CN113310857B - 湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***及其方法，解决了目前测试手段尚无法实际达到湍流燃烧中的所需测试，其技术方案要点是基于发射光谱层析比色测温***实现湍流火焰温度场的测量，基于层析激光诱导白炽光***对激光诱导炽光信号进行探测，并结合激光诱导白炽光模型，对离散化的重建区域内每个体素中的激光诱导白炽光信号的衰减曲线进行拟合，最终求得碳烟颗粒初级粒径空间分布，本发明的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***及其方法，可以同时获得时空解析的温度分布和初级粒子粒径分布，最终用于研究湍流火焰中碳烟颗粒的生成及演化规律。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧诊断、辐射测温、计算成像、碳烟诊断技术，特别涉及湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***及其方法。
背景技术
近年来，新能源的开发与利用是一个热点话题。但是，尽管锂电池、燃料电池和其他的电力装置在动力设备中地位愈发重要，汽车内燃机和航空发动机仍然在世界范围内的运输行业中占据着主导地位。然而，在燃烧时，不可避免的会产生温室气体和碳烟颗粒等污染物。这将对环境污染以及人类的健康造成危害。
为了减少碳烟排放，需要对碳烟的形成过程有充分的了解。碳烟的生成过程如凝聚、表面生长和氧化很大程度上取决于碳烟颗粒的比表面积。因此，初级颗粒的大小(直径dp)是表征碳烟演化过程的主要指标。另外，碳烟的生成和氧化与局部温度也密切相关；同时，温度对燃烧化学反应动力学也有很大的影响，尤其是在湍流的作用下。因此，为了更好地了解碳烟的生成过程并建立有效的碳烟生成模型，在燃烧过程中我们必须获得以上所提到的参数，例如初级颗粒的大小和火焰局部温度等。
实际的燃烧装置中，如燃气轮机和内燃机中，湍流燃烧是主要的燃烧组织形式。在湍流燃烧中，碳烟生成是一个三维的物理化学过程，且时间尺度往往在毫秒甚至亚毫秒量级。然而，目前的测试手段尚不能满足以上所提到的测试需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***及其方法，可以同时获得时空解析的温度分布和初级粒子粒径分布，最终用于研究湍流火焰中碳烟颗粒的生成及演化规律。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，包括有以下步骤：
S1、搭建激光光路***，安装高频激光器、沿光路安装光学组件、位于激光光路中的待测燃烧器、用于实时记录激光光强分布的第一信号探测***；
S2、建立基于内窥层析的比色辐射测温***，将第一一分多内窥镜的多个入射端均匀布设于待测燃烧器外的同一半径圆周的同一侧，第一分光镜的入射端对准于第一一分多内窥镜的出射端，第二信号探测***和第三信号探测***分别对准第一分光镜的两个出射端；
S3、建立基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***，将第二一分多内窥镜的多个入射端均匀布设于待测燃烧器外的同一半径圆周的同一侧；第二分光镜的入射端对准于第二一分多内窥镜的出射端，第四信号探测***和第五信号探测***分别对准第二分光镜的两个出射端；
S4、比色辐射测温***及激光诱导白炽光信号测量***通过信号发生器设置触发；信号发生器设置第一信号探测***与第二探测***、第三信号探测***同步触发，设置第四信号探测***延时触发，设置第五信号探测***与第一信号探测***及第四信号探测***之间设定一定的延时；
S5、第一信号探测***、第二信号探测***、第三信号探测***、第四信号探测***、第五信号探测***分别采集多角度信号并进行处理，获得燃烧场温度分布和碳烟颗粒初级粒径四维分布。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
