModelingEvaluation algorithm,”Opt.Express 20(3),3044–3056(2012).)，该方法使用两台具有不同时间门的ICCD同时对流场进行曝光，由得到的两张荧光强度图像可计算得到一张荧光寿命图像。这种方法可在单指数衰减模型下实现流场的单发荧光寿命成像，但无法在双指数衰减模型下实现流场的单发荧光寿命成像，且无法实现高帧率的荧光寿命成像。
由于高速复杂流场组分浓度的定性及定量化测量需要快速的荧光寿命成像技术，以实现瞬态流场的冻结和高速流场的监测，因此，目前亟需一种新的荧光寿命成像技术，满足复杂流场诊断所需的高时间分辨率及高成像帧率。
发明内容
为了解决现有荧光成像技术速度较慢、荧光寿命测量精度较低，不能满足复杂流场的高时间分辨率、高成像帧率要求的技术问题，本发明提供了一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特殊之处在于：包括脉冲激光器、片光整形装置、流场发生装置、滤波片、分幅相机及数据处理装置；
所述脉冲激光器同时发射激光脉冲和电信号，所述激光脉冲为单脉冲能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，激光脉冲的波长与流场发生装置中待测目标中待测组份的激发波长相等；
所述片光整形装置用于将激光脉冲整形为片光；
所述流场发生装置用于提供待测目标流场，待测目标流场经所述片光照射后，待测目标流场中的待测组份发射荧光信号；
所述滤波片用于透过所述荧光信号并滤除杂散信号，所述杂散信号包括激光脉冲；
所述分幅相机包括同步控制装置和四台门控相机，同步控制装置用于控制四台门控相机的曝光时间门及延时；
所述分幅相机与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器发射的电信号触发分幅相机，通过所述同步控制装置控制四台门控相机，对经滤波片滤波后的荧光信号进行曝光，获得四分幅图像；
所述数据处理装置与分幅相机连接，用于接收分幅相机捕获的四分幅图像，采用荧光寿命算法处理四分幅图像，得到荧光寿命图像并显示；
所述荧光寿命算法是基于最小二乘法或最大似然法的拟合算法，或是基于快速荧光寿命算法的非拟合算法。
进一步地，所述分幅相机为分孔径式分幅相机或分振幅式分幅相机或者转镜式分幅相机。
进一步地，所述门控相机为像增强型CCD或像增强型CMOS相机。
进一步地，所述滤光片为带通滤波片或者长通滤波片。
同时，本发明提供了一种用于流场诊断的双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器发射一个单脉冲能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置中待测目标中待测组份的激发波长；同时，脉冲激光器发射一个电信号；
步骤二、皮秒激光脉冲经片光整形装置整形为片光；
步骤三、片光照射流场发生装置产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测组份发射荧光信号，并经滤波片滤除杂散信号；
步骤四、脉冲激光器发射的电信号触发分幅相机，使其对经滤波片滤除后的荧光信号进行曝光，获得记录四张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
步骤五、将分幅相机捕获的四张荧光强度图像传送到数据处理装置，利用拟合算法进行双指数衰减模型下的荧光寿命图像计算及显示。
进一步地，步骤五中，双指数衰减模型为：
I＝A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)；
其中，I为时变荧光信号强度，t为时间，A1、A2为2个预指数因子，τ1、τ2为2个不同的荧光寿命。
本发明还提供了一种用于流场诊断的单指数衰减模型高重频快速荧光寿命成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器连续发射两个重频为KHz～MHz、能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置中待测目标中待测组份的激发波长；同时，脉冲激光器发射一个电信号；
步骤二、两个皮秒激光脉冲经片光整形装置整形为两个片光；
步骤三、两个片光先后照射流场发生装置产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测目标组份发射两个荧光信号，并经滤波片滤除杂散信号；
其中，两个荧光信号分别为第一荧光信号和第二荧光信号；
