逐光IsCMOS像增强相机拍摄气体流场LIF信号
1、应用背景
如何提高燃烧效率，减小燃烧过程对发动机等燃烧容器的损害，以及降低排出废气中的污染物含量，是燃烧领域研究中的终极问题。其中包含了例如自持燃烧、燃烧不稳定性、燃烧反应过程等关键问题。通过获取燃烧器内流体的温度、压力、化学物质浓度等分布的变化来研究燃烧过程是最为直接而准确的方法。不过，不论是直接拍摄燃烧过程，还是探针式检测温度压力等探测方法都存在各自的缺点：探测设备会对燃烧器内部流场本身形成扰动，无法还原燃烧器本来的工作状态，且高温高压的燃烧环境对探测器的性能和质量提出了挑战，拍摄过程中可能需要中断燃烧过程。此外，这类侵入式探测手段对化学反应过程各组分的探测无能为力。种种需求与困境表明，固有的探测技术无法满足燃烧领域的研究和发展。
近些年来，激光诱导荧光技术(Laser Induced Fluorescence, LIF)在流体研究，特别是燃烧流场研究中扮演着重要的角色。LIF是一种新的流动显示和流动测量的方法，是非介入式的、能实时获得二维(平面激光诱导荧光，Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)甚至三维空间分布信息的实验方法，可以进行浓度场、温度场、压力场以及速度场的定量测量。LIF牵涉到的是分子的真实的激发态。在燃烧过程中，有些要测量的成分是瞬态的中间产物，含量非常小，LIF技术恰恰适合探测这种类型的样品。利用LIF技术探测分子的荧光色散光谱可以研究分子的动力学过程。
本次实验采用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，以纳秒快门的精度测试在流场中的测速情况，分别测量相机的空间分辨和时间分辨以评估其在LIF中的拍摄能力。
2、实验方案
实验设备：
中智科仪IsCMOS像增强相机，型号TRC411-S-S20-U
研究对象：气体射流，流速100m/s
实验设置：
本次采用逐光IsCMOS像增强相机拍摄不同气体不同流速的燃烧诊断信号，测试流程如下：
1、矫正光路，调整相机和燃烧目标距离，大致的相机空间分辨率在50-100um;
2、打开532nm飞秒激光，使其与气体产生作用，飞秒激光器从触发到信号产生延迟200ns，相机从触发到拍摄延迟120ns，调整延迟拍摄到信号;
3、调节气体流速10-100m/s和气体种类(甲烷等);
4、采用SmartCaputure软件里的Burst功能，可以得到比较好的效果。
图1 实验拍摄现场
3、实验结果
图2 气体射流拍摄图像，MCP Gain:2000, Gate width:1us, Burst: 8
图2中，两幅图像的相机拍摄参数一致，气体流速一致(100m/s)。图中每一道条纹代表相机开一次快门，快门门控宽度为1us，快门间隔为3us。可以看到气体射流从出射到冲击平台的过程(上图)，以及气体在平台堆积阻碍射流的过程(下图)。图像拍摄的结果表明，逐光IsCMOS像增强相机可以进行超短门控拍摄成像过程，与同类进口产品性能相当。
4、结论
实验利用激光器外触发相机Burst模式，可以连续拍摄8张时间间隔在3微秒的图片。结果表明，逐光IsCMOS像增强相机凭借其精确的时序控制与超短门控宽度能够精准拍摄气体射流LIF图样，并凭借像增强器的高MCP增益，获得的LIF图像仍能保持较高的清晰度和信噪比。
中智科仪逐光IsCMOS像增强相机凭借其高增益像增强性能，精准的时序控制和超短门控宽度，在燃烧诊断，等离子体诊断等超快实验领域发挥其重要作用，是LIF/PLIF等技术实现的重要载体，也是超快领域研究中设备国产化的不二选择。
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5、解决方案
由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。
1. 500皮秒光学快门
以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。
2.超高采样频率
逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。
3.精准的时序控制
逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。
4. 创新“零噪声”技术
得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。