基于发射光谱层析比色测温***实现湍流火焰温度场的测量，基于层析激光诱导白炽光***对激光诱导炽光信号进行探测，并结合激光诱导白炽光模型，对离散化的重建区域内每个体素中的激光诱导白炽光信号的衰减曲线进行拟合，最终求得碳烟颗粒初级粒径空间分布；
采用延时探测方案，通过高重频脉冲激光器与高速相机的配合使用，可以实现湍流燃烧场时间解析的测量；通过层析技术的应用，可以实现湍流燃烧场空间解析的测量。通过层析比色测温***与层析激光诱导白炽光***的结合，可实现湍流燃烧场碳烟颗粒初级粒径分布时空分辨的测量，即四维(3D+t)测量。
附图说明
图1为本发明实施例的***示意图；
图2为各信号探测***的触发信号时序示意图；
图3为三维反演模型中世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系之间的相对位置关系示意图。
图中：1、高频激光器；2、球面凹透镜；3、第一柱面凸透镜；4、第二柱面凸透镜；5、反射镜；6、待测燃烧器；7、中性密度衰减片；8、第一高速相机；81、第一镜头；9、第六镜头；10、第一一分多内窥镜；11、第一分光镜；12、第一波段滤光片；13、第二镜头；14、第二高速相机；15、第二波段滤光片；16、第三镜头；17、第三高速相机；18、信号发生器；19、第七镜头；20、第二一分多内窥镜；21、第二分光镜；22、第三波段滤光片一；23、第四镜头；24、第一像增强器；25、第四高速相机；26、第三波段滤光片二；27、第五镜头；28、第二像增强器 29、第五高速相机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
目前，碳烟测试技术主要分为侵入式和非侵入式两种。侵入式的方法主要基于采样法，该方法通过探针获取碳烟的样品，并用透射电子显微镜(TEM)来确定碳烟初级颗粒的粒径以及团聚物的参数。然而，侵入式的采样方式不可避免地破坏了燃烧过程，从而造成测量误差；此外，该方法非常耗时，无法解析碳烟的形成过程。非侵入式的方法则可以有效避免以上问题。此类方法主要包括各种光学测试技术。其中，激光诱导炽光(LII)技术是通过短激光脉冲加热碳烟颗粒使之发出强烈的炽光，而炽光的峰值强度则直接与碳烟体积分数fV成正比。另一方面，由于碳烟初级颗粒粒径dp决定了散热的速率，因此它也决定了炽光的衰减速率。通过能量守恒，可建立炽光衰减速率和dp之间的关系，即建立LII模型。因此，通过时间分辨的激光诱导炽光(TiRe-LII)技术获得炽光信号的衰减速率，则可根据LII模型求得dp。该技术在发明之初，只能测量单点的碳烟参数。1995年，首次提出二维TiRe-LII技术，即采用成像的方法对dp的分布进行测量。
LII信号衰减的时间尺度为几百纳秒，由于缺乏超高速的相机，以往的测量只能针对稳态的火焰，通过使用多个激光脉冲来激发LII信号，从而获得衰减曲线上的不同点，并拟合出衰减速率。因此，并不适用于非定常的湍流火焰的测量。
光学成像方法已经成为当今湍流燃烧研究不可或缺的手段。如上所述，平面成像方法如二维TiRe-LII技术，可用于测量激光激发平面内的碳烟参数分布。然而，湍流燃烧中碳烟的形成是一个三维的物理化学过程，而二维的测量手段并不能完全解析。因此，需要开发具有更高维度分辨率的测试技术。一种可能的方案是对火焰进行逐层扫描测量。然而由于湍流火焰高速动态变化的特性，逐层扫描并不能捕捉瞬态的碳烟颗粒三维分布。另一种方案是采用体激光柱激发整个火焰产生LII信号，并在多个角度采集LII信号的投影(即积分)，通过层析的方法重建LII信号的空间分布，最后求得局部碳烟参数。
从本质上来说，层析是一种强大的数学方法，它可以通过目标场(如LII信号的三维分布)在多个角度上的投影重建目标场本身。近年来，光学层析技术取得了长足的进步，已成为研究湍流燃烧的重要手段。最近，Meyer等研究人员通过结合LII技术和层析原理重建了射流火焰碳烟体积分数fV的三维分布。然而，由于未能测得LII信号的衰减速率，并未实现初级颗粒粒径dp三维分布的测量。
根据一个或多个实施例，公开了一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***，如图1所示，包括有激光光路***、基于内窥层析的比色辐射测温***、基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***、信号发生器18。