步骤四、脉冲激光器发射的电信号触发分幅相机，使其对经滤波片滤除后的第一荧光信号和第二荧光信号进行曝光；
分幅相机的其中两台门控相机对第一荧光信号进行曝光，获得记录第一荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
分幅相机的另外两台门控相机对第二荧光信号进行曝光，获得记录第二荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
步骤五、将分幅相机捕获的四张荧光强度图像传送到数据处理装置，进行两张高重频荧光寿命图像的计算及显示。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明成像***使用包含四台门控相机的分幅相机对目标流场产生的荧光信号进行四幅图像同时曝光，每幅图像具有不同的曝光时间门，再使用四幅图像进行荧光寿命图像的计算，具有成像速度快和帧率高的特点，克服了传统荧光寿命成像方法成像速度慢和帧率低的缺陷。
2、本发明双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法利用脉冲激光器单次激发下荧光信号的四分幅曝光图像，可在双指数衰减模型下实现流场的单发荧光寿命成像，进而实现高时间分辨的快速荧光寿命成像。
3、本发明单指数衰减模型高重频荧光寿命成像方法利用脉冲激光器连续发射两个高重频(KHz～MHz)脉冲激发下记录的荧光信号四分幅曝光图像，可在单指数衰减模型下实现流场的高重频(KHz～MHz)快速荧光寿命成像。
附图说明
图1是本发明用于流场诊断的快速荧光寿命成像***的原理图；
图2是本发明用于流场诊断的双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法中激光脉冲与4台门控相机时间门的时序图；
图3是本发明用于流场诊断的双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法中荧光寿命图像计算原理图；
图4是本发明用于流场诊断的单指数衰减模型高重频快速荧光寿命成像方法中激光脉冲与4台门控相机时间门的时序图；
图5是本发明用于流场诊断的单指数衰减模型高重频快速荧光寿命成像方法中荧光寿命图像计算原理图。
其中，附图标记如下：
1-脉冲激光器，2-片光整形装置，3-流场发生装置，4-滤波片，5-分幅相机，6-数据处理装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，包括脉冲激光器1、片光整形装置2、流场发生装置3、滤波片4、分幅相机5及数据处理装置6。
脉冲激光器1产生能量在单脉冲能量在毫焦量级、波长在目标组份吸收峰的皮秒激光脉冲，用于激发流场发生装置3产生的目标流场；同时，脉冲激光器1发射一个电信号，用于触发分幅相机5进行曝光。
片光整形装置2用于将激光脉冲整形为片光，实现流场的宽场成像，一般由扩束镜和准直镜组成，也可由其他可实现相同功能的装置组成。
流场发生装置3用于提供待测目标流场，待测目标流场经片光照射后，待测目标流场中的待测组份发射荧光信号；流场发生装置3可为喷管、带有观测窗口的腔室和风洞，产生的待测目标流场可为气流、燃烧、等离子体和多相流场。
滤波片4放置于分幅相机5前，用于透过荧光信号并滤除激发光，可为带通滤波或者长通滤波片4，透过波段由激发光和信号光的波长决定，透过波段的最短波长不得小于激发光波长。
分幅相机5包括同步控制装置和四台门控相机，同步控制装置用于接受激光器发射的电信号并控制四台门控相机的曝光时间门及延时，四台门控相机用于记录四张具有不同时间门的荧光强度图像，获得四分幅图像；分幅相机5为分孔径式分幅相机或分振幅式分幅相机或者转镜式分幅相机，门控相机为像增强型CCD或像增强型CMOS相机。
数据处理装置6与分幅相机5连接，用于接受分幅相机5捕获的四分幅图像，并采用荧光寿命算法处理四分幅图像，得到荧光寿命图像并显示。数据处理装置6采用的荧光寿命算法可为基于最小二乘法或最大似然法的拟合算法，也可为快速荧光寿命算法等非迭代算法。
基于上述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，本实施例提供了一种在双指数衰减模型下流场单发荧光寿命成像方法，该方法中激光脉冲及分幅相机5中4台门控相机时间门的时序图见图2，该方法中荧光寿命图像计算原理图见图3，该成像方法包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器1发射一个单脉冲能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置3中待测目标中待测组份的激发波长；
