分布式光纤传感技术及其在航空航天领域的应用展望

综述了分布式布里渊和瑞利光纤传感技术的主要技术原理、特点及发展概况，包括布里渊光时域分析技术、布里渊相关域分析技术、动态布里渊光纤传感技术、瑞利光时域反射计技术和光频域反射计技术五项主要技术。在此基础上，对分布式光纤传感技术在航空领域的应用进行了回顾，并对其在航天领域的可能应用进行了探讨。     

结构光照明技术在瑞利散射成像去杂散光应用中的研究

激光片光成像技术在流场测量领域的应用前景十分广阔，但该类测量技术在实际测量中都会受到杂散光或背景光干扰的影响，降低了光学成像质量。因此，开展了将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光干扰的研究。结构光照明技术是一种新型的杂散光抑制方法，可以将原始图像数据分为有效信号和杂散光（来自于激光片光焦平面外的干扰光）两部分，在后期数据处理中，有效信号会保持不变，而杂散光会因为空间频率不同而被剔除掉。首先，基于Matlab软件理论分析了该类方法消除杂散光的作用；其次，设计了一套应用于瑞利散射成像的结构光照明测量装置，主要由连续激光器、Ronchi光栅和EMCCD相机组成，其中Ronchi光栅用于产生正弦光强分布的激光片光。最后利用该测量装置在McKenna平面火焰炉上开展了瑞利散射图像测量实验，验证了结构光照明的方法具有消除杂散光影响、提高瑞利散射图像精度的作用。     

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

受限空间预混钝体稳定与抬升火焰激光诊断

在受限空间预混钝体燃烧器中,利用OH-PLIF （平面激光诱导荧光）、PIV （粒子图像测速）和瑞利散射测温技术实验研究了火焰结构、流场和温度场之间的相互影响关系。对比分析了贫燃稳定与富燃抬升状态下甲烷/空气预混火焰的燃烧场特性。实验结果表明：火焰结构、流场和温度场分布之间均存在直接联系。贫燃（当量比为0.8）火焰钝体上方为膨胀的高温低速回流区,利于火焰维持稳定;富燃（当量比为1.2）火焰倾向在受限空间出口与外界空气卷吸后着火,其钝体上方为类似冷态的低速低温回流区,无法点燃混合气,因而形成抬升火焰。分析各场局部分布信息获得火焰场间相互依赖规律：钝体火焰中,高温和低速对应已燃区,低温和高速对应未燃区。     

基于滤波瑞利散射技术的带压燃烧场温度测量实验研究

为实现高压、受限空间条件下燃烧火焰二维温度场的测量，研究了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波瑞利散射技术。设计了一套滤波瑞利散射温度测量装置，主要由种子激光注入Nd:YAG激光器、碘分子滤波池、ICCD相机等组成。利用该测量装置，在高压火焰炉上开展了0.1~0.5MPa条件下的甲烷/空气预混火焰温度测量实验，结果表明:滤波瑞利散射测温技术能有效抑制米散射和背景杂散光的干扰，能在受限空间和带压条件下获得瞬态燃烧火焰温度场的分布，并且温度测量的相对不确定度优于15%；与热电偶温度测量实验的结果进行了对比，两者的偏差小于10%。因此，有望将滤波瑞利散射测温技术应用于发动机燃烧场温度诊断实验。     

瑞利散射测速技术在高超声速流场中应用研究

采用基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma5、Ma6、Ma12的流场速度和湍流度的测量，了解了瑞利散射速度和湍流度测量系统在高超声速流场中应用的情况，结果表明目前该风洞流场湍流度在1%以内，速度测量结果与流场校测偏差最大1.3%；对激波后返回舱模型绕流速度进行了测量，Ma6来流的测量结果与数值模拟结果吻合较好，而Ma12来流的测量结果与数值模拟结果相差69%，对原因进行了分析。在实验中发现目前Φ0.3m高超声速低密度风洞的流场存在一定程度的冷凝现象，并对后续研究工作提出了建议。     

基于后向喇曼散射分布式光纤测温系统温度解调方法研究

 讨论了喇曼和瑞利散射光的温度效应。通过具体的理论分析,指出反斯托克斯散射光比斯托克斯散射光的温度灵敏度高,是此类系统解调温度信息的首选对象。详细讨论了 2种解调方法。通过分析对比它们在系统温度灵敏度、相对温度灵敏度与波长关系上的差异,得到了一系列有意义的结论。针对实际测量过程中光纤损耗因素,利用最小二乘法给出了一种“校正”算法。系统实践证明,上述结论是正确、合理的,校正算法是简洁、有效的。     

干涉瑞利散射测速技术在跨超声速风洞的湍流度测试应用研究

为了测量高速流场的湍流度，研究了基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉仪的干涉瑞利散射测速技术。设计了干涉瑞利散射速度测量装置，主要由大功率窄线宽连续激光器、法布里-珀罗干涉仪和高帧频EMCCD相机组成，激光器提供连续光源照射流场形成气体分子瑞利散射，并通过法布里-珀罗干涉仪和EMCCD，实现了对流场气体分子瑞利散射光谱精细分辨，获得了高时间分辨速度测量结果。经过理论分析，该装置的速度分辨率为1.23m/s；通过与热线风速仪湍流度测量实验的结果进行对比，验证了干涉瑞利散射测速技术具备流场湍流度非接触测量能力；利用干涉瑞利散射测速装置，在0.3m×0.3m跨超声速风洞上，开展了Ma3.0条件下流场湍流度测量实验，获得了超声速流场的平均速度和湍流度测量结果，装置时间采样率达到4kHz。     

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

FRS技术对瞬态高速喷流的可视化研究

为了诊断瞬态高速喷流的结构特征,开展了基于分子滤波瑞利散射(FRS)技术的可视化研究.介绍了FRS技术的基本原理,分析了散射光的多普勒频移对诊断的影响.针对瞬态高速喷流特点,建立了FRS诊断系统,设计了两种不同的激光入射方式.采用与流场方向垂直的激光入射方式,获得了喷流与空气作用的湍流结构.而采用与流场轴向平行的激光入射方式,则获得了喷流自身的结构.FRS技术对瞬态高速喷流的可视化研究,对研究超声速湍流混合层流场具有重要指导意义.