激光光路***包括有用于发射激光光束的高频激光器1，还包括有沿光路依次设置的球面凹透镜2、第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4、反射镜5、待测燃烧器6、中性密度衰减片7以及对激光信号进行实时采集的第一信号探测***。第一柱面凸透镜3、第二柱面凸透镜4分别对激光束在宽度和高度上进行扩束；其中，第一柱面凸透镜3距离球面凹透镜2的距离应为第一柱面凸透镜3与球面凹透镜2焦距绝对值之差；第二柱面凸透镜4距离球面凹透镜2的距离应为第二柱面凸透镜4与球面凹透镜2焦距绝对值之差。
基于内窥层析的比色辐射测温***包括有第一一分多内窥镜10、第一分光镜11、第二信号探测***、第三信号探测***；第一一分多内窥镜10包括多个入射端和一个出射端，第一一分多内窥镜10的多个入射端均匀布设于待测燃烧器6外的同一半径的圆周同一侧；第一分光镜11包括有一个入射端和两个出射端，第一分光镜11的入射端对准第一一分多内窥镜10的出射端；第二信号探测***和第三信号探测***分别对准第一分光镜11的两个出射端。
基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***包括有第二一分多内窥镜20、第二分光镜21、第四信号探测***、第五信号探测***。第二一分多内窥镜20包括多个入射端和一个出射端，第二一分多内窥镜20的多个入射端均匀布设于待测燃烧器6外的同一半径的圆周同一侧，第一一一分多内窥镜和第二一分多内窥镜20分设在待测燃烧器6的不同侧，位于激光光路***的激光光路的两侧。第二分光镜21包括一个对准第二一分多内窥镜20出射端的入射端和两个用于分束出射的出射端。第四信号探测***和第五信号探测***分别对第二分光镜21的两个出射端。
第一信号探测***位于中性密度衰减片7相对待测燃烧器6的另一侧，用于实时记录激光光强分布，包括有第一镜头81和第一高速相机8，中性密度衰减片7位于第一镜头81的前侧用于衰减激光光束能量，防止第一高速相机8造成损坏。
第一分光镜11的分光比例为1:1；而由于激光诱导白炽光信号随时间衰减，为了获得较高的信噪比，第二分光镜21的分光比例则为3：7。
第二信号探测***包括有从入射端至出射端依次连接的第一波段滤光片12、第二镜头13和第二高速相机14；第三信号探测***包括有依次连接的第二波段滤光片15、第三镜头16及第三高速相机17；第四信号探测***包括有依次连接的第三波段滤光片一22、第四镜头23、第一像增强器24和第四高速相机25；第五信号探测***包括有依次连接的第三波段滤光片二26、第五镜头27、第二像增强器和第五高速相机。第一、第二波段滤光片15采用中心波长不同的窄带滤光片，该第一、第二波段滤光片15的中心波长组合对温度敏感性应较高且能测量较高信噪比的信号；第三波段滤光片一22、第三波段滤光片二26用于探测激光诱导白炽光信号。
第一一分多内窥镜10的多个入射端前均设置有第六镜头9，第二一分多内窥镜20的多个入射端前均设置有第七镜头19。
信号发生器18设置激光光路***、比色辐射测温***及激光诱导白炽光信号测量***的触发，连接于高频激光器1及各个信号探测***，用于设置信号触发。信号发生器18设置第一信号探测***与第二、第三信号探测***同步触发，第四信号探测***与第一信号探测***设置延时触发，第五信号探测***相对第四信号探测***再次设置有一定延时，且第五信号探测***与第一信号探测***对应也成延时设置，第五信号探测***与第一信号探测***、第四信号探测***之间设定的延时为纳秒级的延时时间，从而使基于内窥层析的激光诱导白炽光测量***可探测得到同一个激光脉冲下激光诱导白炽光信号的衰减曲线。
待测燃烧器6在湍流工况、高频激光器1工作状态下工作，信号发生器18按照设定触发各信号探测***进行信号的探测采集，并进行记录、保存，基于内窥层析的比色辐射测温***数据处理得到湍流燃烧场四维温度分布，基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***数据处理，获得湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布。