同时，脉冲激光器1发射一个电信号；
步骤二、皮秒激光脉冲经片光整形装置2整形为片光，片光的尺寸由待测目标的观测区域决定；
步骤三、片光照射流场发生装置3产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测组份发射荧光信号，并经滤波片4滤除杂散信号；
步骤四、脉冲激光器1发射的电信号触发分幅相机5，使其对经滤波片4滤除后的荧光信号进行曝光，分幅相机5包括四台门控相机，分别为门控相机1、门控相机2、门控相机3、门控相机4，获得记录四张具有不同曝光时间门的荧光强度图像，分别为门控图像1、门控图像2、门控图像3、门控图像4；
步骤五、将分幅相机5捕获的四张荧光强度图像(门控图像1、门控图像2、门控图像3、门控图像4)传送到数据处理装置6，利用拟合算法进行双指数衰减模型下的荧光寿命图像计算及显示；
双指数荧光强度衰减模型为：
I＝A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)；
其中，I为时变荧光信号强度，t为时间，A1、A2为2个预指数因子，τ1、τ2为2个不同的荧光寿命。可见，至少需要四幅采样图像来计算未知量预指数因子A1和A2以及荧光寿命τ1和τ2，本发明可以在单发的情况下同时获取四张采样图像来进行双指数荧光寿命图像的拟合，拟合算法为最小二乘法或最大似然法，荧光寿命图像的时间分辨率由分幅相机5的测量时间窗口决定。
基于上述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，本实施例还提供了一种在单指数衰减模型下，高重频快速荧光寿命成像方法，该方法中激光脉冲及分幅相机5中4台门控相机时间门的时序图见图4，该方法中荧光寿命图像计算原理图见图5，该成像方法包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器1连续发射两个重频为KHz～MHz、能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置3中待测目标中待测组份的激发波长；
同时，脉冲激光器1发射一个电信号；
步骤二、两个皮秒激光脉冲经片光整形装置2整形为两个片光，片光的尺寸由待测目标的观测区域决定；
步骤三、两个片光先后照射流场发生装置3产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测目标组份发射两个荧光信号，并经滤波片4滤除杂散信号；
其中，两个荧光信号分别为第一荧光信号和第二荧光信号；
步骤四、脉冲激光器1发射的电信号触发分幅相机5，使其对经滤波片4滤除后的第一荧光信号和第二荧光信号进行曝光；
分幅相机5包括四个门控相机，其中两台门控相机对第一荧光信号进行曝光，获得记录第一荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像，分别为门控图像1、门控图像2；
分幅相机5的另外两台门控相机对第二荧光信号进行曝光，获得记录第二荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像，分别为门控图像3、门控图像4；
步骤五、将分幅相机5收集的四张荧光强度图像(门控图像1、门控图像2、门控图像3、门控图像4)传送到数据处理装置6，进行两张高重频荧光寿命图像的计算及显示；
两张高重频荧光寿命图像的计算具体为：
记录第一荧光信号的两张门控荧光强度图像(门控图像1和门控图像2)用于计算第一帧荧光寿命图；记录第二荧光信号的两张门控荧光强度图像(门控图像3和门控图像4)用于计算第二帧荧光寿命图。其中荧光寿命算法为快速荧光寿命算法。这样，本方法就得到了两帧高帧率的荧光寿命图像，帧率由高重频激光器的重复频率决定(KHz～MHz)。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (8)
1.一种用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特征在于：包括脉冲激光器(1)、片光整形装置(2)、流场发生装置(3)、滤波片(4)、分幅相机(5)及数据处理装置(6)；
所述脉冲激光器(1)同时发射激光脉冲和电信号，所述激光脉冲为单脉冲能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，激光脉冲的波长与流场发生装置(3)中待测目标中待测组份的激发波长相等；
所述片光整形装置(2)用于将激光脉冲整形为片光；