根据一个或多个实施例，公开了一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，包括有以下步骤：
S1、搭建激光光路***，安装有高频激光器1、沿光路安装的光学组件、位于激光光路中的待测燃烧器6、用于实时记录激光光强分布的第一信号探测***。
S2、建立基于内窥层析的比色辐射测温***，将第一一分多内窥镜10的多个入射端均匀布设于待测燃烧器6外的同一半径圆周的同一侧，第一分光镜11的入射端对准于第一一分多内窥镜10的出射端，第二信号探测***和第三信号探测***分别对准第一分光镜11的两个出射端。
S3、建立基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***，将第二一分多内窥镜20的多个入射端均匀布设于待测燃烧器6外的同一半径圆周的同一侧；第二分光镜21的入射端对准于第二一分多内窥镜20的出射端，第四信号探测***和第五信号探测***分别对准第二分光镜21的两个出射端。
S4、比色辐射测温***及激光诱导白炽光信号测量***通过信号发生器18设置触发；信号发生器18设置第一信号探测***与第二探测***、第三信号探测***同步触发，设置第四信号探测***延时触发，设置第五信号探测***与第一信号探测***及第四信号探测***之间设定一定的延时。
S5、第一、第二、第三、第四、第五信号探测***分别采集多角度信号并进行处理，获得燃烧场温度分布和碳烟颗粒初级粒径四维分布。
优选地，激光光路***中第一柱面凸透镜3和第二柱面凸透镜4分别对激光束在宽度和高度上进行扩束；其中，第一柱面凸透镜3距离球面凹透镜2的距离应为第一柱面凸透镜3与球面凹透镜2焦距绝对值之差；第二柱面凸透镜4距离球面凹透镜2的距离应为第二柱面凸透镜4与球面凹透镜2焦距绝对值之差。
优选地，第一信号探测***用于实时记录激光光强分布，其包括第一镜头81和第一高速相机8；中性密度衰减片7置于第一高速相机8前，用于衰减激光束能量，以防其对第一高速相机8造成损坏。
优选地，第二信号探测***包括依次连接的第一波段滤光片12、第二镜头13和第二高速相机14；第三信号探测***包括依次连接的第二波段滤光片15、第三镜头16和第三高速相机17；第四信号探测***包括依次连接的第三波段滤光片一22、第四镜头23、第一像增强器24和一第四高速相机25；第五信号探测***包括依次连接的第三波段滤光片二26、第五镜头27、第二像增强器28和一第五高速相机29；第一一分多内窥镜10和第二一分多内窥镜20的入射端前分别设置有一第六镜头9和第七镜头19。
优选地，第一分光镜11的分光比例为1:1；而由于激光诱导白炽光信号随时间衰减，为了获得较高的信噪比，第二分光镜21的分光比例则为3：7。
优选地，第一波段滤光片12、第二波段滤光片15采用中心波长不同的窄带滤光片，该第一波段滤光片12、第二波段滤光片15的中心波长组合对温度敏感性应较高且能测量较高信噪比的信号；第三波段滤光片一22和第三波段滤光片二26则用于探测激光诱导白炽光信号。
优选地，第五信号探测***则与第一、二、三和四信号探测***的触发信号之间需设置纳秒级的延迟时间，从而使基于内窥层析的激光诱导白炽光测量***可探测得到同一个激光脉冲下激光诱导白炽光信号的衰减曲线。各信号探测***的触发方案时序示意图参见图2。
优选地，步骤S5进一步包括但不限于以下步骤：
S51：基于内窥层析的比色辐射测温***和基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***中各探测角度位置的标定；
S52：在待测燃烧器6不工作时，将已知不同波长下绝对辐射强度的宽谱标准光源置于待测燃烧器6上的中心位置，用第二信号探测***和第三信号探测***分别采集宽谱标准光源的辐射信号，完成基于内窥层析的比色辐射测温***中辐射信号强度的标定；
S53：基于内窥层析的比色辐射测温***数据处理，获得湍流燃烧场四维温度分布；
S54：根据第一信号探测***所测得的实时激光线型对基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***中第四、第五信号探测***探测得到的激光诱导白炽光信号进行矫正，降低激光强度分布不均对所测结果的影响；
S55：基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***数据处理，获得湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布。
优选地，宽谱标准光源的出光波长包括第一波段滤光片12和第二波段滤光片15的带通区间。
优选地，步骤S51进一步包括但不限于以下步骤：
S511：将一已知格子尺寸的黑白格子标定板置于待测燃烧器6的中心位置，调整其位置，分别同时从第一一分多内窥镜10、第二一分多内窥镜20中多个角度采集标定板上的黑白格子图像，并分别通过第二、第三和第四、第五信号探测***记录并保存；
S512：根据第二、第三、第四和第五信号探测***探测的标定板数据，分别提取每个信号探测***中同时摄得的不同角度的标定板图像中黑白格子的交点，获得这些交点在不同信号探测***中各相机坐标系和世界坐标系下的坐标；
S513：通过格子交点在不同相机坐标系和世界坐标系中的坐标，结合标定算法获得所需的标定参数，根据标定参数确定第二、第三、第四和第五信号探测***与待测燃烧场区域之间的位置关系以及各信号探测***中不同探测角度之间的相对位置关系。
优选地，步骤S53进一步包括但不限于以下步骤：
S531：令待测燃烧器6工作在湍流工况、高频激光器1工作，按步骤S4中的延时触发方案触发各信号探测***，并将各信号探测***采集到的数据记录并保存；
S532：采用蒙特卡洛光线追踪方法，分别结合标定过程得到的第二、第三信号探测***及其中多个探测角度间的位置关系，建立辐射信号场的反演模型：
参考图3，图3所示为三维重建中涉及到的世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系之间相对关系示意图。相机坐标系上某像素接收到的光强在数学上可表示为：
p(xp，yp)＝∫∫∫f(xw，yw，zw)·W(xw，yw，zw，xp，yp)dV (1)
其中p(xp，yp)是相机像素(xp，yp)所测得的光强；f(xw，yw，zw)是空间中某一点(xw，yw，zw)的待测物理量；W为系数矩阵。若将待测区域离散化，则公式(1)可以表示为：
其中，N代表总体素数；Δx，Δy，Δz分别为沿着三个坐标轴x、y、z方向体素的大小。从公式(2)可以看出，相机上每一个像素实际上提供了一个线性方程组，方程中的变量为重建区域内所有体素的待测物理量。所以，相机上的所有像素提供了一系列线性方程组。当从不同角度同时拍摄待测区域时则可获得多组线性方程组，其向量形式可表示为：
其中，
为向量，表示相机上所有像素所获得辐射信号的集合；矩阵W中每一列表示某个体素在相机上的点扩散函数；
则代表空间中所有体素的辐射信号场。
S533：结合上述辐射信号场的反演模型，采用代数重建法对反演问题进行求解，重建待测燃烧场区域分别在第一、第二波段下的三维相对辐射信号分布；
代数重建法可以在较少的投影下可重建出较好的待测物理场，同时能够有效抑制伪影问题。每次迭代中都会将误差用于更新重建场，从而逐步逼近方程的解，该迭代方式的数学表达式为：
其中
代表迭代过程中的求得的方程解，上标k、i分别代表迭代次数及第i个等式。Wi、pi分别代表系数矩阵W的第i行及投影
的第i个元素。λART是松弛因子，控制着迭代的收敛速度与收敛性。
S534：结合第二、第三信号探测***分别采集的火焰辐射信号和宽谱标准光源的辐射信号以及第一波段滤光片12和第二波段滤光片15的透射率曲线，分别计算第二、第三信号探测***的光学敏感常数；
S535：通过光学敏感常数和重建得到的第一、第二波段下的三维相对辐射信号分布，基于普朗克辐射定律获得时间解析的三维燃烧场温度，即得到湍流燃烧场四维温度分布：
根据普朗克辐射定律，物体辐射强度I(λ,T)是波长λ、发射率ε(λ)以及温度T的函数：