所述流场发生装置(3)用于提供待测目标流场，待测目标流场经所述片光照射后，待测目标流场中的待测组份发射荧光信号；
所述滤波片(4)用于透过所述荧光信号并滤除杂散信号，所述杂散信号包括激光脉冲；
所述分幅相机(5)包括同步控制装置和四台门控相机，同步控制装置用于控制四台门控相机的曝光时间门及延时；
所述分幅相机(5)与脉冲激光器(1)连接，所述脉冲激光器(1)发射的电信号触发分幅相机(5)，通过所述同步控制装置控制四台门控相机，对经滤波片(4)滤波后的荧光信号进行曝光，获得四分幅图像；
所述数据处理装置(6)与分幅相机(5)连接，用于接收分幅相机(5)捕获的四分幅图像，采用荧光寿命算法处理四分幅图像，得到荧光寿命图像并显示；
所述荧光寿命算法是基于最小二乘法或最大似然法的拟合算法，或是基于快速荧光寿命算法的非拟合算法。
2.根据权利要求1所述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特征在于：所述分幅相机(5)为分孔径式分幅相机或分振幅式分幅相机或者转镜式分幅相机。
3.根据权利要求1所述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特征在于：所述门控相机为像增强型CCD或像增强型CMOS相机。
4.根据权利要求1至3任一所述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特征在于：所述滤光片为带通滤波片(4)或者长通滤波片(4)。
5.根据权利要求4所述用于流场诊断的快速荧光寿命成像***，其特征在于：所述片光整形装置(2)包括沿激光传输方向依次设置的扩束镜和准直镜。
6.一种用于流场诊断的双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器(1)发射一个单脉冲能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置(3)中待测目标中待测组份的激发波长；
同时，脉冲激光器(1)发射一个电信号；
步骤二、皮秒激光脉冲经片光整形装置(2)整形为片光；
步骤三、片光照射流场发生装置(3)产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测组份发射荧光信号，并经滤波片(4)滤除杂散信号；
步骤四、脉冲激光器(1)发射的电信号触发分幅相机(5)，使其对经滤波片(4)滤除后的荧光信号进行曝光，获得记录四张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
步骤五、将分幅相机(5)捕获的四张荧光强度图像传送到数据处理装置(6)，利用拟合算法进行双指数衰减模型下的荧光寿命图像计算及显示。
7.根据权利要求6所述用于流场诊断的双指数衰减模型快速荧光寿命成像方法，其特征在于，步骤五中，双指数衰减模型为：
I＝A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)；
其中，I为时变荧光信号强度，t为时间，A1、A2为2个预指数因子，τ1、τ2为2个不同的荧光寿命。
8.一种用于流场诊断的单指数衰减模型高重频快速荧光寿命成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、脉冲激光器(1)连续发射两个重频为KHz～MHz、能量在毫焦量级的皮秒激光脉冲，该皮秒激光脉冲的波长对应于流场发生装置(3)中待测目标中待测组份的激发波长；
同时，脉冲激光器(1)发射一个电信号；
步骤二、两个皮秒激光脉冲经片光整形装置(2)整形为两个片光；
步骤三、两个片光先后照射流场发生装置(3)产生的待测目标流场，使待测目标流场中的待测目标组份发射两个荧光信号，并经滤波片(4)滤除杂散信号；
其中，两个荧光信号分别为第一荧光信号和第二荧光信号；
步骤四、脉冲激光器(1)发射的电信号触发分幅相机(5)，使其对经滤波片(4)滤除后的第一荧光信号和第二荧光信号进行曝光；
分幅相机(5)的其中两台门控相机对第一荧光信号进行曝光，获得记录第一荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
分幅相机(5)的另外两台门控相机对第二荧光信号进行曝光，获得记录第二荧光信号的两张具有不同曝光时间门的荧光强度图像；
步骤五、将分幅相机(5)捕获的四张荧光强度图像传送到数据处理装置(6)，进行两张高重频荧光寿命图像的计算及显示。
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