采用比色测温法，对两个不同波长下的辐射强度做比值，结合瑞利近似，可得到下式：
其中，m为复折射系数，E(m)为折射函数。当不同波长下的折射函数取值确定以及辐射强度比值可测得时，可根据上式计算得到温度。其中，辐射强度比值通过S534中的两台高速相机的光学敏感常数与S533中重建的待测区域的两个不同波段下的三维相对辐射信号分布得到。因此，通过查表法可确定待测区域三维温度分布。
优选地，步骤S55进一步包括但不限于以下步骤：
S551：根据S531中第四、第五信号探测***分别测得的多角度不同激光脉冲所激发的激光诱导白炽光信号，采用蒙特卡洛光线追踪方法，分别结合标定过程得到的第四、第五信号探测***及其中多个探测角度间的位置关系，建立激光诱导白炽光信号场的反演模型；
S552：结合激光诱导白炽光信号场的反演模型，采用代数重建法对反演问题进行求解，重建待测燃烧场区域在各激光脉冲激发下于第三波段下探测的分别对应于第四、第五信号探测***的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场；
S553：忽略沿着激光传播方向上的衰减，基于S531中第一信号探测***测得的高频激光脉冲实时线型，对S552中重建得到的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场进行矫正，矫正激光光强分布不均对测量信号造成的影响；
S554：根据S553中所得到的存在一定时间延时的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场，拟合得到对应于每一激光脉冲的激光诱导白炽光信号衰减曲线；
S555：结合S534中得到的对应于不同激光脉冲的激光诱导白炽光信号衰减曲线，基于激光诱导白炽光模型，拟合得到对应于每一激光脉冲的三维碳烟颗粒初级粒径分布，即得到湍流燃烧场时间解析的三维碳烟颗粒初级粒径分布。
进一步的，步骤S555中的激光诱导白炽光模型基于能量守恒方程建立，其数学表达式为：
能量的变化由吸收
热传导
(与气体池浴温度有关，通过上述S53可得到)、升华
导致。其中，dp为待测的碳烟粒径，
为LII衰减曲线的衰减速率，通过上述S554可拟合得到。因此，可通过能量守恒方程，求解出碳烟颗粒粒径dp。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是，包括有以下步骤：
S1、搭建激光光路***，安装高频激光器、沿光路安装光学组件、位于激光光路中的待测燃烧器、用于实时记录激光光强分布的第一信号探测***；
S2、建立基于内窥层析的比色辐射测温***，将第一一分多内窥镜的多个入射端均匀布设于待测燃烧器外的同一半径圆周的同一侧，第一分光镜的入射端对准于第一一分多内窥镜的出射端，第二信号探测***和第三信号探测***分别对准第一分光镜的两个出射端；
S3、建立基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***，将第二一分多内窥镜的多个入射端均匀布设于待测燃烧器外的同一半径圆周的同一侧；第二分光镜的入射端对准于第二一分多内窥镜的出射端，第四信号探测***和第五信号探测***分别对准第二分光镜的两个出射端；
S4、比色辐射测温***及激光诱导白炽光信号测量***通过信号发生器设置触发；信号发生器设置第一信号探测***与第二探测***、第三信号探测***同步触发，设置第四信号探测***延时触发，设置第五信号探测***与第一信号探测***及第四信号探测***之间设定一定的延时；
S5、第一信号探测***、第二信号探测***、第三信号探测***、第四信号探测***、第五信号探测***分别采集多角度信号并进行处理，获得燃烧场温度分布和碳烟颗粒初级粒径四维分布；
S51：基于内窥层析的比色辐射测温***和基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***中各探测角度位置的标定；
S52：在待测燃烧器6不工作时，将已知不同波长下绝对辐射强度的宽谱标准光源置于待测燃烧器6上的中心位置，用第二信号探测***和第三信号探测***分别采集宽谱标准光源的辐射信号，完成基于内窥层析的比色辐射测温***中辐射信号强度的标定；
S53：基于内窥层析的比色辐射测温***数据处理，获得湍流燃烧场四维温度分布；
S54：根据第一信号探测***所测得的实时激光线型对基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***中第四、第五信号探测***探测得到的激光诱导白炽光信号进行矫正，降低激光强度分布不均对所测结果的影响；
S55：基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***数据处理，获得湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布。
2.根据权利要求1所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是，激光光路的搭建具体为：
沿高频激光器发射激光光束的光路，依次安装有球面凹透镜、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、反射镜、待测燃烧器、中性密度衰减片；第一信号探测***对激光信号进行采集探测，所述中性密度衰减片位于待测燃烧器和第一信号探测***之间；
第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜分别对激光束在宽度和高度上进行扩束；第一柱面凸透镜距离球面凹透镜的距离为第一柱面凸透镜与球面凹透镜焦距绝对值之差；第二柱面凸透镜距离球面凹透镜的距离为第二柱面凸透镜与球面凹透镜焦距绝对值之差。
3.根据权利要求1所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是：
第一信号探测***沿光路依次包括有第一镜头和第一高速相机；第二信号探测***包括依次连接的第一波段滤光片、第二镜头及第二高速相机；第三信号探测***包括依次连接的第二波段滤光片、第三镜头和第三高速相机；第四信号探测***包括依次连接的第三波段滤光片一、第四镜头、第一像增强器和第四高速相机；第五信号探测***包括依次连接的第三波段滤光片二、第五镜头、第二像增强器和第五高速相机；
第一一分多内窥镜的各入射端前均设置有第六镜头；第二一分多内窥镜的各入射端前均分别设置有第七镜头。
4.根据权利要求3所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是：所述宽谱标准光源的出光波长包括所述第一波段滤光片和所述第二波段滤光片的带通区间。
5.根据权利要求4所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是，步骤S51的标定具体包括有：
S511、将一已知格子尺寸的黑白格子标定板置于待测燃烧器的中心位置，调整其位置，分别同时从第一一分多内窥镜、第二一分多内窥镜中多个角度采集标定板上的黑白格子图像，并分别通过第二信号探测***、第三信号探测***和第四信号探测***、第五信号探测***记录并保存；
S512、根据第二信号探测***、第三信号探测***、第四信号探测***、第五信号探测***探测的标定板数据，分别提取每个信号探测***中同时摄得的不同角度的标定板图像中黑白格子的交点，获得这些交点在不同信号探测***中各相机坐标系和世界坐标系下的坐标；
S513、通过格子交点在不同相机坐标系和世界坐标系中的坐标，结合标定算法获得所需的标定参数，根据标定参数确定第二信号探测***、第三信号探测***、第四信号探测***、第五信号探测***与待测燃烧场区域之间的位置关系以及各信号探测***中不同探测角度之间的相对位置关系。
6.根据权利要求5所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是，步骤S53具体包括有：
S531：令待测燃烧器工作在湍流工况、高频激光器工作，通过信号发生器按设定触发各信号探测***，并将各信号探测***采集到的数据记录并保存；
S532：采用蒙特卡洛光线追踪方法，分别结合标定过程得到的第二信号探测***、第三信号探测***及其中多个探测角度间的位置关系，建立辐射信号场的反演模型；
S533：结合辐射信号场的反演模型，采用代数重建法对反演问题进行求解，重建所述待测燃烧场区域分别在第一波段、第二波段下的三维相对辐射信号分布；
S534：结合第二信号探测***、第三信号探测***分别采集的火焰辐射信号和宽谱标准光源的辐射信号以及第一波段滤光片和第二波段滤光片的透射率曲线，分别计算第二信号探测***、第三信号探测***的光学敏感常数；
S535：通过光学敏感常数和重建得到的第一波段、第二波段下的三维相对辐射信号分布，基于普朗克辐射定律获得时间解析的三维燃烧场温度，即得到湍流燃烧场四维温度分布。
7.根据权利要求6所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是，步骤S55具体包括有：
S551、根据测得的多角度不同激光脉冲所激发的激光诱导白炽光信号，采用蒙特卡洛光线追踪方法，分别结合标定过程得到的第四、第五信号探测***中多个探测角度间的位置关系，建立激光诱导白炽光信号场的反演模型；
S552、结合激光诱导白炽光信号场的反演模型，采用代数重建法对反演问题进行求解，重建待测燃烧场区域在各激光脉冲激发下于第三波段下探测的分别对应于第四信号探测***、第五信号探测***的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场；
S553、忽略沿着激光传播方向上的衰减，基于第一信号探测***测得的高频激光脉冲实时线型，对重建的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场进行矫正，矫正激光光强分布不均对测量信号造成的影响；
S554、根据所得到的存在一定时间延时的第一四维激光诱导白炽光信号场和第二四维激光诱导白炽光信号场，拟合得到对应于每一激光脉冲的激光诱导白炽光信号衰减曲线；
S555、结合得到的对应于不同激光脉冲的激光诱导白炽光信号衰减曲线，基于激光诱导白炽光模型，拟合得到对应于每一激光脉冲的三维碳烟颗粒初级粒径分布，即得到湍流燃烧场时间解析的三维碳烟颗粒初级粒径分布。
8.根据权利要求1所述的湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量方法，其特征是：所述第一分光镜的分光比例为1:1；所述第二分光镜的分光比例则为3：7。
9.一种湍流燃烧场四维碳烟颗粒初级粒径分布测量***，其特征是：包括有激光光路***、基于内窥层析的比色辐射测温***、基于内窥层析的激光诱导白炽光信号测量***、用于信号触发的信号发生器；
所述激光光路***包括有发射激光光束的高频激光器、沿激光光束依次设置的球面凹透镜、第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、反射镜、待测燃烧器、中性密度衰减片，还包括有对激光信号进行实时采集探测的第一信号探测***；
所述比色辐射测温***包括有第一一分多内窥镜、第一分光镜、第二信号探测***、第三信号探测***；所述第一一分多内窥镜包括有多个均匀分布于所述待测燃烧器外同一侧的同一半径的圆周上的入射端；所述第一分光镜对准所述第一一分多内窥镜的出射端；所述第二信号探测***和第三信号探测***的入射端分别对准第一分光镜的两个出射端；
所述激光诱导白炽光信号测量***包括有第二一分多内窥镜、第二分光镜、第四信号探测***、第五信号探测***；所述第二一分多内窥镜包括有多个均匀分布于所述待测燃烧器外同一侧的同一半径的圆周上的入射端；所述第二分光镜对准所述第二一分多内窥镜的出射端；所述第四信号探测***和第五信号探测***的入射端分别对准第二分光镜的两个出射端；
所述信号发生器设置触发信号，设置第一信号探测***、第二信号探测***、第三信号探测***同步触发，第四信号探测***与第一信号探测***之间延时触发，第五信号探测***与第四信号探测***之间延时触发；所述第五信号探测***与第一信号探测***、第四信号探测***之间的延时时长均为纳秒级别。
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